交流电正式版.docx

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交流电正式版

教学课题：

交变电流

一．教学目标

【知识和技能】

　　1、知道正弦交流电是矩形线框在匀强磁场中匀速转动产生的．知道中性面的概念．

　　2、掌握交变电流的变化规律及表示方法，理解描述正弦交流电的物理量的物理含义．

　　3、理解正弦交流电的图像，能从图像中读出所需要的物理量．

　　4、理解交变电流的瞬时值和最大值，能正确表达出正弦交流电的最大值、有效值、瞬时值．

　　5、理解交流电的有效值的概念，能用有效值做有关交流电功率的计算．

【过程和方法】

1、掌握描述物理规律的基本方法——文字法、公式法、图像法．

　　2、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．

　　3、培养学生运用数学知识解决处理物理问题的能力．

【情感、态度、价值观】

　　培养学生爱国主义精神及为富民强国认真学习的精神．

二．教学重点、难点

重点：

交变电流产生的物理过程的分析及中性面的特点．

难点：

交变电流产生的物理过程的分析．

三．教学仪器

交流发电机模型、演示电流表

四．教学方法

讲授、演示、探究

五．教学过程

引入

［复习提问］

１．感应电动势的大小：

基本式：

导出式：

２．感应电动势的方向：

基本规律：

楞次定律

导出规律：

右手定则（口诀：

“力左电右”）

［教师演示］交变电流产生的实验：

模型发电机产生的电流，大小和方向在不断的变化，这种电流叫做交变电流．

新课

1、交变电流的产生

演示1：

出示手摇发电机模型，并连接演示电流表．

　　当线圈在磁场中转动时，电流表的指针随着线圈的转动而摆动，线圈每转动一周指针左右摆动一次．

表明电流强度的大小和方向都做周期性的变化，这种电流叫交流电．

2、交变电流的变化规律

投影显示：

矩形线圈在匀强磁场中匀速转动的四个过程．

分析：

线圈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．

（1）线圈平面垂直于磁感线（甲图），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．教师强调指出：

这时线圈平面所处的位置叫中性面．

中性面的特点：

线圈平面与磁感线垂直，磁通量最大，感应电动势最小为零，感应电流为零．

（2）当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．

　　（3）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．

　　（4）当线圈再转过90°时，处于图（丁）位置，ab、cd边的瞬时速度方向，跟线圈经过图（乙）位置时的速度方向相反，产生的感应电动势方向也跟在（图乙）位置相反．

　　（5）再转过90°线圈处于起始位置（戊图），与（甲）图位置相同，线圈中没有感应电动势．

　　在场强为的匀强磁场中，矩形线圈边长为l1、l2，逆时针绕中轴匀速转动，角速度为ω，从中性面开始计时，经过时间t．线圈中的感应电动势的大小如何变化呢？

　　线圈转动的线速度为ω，转过的角度为ωt，此时ab边线速度以磁感线的夹角也等于ωt，这时ab边中的感应电动势为：

E=（Bl1l2ω/2）sinωt

　　同理，cd边切割磁感线的感应电动势为：

E=（Bl1l2ω/2）sinωt

　　就整个线圈来看，因ab、cd边产生的感应电势方向相同，是串联，所以当线圈平面跟磁感线平行时，即，这时感应电动势最大值；Em=BSω．

　　感应电动势的瞬时表达式为：

e=BSωsinωt

　　可见在匀强磁场中，匀速转动的线圈中产生的感应电动势是按正弦规律变化的．即感应电动势的大小和方向是以一定的时间间隔做周期性变化．

　　当线圈跟外电路组成闭合回路时，设整个回路的电阻为，则电路的感应电流的瞬时值为表达式．

　　感应电流瞬时值表达式为，这种按正弦规律变化的交变电流叫正弦式电流．

3、交流电的图像：

交流电的变化规律还可以用图像来表示，在直角坐标系中，横轴表示线圈平面跟中性面的夹角（或者表示线圈转动经过的时间），纵坐标表示感应电动势（感应电流）．

规律：

其中：

，

．

4、交流发电机

（1）发电机的基本组成

①用来产生感应电动势的线圈（叫电枢）．

②用来产生磁场的磁极．

（2）发电机的基本种类

①旋转电枢式发电机（电枢动磁极不动）．

②旋转磁极式发电机（磁极动电枢不动）．

　　无论哪种发电机，转动的部分叫转子，不动的部分叫定子．

例题与练习

【例1】如图所示各图线中表示交变电流的是【】

【误解】选（A），（B），（C），（D）．

