高中物理 交变电流教案 新人教版选修32.docx
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高中物理交变电流教案新人教版选修32
2019-2020年高中物理交变电流教案新人教版选修3-2
教学目标
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。
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、态度与价值观:
培养学生理论联系实际的思想
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
教学过程:
新课导入:
今天我们开始学习交变电流,交变电流是电磁感应现象的进一步延伸。
新课教学:
(一)探究手摇交流发电机输出电流的特点:
实验一:
用手摇交流发电机对小灯泡供电
现象:
小灯泡一闪一闪地发光
结论:
电流的大小是周期变化的
实验二:
用手摇交流发电机对并联的反向的发光二极管供电
现象:
两个发光二极管轮流发光
结论:
电流的方向是周期变化的
小结:
手摇交流发电机的输出电流的大小和方向都随时间
做周期性的变化。
大小和方向都随时间做周期性变化的电流叫交变电流,简称交流(AC)
方向不随时间变化的电流称为直流(DC)
大小、方向均不随时间变化的电流叫恒定电流。
(二)探究交变电流的产生原理:
交流发电机的构造:
哪些边切割磁感线?
(ab和cd)
问题讨论:
(1)在转动过程中,哪个位置线圈中没有电流,哪个位置线圈中没有电流,哪个位置线圈中电流最大?
物理学中把线圈平面垂直与磁感线的位置成为中性面。
2、你能判断出线圈从中性面开始逆时针转动一周中,线框中电流方向的规律吗?
3、你能总结线圈在转动过程中,电流的方向的变化规律吗?
线圈平面每经过中性面时,感应电流的方向就改变一次,线圈转动一周,感应电流的方向改变两次。
4、你能定性的分析出线圈从中性面转动半周过程中电流的大小变化规律吗?
从中性面开始转动过程中,电流从零逐渐变大到最大,再由最大减小到下一个中性面变为零。
(三)定量分析交变电流的变化规律:
AB长为L1,BC长为L2,转动的角速度为ω,磁感应强度为B。
AB边产生的感应电动势:
AB边的线速度:
,
当线圈abcd经过中性面时开始计时,,
是感应电动势的最大值,叫做峰值。
由于电动势按正弦规律变化,当负载为电灯等用电器时,负载两端的电压、通过的电流,
也按正弦规律变化,,
这种按正弦函数规律变化的交变电流叫正弦式交变电流,简称正弦式电流。
思考:
如果从线框平面与磁感线平行的位置开始计时,那么表达式如何?
注意:
两个特殊位置的不同特点:
(1)线圈平面与中性面重合时,,最大,,,电流方向发生改变;
(2)线圈平面与中性面垂直时,,,最大,最大,电流方向不变;
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。
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。
例1、
发电机产生的按正弦规律变化的电动势最大值为311V,其线圈共100匝,在匀强磁场中
匀速转动的角速度为100πrad/s,从线圈经过中性面开始计时。
(1)写出当时的瞬时表达式。
(2)此发电机与外电路组成闭合电路时,总电阻为100Ω,求时的电流。
(3)线圈转过180°的过程中,电动势的平均值,电动势达到的最大值各是多少?
(4)磁通量变化率的最大值是多少?
