【教学设计】《1．交变电流》（人教）.docx

1交变电流 教材分析本章共有5节，大致分为三个单元。第一单元包括第1、2节，介绍正弦交变电流的产生和描述，这是本章的基础概念；第二单元是第3节，讨论的是在简单的交流电路中，电感、电容元件对交流电路的影响；第三单元包括第4、5节，了解在生产生活中广泛应用的变压器原理，及其在电能输送中所起的作用。为了适应学生的接受能力，教材采取从感性到理性、从定性到定量逐渐深入的方法讲述这个问题。教材先用教具演示矩形线圈在匀强磁场中匀速转动时产生交流电，以展示交流电是怎样产生的。并强调让学生观察教材图中线圈通过五个特殊位置时，电流表指针变化的情况，分析电动势和电流方向的变化，这样学生就会对电动势和电流的变化情况有个大致的了解。然后让学生用右手定则独立分析线圈中电动势和电流的方向，这样能充分调动学生的积极性，培养学生的观察和分析能力。关于交变电流的变化规律，教材利用上章学过的法拉第电磁感应定律引导学生进行推导，得出感应电动势的瞬时值和最大值的表达式，进而根据闭合电路欧姆定律和部分电路欧姆定律推出电流与电压瞬时值与最大值的表达式。用图表表示交流电的变化规律是一种重要的方法,这种方法直观、形象，学生容易接受。这样做也是为后面用图象表示三相交流电准备条件，在电磁波的教学中还要用到图象的方法.在介绍了交流电的周期和频率后，可通过练习巩固学生对交流电图象的认识。在本节学生第一次接触到许多新名词，如:交流电、正弦交流电、中性面、瞬时值、最大值等.要让学生搞清楚这些名词的准确含义，要使学生了解交流电有许多种，正弦交流电是其中简单的一种，在本章教材中常把正弦交流电简称交流电。要使学生明确中性面是指与磁场方向垂直的平面，中性面的特点是：线圈位于中性面时，电动势为零，线圈通过中性面时，电动势的方向要改变。要向学生指出，一般科技书中都用小写字母表示瞬时值，用大写字母并加脚标，m表示最大值。 教学目标【知识与能力目标】1使学生理解交变电流的产生原理，知道什么是中性面；2掌握交变电流的变化规律及表示方法；3理解交变电流的瞬时值和最大值及中性面的准确含义。【过程与方法目标】1掌握描述物理量的三种基本方法（文字法、公式法、图象法）；2培养学生观察能力，空间想象能力以及将立体图转化为平面图形的能力；3培养学生运用数学知识解决物理问题的能力。【情感态度价值观目标】通过实验观察，激发学习兴趣，培养良好的学习习惯，体会运用数学知识解决物理问题的重要性。 教学重难点【教学重点】交变电流产生的物理过程的分析。【教学难点】交变电流的变化规律及应用。 课前准备 手摇单相发电机、小灯泡、示波器、多媒体教学课件、示教用大的电流表。 教学过程新课导入我们生活在电的时代，电能的应用非常广泛，它在工业、农业、交通运输、国防建设、科学研究及日常生活中用得越来越多，电能的生产和使用规模，以成为社会经济发展的重要标志。我们已经学过了恒定电流，还有大小和方向都随时间作周期性变化的电流。它也是电荷的定向移动形成的，与恒定电流存在共同点，但它有自己的特点。正是这些特点，它与恒定电流相比有许多优点。交变电流可以利用变压器升高或者降低电压，可以驱动结构简单、运行可靠的感应电动机，因此在工农业生产和日常生活中普遍使用交变电流。 现代生产、生活中，大都使用交变电流。它有许多优点，今天学习交流电产生原理和变化规律。新课教学利用电压传感器（或电流传感器）可以在荧光屏上绘出电压（或电流）随时间变化的图象。这样的图形在电工技术中常常叫做“波形图”。【演示】用电压传感器（或电流传感器）先观察电池供给的电压（或电流）波形，再观察学生电源交流挡供给的电压（或电流）波形。一、交变电流1交变电流大小和方向都随时间做周期性变化的电流，叫做交变电流，简称交流。2直流方向不随时间变化的电流，叫做直流。电池供给的电流，大小和方向都不随时间变化，所以属于直流。交变电流经过电子电路的处理，也能变成直流，学校实验室的学生电源应有这种功能。【做一做】(出示单相交流发电机，引导学生首先观察它的主要构造)用手摇发电机模型演示。第一次发电机接小灯泡，当线圈缓慢转动时，小灯泡不亮；当线圈快速转动时，小灯泡一闪一闪的。第二次发电机接上示教电流计，当线圈缓慢转动（或快速转动），可以看到电流表的指针随着线圈的转动而摆动，并且线圈每转一周，指针左右摆动一次。这表明转动的线圈里产生了大小和方向都随时间做周期性变化的电流。二、交变电流的产生1交变电流的产生教学用发电机产生的电流，大小和方向都在不断地变化，是一种交变电流。下图是交流发电机的示意图。为了清楚，图中只画出了一匝线圈。线圈的AB边连在金属滑环K上，CD边连在金属滑环L上；导体做的两个电刷E、F分别压在两个滑环上，线圈在转动时可以通过滑环和电刷保持与外电路的连接。为什么矩形线圈在匀强磁场中匀速转动，线圈里能产生交变电流？假定线圈沿逆时针方向转动，如图甲至丁。我们考虑下面几个问题。