鲁科版选修32第一节《交变电流的特点》教案.docx
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鲁科版选修32第一节《交变电流的特点》教案
鲁科版选修(3-2)第一节《交变电流的特点》教案
年级高一学科物理
周次
教学时间
年月日
教者
王昌辉
课题
第四节:
变压器
课型
新课
课时
1课时
累计课时
2课时
教学目的
(识记、理解、应用分析、综合创见、思想、方法)
1、知识与技能
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.
2、过程与方法
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3、情感态度和价值观
1.使学生体会到能量守恒定律是普遍适用的.
2.培养学生实事求是的科学态度.
教学重点及难点
教学重点:
变压器工作原理
教学难点:
变压器是如何将原线圈的电能传输给副线圈的
教学方法
讨论法、探究法、试验法、练习法
教学用具
可拆变压器、灯泡、教学电源、万用电表、导线等
重点难点解决办法:
教后案
见尾页
(一)导入新课
复习提问:
法拉第电磁感应定律的内容是什么?
学生活动
电路中感应电动势大小跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比,
启发引导:
一个矩形闭合线框在磁场中绕垂直于磁场方向的轴转动,情况将如何?
如图3-10-1:
线框边长 ab=dc=L1
ad=bc=L2
OO′为过ad、bc中点的轴.
从图示位置开始计时,经过时间t,线圈转过角度θ=ωt,此时ab
线圈产生总电动势e=
ab+
dc=BL1L2ωsinωt
记作e=Emsinωt
记作i=Imsinωt
e和i随t按正弦规律变化.
(二)讲授新课
【投影】问题四:
猜想在线圈中产生的感应电流的大小、方向是确定的吗?
若不是,应该是什么样的?
【学生回答】不是,可能是周期性变化的
【过渡】究竟同学的猜想是否正确呢,下面我们用矩形线圈在磁场中旋转来验证这一猜想。
【演示一】将线圈和电流表串联起来,转动线圈,为了便于观察,将线圈半圈半圈地转,注意观察现象,进行总结。
【总结】现象:
电流表的指针时而向左,时而向右摆动。
说明电流的特点:
电流大小、方向都要发生变化。
【演示二】线圈转动一周,指针左右摆动一次,线圈转动两周,指针左右摆动两次。
【总结】说明在连续转动线圈的过程中,通过电流计的电流周期性变化。
【讲解】我们把这种大小、方向都随时间作周期性变化的电流叫做交变电流,简称交流电。
交变电流在我们的日常生活、工作中起着重要的作用。
那么矩形线圈在匀强磁场中转动为什么可以产生交变电流呢?
这就是我们本节课所要研究的第一个问题——交变电流的产生。
【板书】第一节交变电流
【投影】
【讲解】此图是交流发电机的示意图,为了便于观察,图3只画了一匝线圈,它的ab边连在金属滑环K上,cd边连在滑环L上;两个滑环通过金属片做的电刷A、B和外电路相连,将线圈中产生的电流引到外电路,让线圈沿逆时针方向转动,在线圈逆时针匀速转动过程中,哪些边在切割磁感线?
【学生回答】在线圈逆时针匀速转动过程中,ab边和cd边在切割磁感线
【讲解】正确。
ab边和cd边在匀强磁场中做匀速圆周运动,切割磁感线,在线圈中产生感应电动势,在电路中就产生感应电流。
为了更加直观地说明问题,我们将立体图转化为平面图来分析,如图4所示。
【板书】
【讲解】
甲:
线圈平面和磁感线垂直,线圈中通过的磁通量最大;但此时导线ab边和cd边的速度方向和磁感线平行,电路中没有感应电流。
乙:
线圈平面和磁感线平行,线圈中通过的磁通量为零;但此时导线ab边和cd边的速度方向和磁感线垂直,电路中有感应电流,且最大。
据右手定则,感应电流的方向为a→b→c→d。
丙:
线圈平面又和磁感线垂直,线圈中通过的磁通量最大;此时导线ab边和cd边的速度方向和磁感线平行,电路中没有感应电流。
丁:
线圈平面又和磁感线平行,线圈中通过的磁通量为零;此时导线ab边和cd边的速度方向和磁感线垂直,电路中有感应电流,且最大。
据右手定则,感应电流的方向为d→c→b→a。
同甲
【说明】甲图由老师带领大家一起仔细分析,乙图单独找一名学生具体分析,丙图老师一带而过,丁图学生略析,得到一个周期的变化。
【讲解】把交变电流完成一次周期性变化所需的时间,叫做交变电流的周期,用T来表示。
线圈在不断地转动,电路中电流的方向也就不断地改变,交变电流就这样产生了。
线圈每转一周,电流方向改变两次,电流方向改变的时刻也就是线圈中无电流的时刻(或者说是磁通量最大的时刻)。
由于线圈转一周的过程中,线圈中的磁通量有两次达到最大,故电流的方向在线圈转动一周的过程中改变两次,我们把线圈平面垂直于磁感线时的位置叫做中性面。
【小结】①当线圈通过中性面时,磁通量φ最大,无感应电流;
②当线圈平面与磁场平行时,磁通量φ=0,感应电流最大;
③线圈通过中性面时电流改变方向,转动一周电流改变两次。
【过渡】知道了为什么矩形线圈在匀强磁场中转动可以产生交流电之后,你会自己设计一台发电机吗?