解:
(1)从中性面开始计时,
(2),时,;
(3)线圈经过180°过程中,磁通量变化,此时,,由法拉第
电磁感应定律得这一过程中的平均电动势,而,所以=198(V)
当线圈转过90°时,即在时刻时电动势最大,(V)
(4)电动势最大时,由法拉第电磁感应定律可知磁通量的变化率也最大,
例2、
一正弦交流发电机的电动势为,若将此发电机的转速和磁场均增加一倍,试写出这时电动势的表达式。
解:
,当转速提高一倍时,磁感应强度增加一倍时,所以,。
小结:
本节课主要学习了以下几个问题:
(1)矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动时,线圈中产生正弦式交变电流。
(2)从中性面开始计时,感应电动势瞬时值的表达式为e=NBSωsinωt,感应电动势的最大值为Em=NBSω。
(3)两个特殊位置的特点;
作业:
创新课时训练P21-22
2019-2020年高中物理交变电流的产生及变化规律表征交变电流的物理量教案人教版第二册
一、教学目标:
1.巩固基础知识。
2.培养学生分析、解决问题的能力
二、教学重点:
巩固基础知识
三、教学难点:
培养学生分析、解决问题的能力
四、教法:
复习提问、讲练结合
五、教学过程:
(一)复习基础知识:
1.交变电流:
大小和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。
如图所示(b)、(c)、(e)所示电流都属于交流,其中按正弦规律变化的交流叫正弦交流。
如图(b)所示。
而(a)、(d)为直流其中(a)为恒定电流。
2.正弦交流的产生及变化规律。
(1)产生:
当线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动时,线圈中产生的交流是随时间按正弦规律变化的。
即正弦交流。
(2)中性面:
匀速旋转的线圈,位于跟磁感线垂直的平面叫做中性面。
这一位置穿过线圈的磁通量最大,但切割边都未切割磁感线,或者说这时线圈的磁通量变化率为零,线圈中无感应电动势。
(3)规律:
①函数表达式:
N匝面积为S的线圈以角速度ω转动,从中性面开始计时,则e=NBSωsinωt。
用E表示峰值NBSω,则e=Esinωt在纯电阻电路中,电流I=sinωt=Isinωt,电压u=Usinωt。
②图象表示:
3.表征交流的物理量
(1)表征交变电流大小物理量
①瞬时值:
对应某一时刻的交流的值
用小写字母表示,eiu
②峰值:
即最大的瞬时值
用大写字母表示,Um Im
Em=nBSωIm=Em/R
注意:
线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线方向的轴匀速转动时,所产生感应电动势的峰值为E=NBSω,即仅由匝数N,线圈面积S,磁感强度B和角速度ω四个量决定。
与轴的具体位置,线圈的形状及线圈是否闭合都是无关的。
③有效值:
ⅰ、意义:
描述交流电做功或热效应的物理量
ⅱ、定义:
跟交流热效应相等的恒定电流的值叫做交流的有效值。
ⅲ、正弦交流的有效值与峰值之间的关系是E=I=U=。
注意:
正弦交流的有效值和峰值之间具有E=,U=的关系,非正弦(或余弦)交流无此关系,但可按有效值的定义进行推导,如对于正负半周最大值相等的方波电流,其热效应和与其最大值相等的恒定电流是相同的,因而其有效值即等于其最大值。
即I=Im。
ⅳ、交流用电器的额定电压和额定电流指的是有效值;交流电流表和交流电压表的读数是有效值。
对于交流电若没有特殊说明的均指有效值。
ⅴ、在求交流电的功、功率或电热时必须用交流电的有效值。
④、峰值、有效值、平均值在应用上的区别。
峰值是交流变化中的某一瞬时值,对纯电阻电路来说,没有什么应用意义。
若对含电容电路,在判断电容器是否会被击穿时,则需考虑交流的峰值是否超过电容器的耐压值。
交流的有效值是按热效应来定义的,对于一个确定的交流来说,其有效值是一定的。
而平均值是由公式确定的,其值大小由某段时间磁通量的变化量来决定,在不同的时间段里是不相同的。
如对正弦交流,其正半周或负半周的平均电动势大小为,而一周期内的平均电动势却为零。
在计算交流通过电阻产生的热功率时,只能用有效值,而不能用平均值。
在计算通过导体的电量时,只能用平均值,而不能用有效值。
在实际应用中,交流电器铭牌上标明的额定电压或额定电流都是指有效值,交流电流表和交流电压表指示的电流、电压也是有效值,解题中,若题示不加特别说明,提到的电流、电压、电动势时,都是指有效值。
(2)表征交变电流变化快慢的物理量
①周期T:
电流完成一次周期性变化所用的时间。
单位:
s.