【正确解答】选（B），（C），（D）．

【错因分析与解题指导】大小、方向随时间作周期性变化的电流为交变电流．【误解】选有（A），然而（A）中电流大小虽周期性变化，但方向不变，是直流电流而不是交变电流．

【例2】一线圈中产生的正弦交变电流按i=10sin314tA变化，求出当线圈从中性面起转过30°、60°、90°、120°所需时间及对应的电流值．

【分析】通过跟正弦交变电流的标准式比较，直接代入计算．

【解答】线圈从中性面开始转动产生的正弦交变电流的标准式是

i=Imsinωt．

式中ωt表示线圈平面对中性面的夹角（单位是rad）．

当线圈平面转过的角度θ1=30°时，由

得经历的时间和对应的电流值分别为

同理，当θ2=60°时，得

当θ3=90°时，得

当θ4=120°时，得

【说明】用公式i=Imsinωt算出的是线圈在转动过程中某位置或某个时刻的电流值，所以它是一个瞬时值表达式．

【例3】在匀强磁场中的矩形线圈从中性面开始匀速转动，穿过线圈平面的磁通量与时间t的图象是【】

【分析】设匀强磁场的磁感强度为B，矩形线圈abcd的面积为S，如图2所示从中性面位置开始逆时针方向匀速转动．设经时间t转过的角度θ=ωt，转到位置a1d1，画出它的正视图如图3所示．

积）可知，在时刻t通过线圈平面的磁通量为

【答】C．

【说明】磁通量是标量．磁通量的正、负表示它穿过平面的方向．根据图3得出的上述表达式，是规定从左向右穿过平面左侧面（用实线表示）的方向为正．当转过θ=90°后，磁感线将从平面的右侧面（用虚线表示）穿过，磁通量为负．

线圈转动时，穿过线圈的磁通量，线圈中产生的感应电动势随时间变化的对照关系，如图4所示．

O′

练习1．一矩形线圈在匀强磁场中转动，当线圈平面跟中性面重合的瞬间，下列说法正确的是（）

A．电流方向改变B．磁通量为零

C．圈中磁通量的变化率最大D．线圈没有边切割磁感线

2．如图所示，线圈abcd绕ab和cd的中点的连线OO′转动，OO′与匀强磁场垂直，线圈的单位长度的电阻值为定值，为了使线圈中电流值增为原来的2倍，可采用的办法有（）

A．使线圈绕cd边转动

B．使线圈的面积增为原来的2倍

C．使磁感强度和转速增加为原来的2倍

D．使磁感强度减为原来的1/2，转速增为原来的4倍

小结

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．

2、交流电的变化规律

　　感应电动势的瞬时表达式为：

．

　　感应电流瞬时值表达式：

．

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．

作业

六．教学反思：

教学课题：

描述交变电流有物理量

一．教学目标

【知识和技能】

1.理解交变电流的周期、频率含义，掌握它们相互间关系，知道我国生产和生活用电的周期（频率）的大小．

2、理解交变电流的最大值和有效值的意义，知道它们之间的关系，会应用正弦式交变电流有效值公式进行有关计算．

3、能利用有效值定义计算某些交变电流的有效值

【过程和方法】

1、培养学生阅读、理解及自学能力．

2、培养学生将知识进行类比、迁移的能力．

3、使学生理解如何建立新的物理概念而培养学生处理解决新问题能力．

4、培养学生应用数学工具处理解决物理问题的能力．

5、训练学生由特殊到一般的归纳、演绎思维能力．

6、培养学生的实际动手操作能力．

【情感、态度、价值观】

1、由用电器铭牌，可介绍我国近几年的经济腾飞，激发学生爱国精神和为建设祖国发奋学习的精神．

2、让学生体会对称美．

二．教学重点、难点

重点：

交流电的有效值、最大值、频率、周期的理解

难点：

1、交变电流有效值概念既是重点又是难点，通过计算特殊形式的交变电流的有效值来体会和掌握它的定义。

2、交变电流瞬时值确定使学生感到困难，通过例题分析使学生学会借助数学工具处理解决物理问题的能力。

三．教学仪器

投影仪、交流发电机模型、演示电流表

四．教学方法

启发式综合教学法

五．教学过程

引入

一、知识回顾

（一）、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．

（二）、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，但各边都未切割磁感线，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：

匝面积为的线圈以角速度转动，从中性面开始计时，则．用表示峰值,则在纯电阻电路中，

　　电流：

．

　　电压：

．

（2）图象表示：

新课

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e、i字母表示.