1线圈由甲转到乙的过程中，AB边中电流向哪个方向流动？2线圈由丙转到丁的过程中，AB边中电流向哪个方向流动？3当线圈转到什么位置时线圈中没有电流，转到什么位置时线圈中电流电大？4大致画出通过电流表的电流随时间变化的曲线，从E流向F的电流记为正，反之为负。在横坐标上标出线圈到达甲、乙、丙、丁几个位置时对应的时刻。线圈中BC、DA始终在平行磁感线方向转动，因而不产生感应电动势，只起导线作用。线圈由甲转到乙的过程中，AB边中电流方向为BA；线圈由丙转到丁的过程中，AB边中电流方向为AB；当线圈平面跟磁感线垂直时，AB与CD边的速度方向跟磁力线平行，即两边不切割磁感线，此时感应电动势为0，线圈中没有电流；线圈平面与磁感线平行时，AB边与CD边线速度方向都跟磁感线方向垂直，即两边都垂直切割磁感线，此时产生感应电动势最大。可引导学生从截面图中判断，并将电流方向标在图中。甲图中线圈平面垂直于磁感线，AB、CD边此时速度方向与磁感线平行，线圈中没有感应电动势，没有感应电流。这时线圈平面处在中性面位置。线圈平面逆时针转过90时（乙图），即线圈平面与磁感线平行时，AB、CD边的线速度方向都跟磁感线垂直，即两边都垂直切割磁感线，这时感应电动势最大，线圈中的感应电流也最大。跟踪AB这段导线，根据右手定则可以判断，当线圈经过图乙的位置时，电流由B向A流动。再转过90时（丙图），线圈又处于中性面位置，线圈中没有感应电动势。当线圈再转过90时（丁图），AB、CD边的瞬时速度方向，跟线圈经过（乙图）位置时的速度方向相反，产生的感应电动势方向也跟在（乙图）位置相反。跟踪AB这段导线，根据右手定则可以判断，当线圈经过丁图的位置时，电流由A向B流动。再转过90，线圈处于起始位置，与甲图位置相同，线圈中没有感应电动势。线圈在不断转动，电路中电流的方向也就不断改变，交变电流就是这样产生的。2中性面（1）中性面线圈平面与磁感线垂直的位置，或瞬时感应电动势为零的位置。（2）中性面的特点线圈处于中性面位置时，穿过线圈的磁通量最大，但0；线圈经过中性面，线圈中感应电流的方向要改变。线圈转一周，感应电流方向改变两次。三、交变电流的变化规律1交变电流的瞬时值如果线圈从中性面开始计时，逆时针方向匀速转动，角速度为，经时间t，线圈转到图示位置，AB边与CD边的速度方向与磁场方向夹角为t，如图所示。设ABCDl1，BCADl2，磁感应强度为B。问题：这时AB边产生的感应电动势多大？分析：，eabBl1l2sint问题：CD边中产生的感应电动势跟AB边中感应电动势大小关系怎样？又是怎样连接的？此时整个线圈中感应电动势多大？分析：CD边中产生的感应电动势跟AB边中感应电动势大小相等，两者又是串联在一起，此时整个线圈中感应电动势为：eeabecdBl1l2sint从上面的推证可以看出，在匀强磁场中，匀速转动的线圈产生的感应电动势是按正弦规律变化的。瞬时表达式：eBl1l2sintBSsint对N匝相同的线圈，相当于N个完全相同的电源串联。则eNBSsint其中最大值EmNBS，所以eEmsint当线圈和用电器构成回路时，根据闭合电路的欧姆定律有isint最大值Im，所以iImsint当交变电流通过电阻R时，根据欧姆定律，UIR，电阻两端的电压跟通过电阻的电流成正比，所以电压也按正弦规律变化。uUmsint总结：交变电流的瞬时值表达式eEmsintiImsintuUmsint2交变电流的峰值交变电流的最大值叫做峰值，其表达式为EmNBSImUmImR【巩固练习】如转t60，150，210，300时，请学生分别计算感应电动势的大小和方向？总结：在规定正方向后，eEmsint，既能表示电动势大小，又能表示电动势方向。3交变电流的类型（1）正弦式交变电流按正弦规律变化的交变电流叫做正弦式交变电流，简称正弦式电流。正弦式电流是最简单又最基本的交变电流。电力系统中应用的大多是正弦式电流。家庭电路中的交变电流就是正弦式交变电流。（2）其它形式的交变电流实际中应用的交变电流，不只限于正弦交变电流，它们随时间的变化规律是各种各样的。在电子技术中也常遇到其他形式的交变电流。几种交变电流的波形。4交变电流的图象电动势、电流与电压的瞬时值与时间的关系可以用正弦曲线来表示，如下图所示：四、交流发电机1交流发电机的组成（1）电枢和磁极交流发电机构造比模型复杂得多，但基本组成都是有产生感应电动势的线圈（通常叫电枢）和产生磁场的磁极。（2）转子和定子转动的部分称为转子，不动的部分称为定子。2交流发电机的种类（1）旋转电枢式发电机电枢转动，磁极不动的发电机，叫做旋转电枢式发电机。（2）旋转磁极式发电机磁极转动，而电枢不动的发电机，叫做旋转磁极式发电机。（3）两种发电机的优缺点旋转电枢式发电机经过裸露的滑环和电刷引到外电路，同时转动的电枢又不可能很大，产生的电压一般不超过500V。旋转磁极式发电机克服了上述缺点，能够产生几千伏到几