交变电流教学设计.doc

交变电流【教学设计说明】交变电流的产生和变化规律是交变电流整章的重要内容，又是难点。首先它涉及到许多新的概念，如交变电流、正弦电流、中性面、瞬时值和最大值等。学生要在一节课内接受这么多的新概念有困难。何况，感应电动势、感应电流及磁通量都随时间作周期性变化，变化的物理量给学生徒增难度。虽然通过手摇交流发电机的演示实验，学生可感受到它们在变化，但对确切在何位置发生变化，还很模糊，往往会形成错误认识：如当线圈平面与磁场垂直时，磁通量最大，感应电动势最大；当线圈平面与磁场平行时，磁通量最小，感应电动势最小。其次，虽然通过一系列的公式加推导可以得出感应电动势是按正弦规律变化的，但对于学生来说，纯理论的知识仍显得很抽象，不易掌握。为了突出重点，突破难点，又能培养学生的分析、推理等能力，教学可进行如下设计：通过手摇交流发电机的演示实验直接切入课题，使学生获得电流随时间作周期性变化的感性认识；并通过例题加以巩固对交变电流的认识。在具体分析交变电流的产生时，首先讨论探索研究交变电流的方法；接着通过学生设计表格，观察线圈在磁场中转动的模拟动画，分析出交变电流的变化规律；并通过线圈平面与磁场方向有一定的角度时，进行理论探究得出感应电动势的瞬时值的表达式，进而得出正弦式交变电流的定义。最后理论联系实际，通过示波器显示家庭电路中电流的波形等实验进行验证。l 教学目标（1）能观察电流（或电压）的波形图，理解交变电流、直流的概念。（2）通过引导学生运用已学过的知识分析线圈转动一周中电动势和电流方向的变化，使学生对交变电流的产生有比较清楚的了解，并培养学生运用基本原理解决新情境下问题的能力。（3）理解交变电流的变化规律及表示方法，理解描述交流电的峰值、瞬时值的物理含义。（4）培养学生观察能力、空间想象能力、立体图转化为平面图进行处理问题的能力和运用数学知识解决处理物理问题的能力。l 教学重点交变电流产生的物理过程的分析及中性面的特点l 教学难点交变电流产生的物理过程的分析，交变电流的变化规律。当线圈处于中性面时磁通量最大，而感应电动势为零。当线圈处于平行磁感线时，通过线圈的磁通量为零，而感应电动势最大。即min0，m有最大值；maxBS，min=0的理解。l 教学用具：多媒体课件、手摇交流发电机、示波器、示教电流表、【教学过程】引入新课1831年法拉第发现了电磁感应现象，为人类进入电气化时代打开了大门，今天我们使用的电灯，微波炉等家用电器的交流电是怎样产生并且怎样送到我们的家庭中来的呢？这就是我们这章的内容，先看第一节交流电的产生。演示实验：手摇交流发电机的转柄，学生观察与发电机串联的电流表指针的变化。思考问题：观察到什么现象？线圈转动一圈，指针来回摆动几圈？学生通过思考和教师的点拨，总结出交变电流的特点，即交变电流的大小和方向随时间作周期性变化，而且发现线圈每转过一圈，交流电周期性变化一次。例下图画出了6种电流随时间变化的图象，这6个图中的电流i都随时间做周期性变化，其中属于交变电流的是_。 图1个别提问基础上总结(1)i-t图中处于t轴上方的图线表示什么意思？处于t轴上下方的图线有何不同意义？(2)如何体会周期性变化的含义？、探索方法、提出问题：用什么样的方法来研究交变电流的变化规律？、教师引导：研究方法往往是根据研究对象的特点而确定的。例如研究合力、加速度与质量三者的关系时，通常采用“控制变量法”。而交变电流的特点在线圈的转动过程中穿过线圈的磁通量，产生的感应电流，还有产生感应电流的原因感应电动势等都随时间作周期性变化，可以采用列表法研究。甲乙丙丁戊磁通量感应电动势e大小方向感应电流i大小方向、得出结论：采用列表法研究交变电流的变化规律。而且明确表中的横向表头是线圈转动过程中的几个特殊位置，表中的纵向表头是线圈转动过程中作周期性变化的一系列物理量。 表1、学生列表：设计出研究交变电流变化规律的表格，并通过实物投影参与全班交流（见表1）。、分析规律多媒体显示线圈在磁场中转动的动画，学生观察线圈在各个特殊位置一系列物理量的变化规律。、磁通量学生发现当线圈平面与磁场垂直时，磁通量为最大值（即在甲、丙、戊位置时，为最大值）；当线圈平面与磁场平行时，磁通量为0（即在乙、丁位置时，为0）。、感应电动势e大小：当线圈平面与磁场垂直时，虽然磁通量最大，但磁通量的变化率为0，即感应电动势为0。为了纠正学生易犯的磁通量最大时，感应电动势最大的错误认识，可引导学生观察线圈在磁场中转动的前视图动画（如图2），发现当线圈平面与磁场垂直时，速度的方向与磁感线的方向平行，由e=BLVSin可得感应电动势为零。当线圈平面与磁场平行时，虽然磁通量最小，但速度的方向与磁感线的方向垂直，即磁通量的变化率为最大，感应电动势为最大。