②峰值：

即最大的瞬时值用大写Em、Im字母表示．

　　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

，即仅由匝数，线圈面积，磁感强度和角速度四个量决定．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；.

　　注意：

正弦交流的有效值和峰值之间具有；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．

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、电动势都是指有效值．

２、表征交变电流变化快慢的物理量

①周期：

电流完成一次周期性变化所用的时间．单位：

s.

②频率：

一秒内完成周期性变化的次数．单位：

ＨZ.

③角频率：

就是线圈在匀强磁场中转动的角速度．单位：

rad/s.

④、角速度、频率和周期的关系：

3.交流电的有效值计算

例题与练习

【例1】一交流电路中的电流变化规律为i=Imsinωt．已知在

【分析】电流表的示数表示的是电流的有效值．

即

即电流表示数为10A．

【例2】一交变电流电压表达式为u=20sin314tV，则这个交流电压的峰值Um=____，有效值U=____，周期T=____，频率____．画出它的图象．

【分析】把已知的交流电压和标准式相对照即得．

【解】已知电压u=20sin314t，

这个交流电压的u-t图像如图所示．

【例3】如图表示一交变电流的电流随时间而变化的图像．此交流电流的有效值是【】

【分析】使此交变电流通过电阻R，在一个周期内产生的热量为

设另一直流电I，通过同样的电阻在同样时间（T=0.02s）内产生的热量则为:

根据有效值的定义，由Q直=Q交，即

这个直流电流强度，就称为此交变电流的有效值．

答B．

【例4】在两个阻值相同的电阻上分别通以如图所示的正弦交变电流和方形波电流，它们的峰值和周期都相同，则两电阻在相同时间内产生的热量之比为【】

A．1∶1B．1∶2C．2∶1D．2∶3

【分析】正弦交变电流的有效值为

它流经电阻R在时间t内产生的热量为

方形波电流经过电阻R在时间t内产生的热量为

【答】B．

【说明】计算热量时必须用有效值．

【例5】把U0=10V的直流电压加在阻值为R的电阻上，其发热功率

交流的峰值为【】

【分析】设这个交流的有效值为U，由题意知

【答】A．

【说明】

（1）计算热功率（或热量）必须用有效值；

（2）不能认为两者发热功率相同，即得出交流的有效值为10V．必须注意这里的两个电阻阻值不同，因此需从定义式（热量相等或热功率相等）得出．

小结

作业

六．教学反思：

教学课题：

电感和电容对交变电流的影响

一．教学目标

【知识和技能】

1、理解为什么电感对交变电流有阻碍作用．

2、知道用感抗来表示电感对交变电流阻碍作用的大小，知道感抗与哪些因素有关．

3、知道交变电流能通过电容器．知道为什么电容器对交变电流有阻碍作用．

4、知道用容抗来表示电容对交变电流阻碍作用的大小，知道容抗与哪些因素有关．

【过程和方法】

使学生理解如何建立新的物理模型而培养学生处理解决新问题能力．

【情感、态度、价值观】

1、通过电感和电容对交流电的阻碍作用体会事物的相对性与可变性．

2、让学生充分体会通路与断路之间的辩证统一性．

3、培养学生尊重事实，实事求是的科学精神和科学态度．

二．教学重点、难点

重点：

电感和电容对交变电流的作用特点．

难点：

电感和电容对交变电流的作用特点．

三．教学仪器

小灯泡、线圈（有铁芯）、电容器、交流电源、直流电源．

四．教学方法

启发式综合教学法

五．教学过程

引入

在直流电流电路中，电压、电流和电阻的关系遵从欧姆定律，在交流电路中，如果电路中只有电阻，例如白炽灯、电炉等，实验和理论分析都表明，欧姆定律仍适用．但是如果电路中包括电感、电容，情况就要复杂了．