(请同学设计发言)
【学生1回答】让闭合线圈在匀强磁场中匀速转动,即可产生交变电流
【学生2回答】让导体棒在匀强磁场中做往复振动,也可产生交变电流
【老师点评】两位同学的设计原理都是正确的,但第二种设计不易控制,因此发电机一般采用第一种方式,下面给大家演示一下手摇发电机。
【演示手摇发电机】将手摇发电机与电流表串联起来,摇动手柄,分别在快速摇动和慢速摇动时,让学生注意观察小灯泡和电流表的变化情况。
【提问】你看到小灯泡的发光有什么特点,电流表的示数是怎样的,与摇动的快慢是否有关?
【学生回答】小灯泡一闪一闪的,电流表的指针左右摆动,快速摇动时,灯泡较亮,指针摆动较大;反之,慢速摇动时,灯泡较暗,指针摆动较小。
【追问】这些现象说明什么?
【学生回答】小灯泡一闪一闪的,电流表的指针左右摆动,说明手摇发电机产生的感应电流的方向在发生周期性的变化,摇动的快慢会影响小灯泡的亮暗,说明感应电动势的大小与转速有关。
【过渡】那么感应电动势的大小到底由什么来决定呢?
下面我们就定量来分析一下线框在转动一周的过程中,感应电动势大小随时间的变化关系。
这就是我们所要研究的第二个问题——交变电流的图象和变化规律。
【板书】二、交变电流的图象和变化规律
【投影】如图5所示
【提问】设线框平面从中性面开始转动,角速度是ω,经时间t,线圈转过的角度是ωt,ab边线速度v的方向跟磁感线方向间的夹角也等于ωt。
设ab边长度为L,磁感应强度为B,那么ab边中的感应电动势应怎样表示?
【学生回答】eab=BLVsinωt
【追问】cd边中的感应电动势多大?
【学生回答】ecd=BLVsinωt
【追问】那么这一瞬间整个线圈中的感应电动势多大?
【学生回答】由于cd边中的感应电动势跟ab边中的感应电动势大小相等,而且两边又是串联的,所以,这一瞬间整个线圈中的感应电动势e=2BLVsinωt
【老师点评】回答得很好,而且思路很清晰,表达很准确。
如果令Em是电动势能达到的最大值,即Em=2BLV,那么这一瞬间整个线圈中的感应电动势就可以写为e=Emsinωt。
此式说明e随时间而变化,电动势的瞬时值按正弦规律变化。
在只有电阻的电路中,适用于直流电路的欧姆定律也适用于交流电路,因此线圈中的感应电流的瞬时值按正弦规律变化
,
这时,电路的某一段上的电压的瞬时值同样按正弦规律变化u=Umsinωt
【总结】线框在匀强磁场中匀速转动一周的过程中,线框中的感应电动势和感应电流均按正弦规律变化,故称正弦交流电。
e=Emsinωt
i=Imsinωt
u=Umsinωt(t=0时,线框处于中性面)
其中e、i、u我们称为瞬时值,Em、Im、、Um我们称为最大值。
【板书】(略)
【过渡】我们知道用图象可以形象、直观的表示物理量随时间的变化关系,那么,如何用图象表示交变电流的变化规律呢?