BBBBBvBvBvBvBvBvBvBvB图2方向：对于各个特殊位置感应电动势的方向，可引导学生把立体图和前视图结合起来观察，在前视图中用右手定则判定感应电动势方向，再在立体图中画出等效的电源。例如对乙位置分析感应电动势的方向，采用上述方法学生顺利得出感应电动势方向为abcda，大小e=2BLV（如图2）。而丁位置的感应电动势取最大值，但方向与刚才相反（如图2）。依次分别得出各位置感应电动势的方向（以abcda为正方向）（见表2）。甲乙丙丁戊磁通量m减小0增大m减小0增大m感应电动势e大小0增大Em减小0增大Em减小0方向无正向正向正向无负向负向负向无感应电流i大小0增大Im减小0增大Im减小0方向无正向正向正向无负向负向负向无 表2、感应电流i通过感应电动势与感应电流的关系E=IR，学生能很快地得出感应电流的变化规律（见表）。、分析总结将所有的分析数据填入表中，让学生观察表2中每个物理量随时间的变化规律，再次深刻体会交变电流的周期性。通过对比分析线圈在各特殊位置与e的大小，强化当通过线圈的磁通量最大时感应电动势最小，而通过线圈的磁通量最小时，感应电动势反而最大这一特点。要求学生寻找感应电动势为零的位置。观察这些位置的特点为磁场方向与线圈平面垂直，引出中性面的定义，再通过观察中性面前后感应电流的方向，得出中性面的特点。（中性面是线圈平面与磁场垂直的位置，线圈在经过中性面时感应电动势和感应电流改变方向）讨论若线圈既不在中性面，又不在与磁场平行的位置时，那么感应电动势为多大呢？（如图3）引导学生分析：（设ad边为长为L2，ab边的长为L1）图3线圈的角速度是,经过时间t，它与中性面的夹角是t。ab边绕中心轴作匀速圆周运动，角速度是、转动半径为L2/2，所以ab边的速度是L2/2。ab边速度方向与磁场方向夹角和线圈从中性面转过的角度相同也是t。 ab边产生的电动势。线圈中感应电动势结论 由上可以看出，线圈在磁场中作匀速转动时，产生的感应电动势是随时间作正弦规律变化的，Em是个常数，表示电动势可以达到的最大值，叫电动势的峰值。当负载为电灯等用电器时，负载两端的电压u，流过的电流i，也按正弦规律变化，即u=Umsint,i=Imsint。交变电流的图象是正弦曲线，这种按正弦规律变化的交变电流称为正弦交变电流，简称正弦式电流。、实验验证以上从理论上分析得到线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴作匀速旋转时，产生的交变电流是按正弦规律变化的，实际是否真的如此呢？图4演示实验：将手摇交流发电机产生的信号输入示波器（按照图4a接好），当匀速转动转柄时，可以从示波器上观察到交变电流的波形图象（如图4b）图5 讨论：为什么波形不是严格的正弦图线。（手摇转柄的不均匀性）演示实验：把插座中的交流信号直接接入示波器的输入端，屏幕上显示一个完美的正弦曲线。（如图5）（学生一片惊叹，对交变电流的变化规律印象深刻）、课后思考、正弦交流电的最大值与哪些因素有关？、正弦交流电的周期与哪些因素有关？【教学反思】、从生活中来，到生活中去交变电流其实对学生来说不陌生，家庭电路中的交流电每天都接触，学生有一定的认识基础。课题通过生活中的家庭用电引入，从学生熟悉的事物入手，这样，既符合他们的认知规律，又使他们有亲切感，感觉物理就在身边，激发兴趣。课上通过观察和推导，理论上分析得到交变电流是按正弦规律变化的，但学生仍感抽象。为了使学生形成的物理表象更加具体化、形象化，课的结尾设计了用示波器显示家庭电路中电流的波形图的实验，既首尾呼应，又重点突出。、充分应用现代教育媒体传统的教学手段是教师首先演示手摇发电机的实验，学生观察感应电流与线圈位置的对应关系，出示挂图，对图上的五个静态图进行讲解。由于在转动线圈时不可能做到匀速转动，且转速不能太慢，因此学生观察了线圈的位置就不能顾及电流表的指针，顾及了电流表的指针就忘了线圈的位置，不能两者兼顾。另外教师仅对静态图进行分析，学生不易形成完整的物理表象。为了克服以上的难点，笔者利用动画软件制作了线圈在磁场中匀速转动及同时电流表的指针发生偏转的动画。该动画有下列的特点：（1）图象清晰逼真，既有线圈及磁场的立体图又有它的俯视图（见图1）。播放动画时，两种视图中的线圈同时转动，有利于学生从不同视角全方位把握线圈的转动情况，特别是从俯视图中能清楚的看到当线圈处于中性面时，磁通量虽然最大，但线圈的速度方向与磁场的方向平行，感应电动势为零。（2）操作者能够随意控制播放速度，通过慢速播放动画，学生能同时兼顾电流与线圈位置的关系，使学生身临其境，化抽象为直观，收到良好的教学效果。、授人以渔古希腊生物学家普罗塔戈说过一句至理名言：头脑不是一个等待填满的容器，而是一支等待点燃的火把。也就是说对学生来说知识技能