新课

1、电感对交变电流的作用：

实验：

把一线圈与小灯泡串联后先后接到直流电源和交流电源上，观察现象：

现象：

接直流的亮些，接交流的暗些．

　　引导学生得出结论：

接交流的电路中电流小，间接表明电感对交流有阻碍作用．

　　为什么电感对交流有阻碍作用？

　　引导学生解释原因：

交流通过线圈时，电流时刻在改变．由于线圈的自感作用，必然要产生感应电动势，阻碍电流的变化，这样就形成了对电流的阻碍作用．

　　实验和理论分析都表明：

线圈的自感系数越大、交流的频率越高，线圈对交流的阻碍作用就越大．

应用：

日光灯镇流器是绕在铁芯上的线圈，自感系数很大．日光灯起动后灯管两端所需的电压低于220V，灯管和镇流器串联起来接到电源上，得用镇流器对交流的阻碍作用，就能保护灯管不致因电压过高而损坏．

2、交变电流能够通过电容

实验：

把白炽灯和电容器串联起来分别接在交流和直流电路里．

现象：

接通直流电源，灯泡不亮，接通交流电源，灯泡能够发光．

结论：

直流不能通过电容器．交流能通过交流电．

　　引导学生分析原因：

直流不能通过电容器是容易理解的，因为电容器的两个极板被绝缘介质隔开了．电容器接到交流电源时，实际上自由电荷也没有通过两极间的绝缘介质，只是由于两极板间的电压在变化，当电压升高时，电荷向电容器的极板上聚集，形成充电电流；当电压降低时，电荷离开极板，形成放电电流．电容器交替进行充电和放电，电路中就有了电流，表现为交流“通过”了电容器．

学生思考：

　　使用220V交流电源的电气设备和电子仪器，金属外壳和电源之间都有良好的绝缘，但是有时候用手触摸外壳仍会感到“麻手”，用试电笔测试时，氖管发光，这是什么？

原因：

与电源相连的机芯和金属外壳可以看作电容器的两个极板，电源中的交变电流能够通过这个“电容器”．虽然这一点“漏电”一般不会造成人身危险，只是为了在机身和外壳间真的发生漏电时确保安全，电气设备和电子仪器的金属外壳都应该接地．

3、电容不仅存在于成形的电容器中，也存在于电路的导线、无件、机壳间．有时候这种电容的影响是很大的，当交变电流的频率很高时更是这样．同样，感也不仅存在于线圈中，长距离输电线的电感和电容都很大，它们造成的电压损失常常比电阻造成的还要大．

练习

【例1】试比较电阻、电感和电容在交流电路中的作用有何不同？

【答】电阻、电感和电容在交流电路中对交变电流都有阻碍作用，统称为阻抗．

电阻器在交流电路中阻抗的大小就是电阻值R，它与交流的频率无关．

电感器在交流电路中阻抗的大小称为感抗，它与电感器的自感系数、交流的频率均成正比．自感系数越大、交流频率越高，感抗也越大．

电容器在交流电路中阻抗的大小称为容抗，它与电容器的电容、交流的频率均成反比，电容越大．交流频率越高，容抗便越小．

【例2】如图所示为一低通滤波电路．已知电源电压包含的电流直流成分是240V，此外还含有一些低频的交流成分．为了在输出电压中尽量减小低频交流成分，试说明电路中电容器的作用．

【答】电容器对恒定电流（直流成分）来说，相当于一个始终断开的开关，因此电源输出的直流成分全部降在电容器上，所以输出的电压中直流成分仍为240V．但交变电流却可以“通过”电容器，交流频率越高、电容越大，电容器的容抗就越小，在电容器上输出的电压中交流成分就越小．在本题的低通滤波电路中，为了要使电容器上输出的电压中，能将低频的交流成分滤掉，不输出到下一级电路中，就应取电容较大的电容器，实际应用中，取C＞500μF．

【例3】如图所示为一高通滤波电路，已知电源电压中既含有高频的交流成分，还含有直流成分．为了在输出电压中保留高频交流成分，去掉直流成分，试说明电路中电容器的作用．

【答】电容器串联在电路中，能挡住电源中的直流成分，不使通过，相当于断路．但能让交流成分通过，交流频率越高、电容越大，容抗越小，交流成分越容易通过．因此在电阻R上只有交流成分的电压降．如果再使电阻比容抗大得多，就可在电阻上得到较大的高频电压信号输出．