②频率f:
一秒内完成周期性变化的次数。
单位:
HZ.
③角频率ω:
就是线圈在匀强磁场中转动的角速度。
单位:
rad/s.
④角速度、频率、周期,的关系:
ω=2f=
(二)疑难辨析
交流电的电动势瞬时值和穿过线圈面积的磁通量的变化率成正比。
当线圈在匀强磁场中匀速转动时,线圈磁通量也是按正弦(或余弦)规律变化的,若从中性面开始计时,t=0时,磁通量最大,φ应为余弦函数,此刻变化率为零(切线斜率为零),t=时,磁通量为零,此刻变化率最大(切线斜率最大),因此从中性面开始计时,感应电动势的瞬时表达式是正弦函数,如图(a)(b)所示分别是φ=φcosωt和e=Esinωt。
(三)例题解析
【例1】如图表示一交流随时间变化的图像,求此交流的有效值。
解析:
此题所给交流正负半周的最大值不相同,许多同学对交流电有效值的意义理解不深,只知道机械地套用正弦交流电的最大值是有效值的倍的关系,直接得出有效值,而对此题由于正负半周最大值不同,就无从下手。
应该注意到在一个周期内前半周期和后半周期的有效值是可求的,再根据有效值的定义,选择一个周期的时间,利用在相同时间内通过相同的电阻所产生的热量相同,从焦耳定律求得。
IR·T=I1R·+I2R·
即I=(·+()·解得I=A
【例2】如图所示,在匀强磁场中有一个“∏”形导线框可绕AB轴转动,已知匀强磁场的磁感强度B=T,线框的CD边长为20cm、CE、DF长均为10cm,转速为50r/s,若从图示位置开始计时
(1)写出线框中感应电动势的瞬时值表达式。
(2)若线框电阻r=3,再将AB两端接“6V,12W”灯泡,小灯泡能否正常发光?
若不能,小灯泡实际功率多大?
解析:
(1)注意到图示位置磁感线与线圈平面平行,瞬时值表达式应为余弦函数,先出最大值和角频率。
ω=2πn=100πrad/s
E=BSω=×0.2×0.1×100π=10(V)
所以电动势瞬时表达式应为e=10cos100πt(V)。
(2)小灯泡是纯电阻电路,其电阻为R=首先求出交流电动势有效
值E==10(V)此后即可看成恒定电流电路,如图15-5所示,显然由于R=r,=5v,小于额定电压,不能正常发光。
其实际功率是p==8.3(w)
(四)巩固练习
1、某线圈在匀强磁场中转动所产生的电动势变化规律为e=εsinωt,保持其它条件不变,使该线圈的转速和匝数同时增加一倍,则此时所产生的电动势的瞬时表达式将变为下述的:
()
A、e=2Esin2ωtB、e=2EsinωtC、e=4Esin2ωtD、e=4Esinωt
2、一长直导线通以正弦交流,在导线下有一断开的线圈,如图所示,那么,相对于b来说,a的电势最高时是在:
()
A、交流电流方向向右,电流强度最大时;B、交流电流方向向左,电流强度最大时;
C、交流电流方向向左,电流减少到零时;D、交流电流方向向右,电流减少到零时;
3、如图一矩形线圈绕垂直于匀强磁场并位于线圈平面内的固定轴转动,线圈中的感应电动势ε随时间t的变化如图所示,下面说法中正确的是()
A、t1时刻通过线圈的磁通量为零
B、t2时刻通过线圈的磁通量的绝对值最大
C、t3时刻通过线圈的磁通量变化率的绝对值最大
D、每当e变换方向时,通过线圈的磁通量绝对值都为最大。
4、如图,距离足够大的两平行金属板上接正弦交流电压u,其间有一电子,当t=0时,电子处于静止状态,那么,电子的运动情况应是()
A、电子作简谐振动 B、在足够长的时间内,电子到达A板
C、当t=T/2时,电子的速度达到最大值D、
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