【讲解】用横坐标表示时间,用纵坐标分别表示电动势、电流和电压。
从中性面开始计时,分别画出感应电动势、感应电流和电压随时间的变化关系图象,可以和φ—t图作以比较。
【投影】如图6所示
请同学在黑板上画出相应的φ—t图。
【板书】(略)
【学生讲解】当t=0时,线圈中通过的磁通量最大,电路中的感应电动势为零;经过
,即t=
时,线圈中通过的磁通量为零,电路中的感应电动势最大;又经过
,即t=
时,线圈中通过的磁通量最大,电路中的感应电动势为零;再经过
,即t=
时,线圈中通过的磁通量为零,电路中的感应电动势达到反向最大;再经过
,即t=
时,线圈中通过的磁通量再次达到最大,电路中的感应电动势又为零,此时完成了一次周期性变化。
【教师点评】根据描点法,由e—t图我们就可以相应地画出φ—t图。
如果e—t图是一个正弦曲线,我们就可以得到φ—t图一定是一个余弦曲线。
对比两个图象,根据
,所以对于φ—t图来讲,某点斜率的大小就表示了该点感应电动势的大小。
通过图象我们更深刻地理解了为什么当线圈中通过的磁通量为零时,电路中的感应电动势最大;而当线圈中通过的磁通量最大时,电路中的感应电动势为零。
【过渡】正像简谐运动是一种最简单又最基本的振动一样,正弦交变电流是一种最简单又最基本的交变电流。
家庭电路的交变电流就是正弦交变电流。
下面我们就通过示波器看一下家庭电路的交变电流。
【演示】用示波器演示家庭电路的交变电流波形
【过渡】实际中应用的交变电流,不只限于正弦交变电流,它们随时间变化的规律是各种各样的。
图7表示出几种交变电流的波形。
【投影】如图7所示
【过渡】我们知道了交变电流的产生和变化规律,下面就一起了解一下交变电流在实际中的应用。
这就是我们要学习的第三部分内容——交流发电机。
【板书】三、交流发电机
【投影】
1.基本组成部分:
产生感应电动势的线圈(通常叫电枢)和产生磁场的磁极
2.种类:
①旋转电枢式发电机——电枢转动,磁极不动
②旋转磁极式发电机——磁极转动,电枢不动
3.两种发电机的比较
旋转电枢式发电机,转子产生的电流必须经过裸露的滑环和电刷引到外电路,如果电压很高,就容易发生火花放电,滑环和电刷很快会被烧坏。
同时,转动的电枢不可能太大,线圈匝数不可能很多,产生的感应电动势也不能很高。
这种发电机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万伏的电压,输出功率可达几百兆瓦。
所以大多数发电机都是旋转磁极式的。
(三)课堂小结
发电机的转子是由蒸汽轮机、水轮机或其他动力机带动的。
动力机将机械能传给发电机,发电机将得到的机械能转化为电能输送给外电路,它在实际生产和生活中有着重要的作用。
本节课讲了三部分内容,其中前两部分交变电流的产生和变化规律是重点和难点,
(四)巩固练习
1.线圈在匀强磁场中转动产生交变电流时,下列说法中正确的是()
A.当穿过线圈平面的磁通量最大时,线圈中感应电动势为零
B.当穿过线圈平面的磁通量为零时,线圈中感应电动势也为零
C.线圈在磁场中每转一周,产生的感应电动势和感应电流的方向就改变一次
D.每当线圈通过中性面时,感应电动势和感应电流的方向就改变一次
答案:
AD
2.一台发电机产生的按正弦规律变化的交流电电动势的最大值是311V。
如果线圈从中性面开始转动,线圈匀速转动的角速度为100π,这个发电机产生的感应电动势的瞬时值表达式是()
A.e=311sin100πtB.e=220sin100πt
C.e=311cos100πtD.e=220cos100πt
答案:
A
【思考讨论】
在下面几种情况中,如图8所示,如果线圈匝数N、磁感应强度B、转动角速度ω、线圈面积S均相同,那么感应电动势的最大值是否相同?
答案:
几种情况下的感应电动势的最大值相同,都是Em=NBSω,与线圈形状和轴所在的位置无关。
(五)作业布置
练习四
(2)(5)
(六)板书设计
第一节:
交变电流
1、交流电的产生
强度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,俗称交流电。
2、交流电的变化规律感应电动势的瞬时表达式为:
e=Emsinωt
i=Imsinωt
u=Umsinωt(t=0时,线框处于中性面)
其中e、i、u我们称为瞬时值,Em、Im、、Um我们称为最大值。
3、交流电的图像
4、交流发电机
(1)发电机的基本组成:
①电枢②磁极
(2)发电机的基本种类:
①旋转电枢式发电机②旋转磁极式发电机
(七)课后反思
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- 关 键 词:
- 交变电流的特点 鲁科版 选修 32 第一节 电流 特点 教案