小结

电容：

通高频，阻低频．

电感：

通低频，阻高频．

作业

六．教学反思：

教学课题：

变压器

一．教学目标

【知识和技能】

1、知道变压器的构造．知道变压器是用来改变交流电压的装置．

2、理解互感现象，理解变压器的工作原理．

3、掌握理想变压器工作规律并能运用解决实际问题．

4、理解理想变压器的原、副线圈中电压、电流与匝数的关系，能应用它分析解决基本问题．

5、理解变压器的输入功率等于输出功率．能用变压器的功率关系解决简单的变压器的电流关系问题．

6、理解在远距离输电时，利用变压器可以大大降低传输线路的电能消耗的原因．

7、知道课本中介绍的几种常见的变压器．

【过程和方法】

1、通过观察演示实验，培养学生物理观察能力和正确读数的习惯．

2、从变压器工作规律得出过程中培养学生处理实验数据及总结概括能力．

3、从理想变压器概念引入使学生了解物理模型建立的基础和建立的意义．

【情感、态度、价值观】

1、通过原副线圈的匝数与绕线线径关系中体会物理学中的和谐、统一美．

2、让学生充分体会能量守恒定律的普遍性及辩证统一思想．

3、培养学生尊重事实，实事求是的科学精神和科学态度．

二．教学重点、难点

重点：

变压器工作原理及工作规律．

难点：

1.理解副线圈两端的电压为交变电压．

2.推导变压器原副线圈电流与匝数关系．

3.掌握公式中各物理量所表示对象的含义．

三．教学仪器

投影仪、教学用变压器

四．教学方法

实验、讲授

五．教学过程

引入

1．电感对交变电流的作用？

2．电容对交变电流的作用？

3．互感是指？

新课

1．变压器的构造

原线圈、副线圈、铁心

2．变压器的工作原理

在原、副线圈上由于有交变电流而发生的互相感应现象，叫做互感现象，互感现象是变压器工作的基础。

3．理想变压器

磁通量全部集中在铁心内，变压器没有能量损失，输入功率等于输出功率。

4．理想变压器电压跟匝数的关系：

U1/U2=n1/n2

说明：

对理想变压器各线圈上电压与匝数成正比的关系，不仅适用于原、副圈只有一个的情况，而且适用于多个副线圈的情况。

即有

=……。

这是因为理想变压器的磁通量全部集中在铁心内。

因此穿过每匝线圈的磁通量的变化率是相同的，每匝线圈产生相同的电动势，因此每组线圈的电动势与匝数成正比。

在线圈内阻不计的情况下，每组线圈两端的电压即等于电动势，故每组电压都与匝数成正比。

5．理想变压器电流跟匝数的关系

I1/I2=n2/n1（适用于只有一个副线圈的变压器）

说明：

原副线圈电流和匝数成反比的关系只适用于原副线圈各有一个的情况，一旦有多个副线圈时，反比关系即不适用了，可根据输入功率与输出功率相等的关系推导出：

U1I1=U2I2+U3I3+U4I4+……再根据U2=

U1U3=

U1U4=

U4……可得出：

n1I1=n2I2+n3I3+n4I4+……

6．注意事项

（1）当变压器原副线圈匝数比（

）确定以后,其输出电压U2是由输入电压U1决定的（即U2=

U1）但若副线圈上没有负载,副线圈电流为零输出功率为零,则输入功率为零,原线圈电流也为零,只有副线圈接入一定负载,有了一定的电流,即有了一定的输出功率，原线圈上才有了相应的电流（I1=

I2），同时有了相等的输入功率，（P入=P出）所以说：

变压器上的电压是由原线圈决定的，而电流和功率是由副线圈上的负载来决定的。

练习

【例1】如图16-1所示,理想变压器铁芯上绕有A、B、C三个线圈，匝数比为nA:

nB:

nC=4:

2:

1,在线圈B和C的两端各接一个相同的电阻R，当线圈A与交流电源连通时，交流电流表A2的示数为I0，则交流电表A1的读数为_______________I0。

【分析与解】此题如果轻易用电流强度与匝数成反比的关系来解，即

得出IA=0.5I0就错了。

应该注意到变压器副线圈有多组，电流反比关系不成立，但电压与匝数成正比的关系还是成立的，应先根据这一关系求出C组线圈电压，再根据R相等的条件求出C组电流，由

和

，得IC=0.5I0.此后利用关系式

nAIA=nBnB+nCnC

即4IA=2I0+1×0.5I0得IA=0.625I0

【例2】将电阻R1和R2如图16-3甲所示接在变压器上，变压器原线圈接