交变电流教学设计

教学目标

目标与素养

1.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。

情境与问题

1.通过分析交变电流的产生过程,培养学生的观察能力、空间想象能力以及将立体图转化为平面图的能力。

2.根据法拉第电磁感应定律探究交变电流的变化规律,培养学生运用数学知识解决物理问题的能力。

过程与方法

1.通过分析交变电流的产生过程,让学生经历从生活实例到物理模型建立的过程,学会建立物理模型的方法，并激发学生学习的积极性和主动性。

2.经历对交变电流的变化规律的探究过程,加深领悟用图像描述电流变化的方法。

重点难点

重点

1.交变电流的产生过程的物理分析。

2.交变电流的变化规律的探究。

难点

1.交变电流的产生原理的理解。

2.交变电流的变化规律的理解及应用。

教学准备

教师准备

多媒体课件、示波器、干电池、学生变电流源、二极管、交流发电机演示仪等。

学生准备

预习新课，回顾所学的电磁感应定律、楞次定律、左手定则、右手定则等相关内容,查阅资料(了解交变电流的有关知识)。

教学设计

一、导入新课

用示波器或电压传感器先观察用干电池供电时电压的波形,再观察用学生电源交流挡供电时电压的波形。这两种波形各有什么特点呢?

         

教师讲解:在显示屏上显示的电压(或电流)随时间变化的图像,在电工技术和电子技术中常常叫作波形图,从波形图上可以很清楚地看到电流的大小和方向的变化,我们把电压、电流的大小和方向随时间做周期性变化的电流叫作交变电流。本节课我们主要学习正弦式交变电流。

二、新课教学

环节一:认识交变电流

提出问题:

干电池供电的波形图和学生电源交流挡供电的波形图有何不同?

干电池供电的波形图中,电流(电压)不随时间而变化;交流电源供电的波形图中,电流(电压)随时间做周期性变化。

教师总结:

1.交变电流:电压、电流的大小和方向随时间做周期性变化的电流叫作交变电流,简称交流。

2.恒定电流:电压、电流的大小和方向都不随时间变化的电流叫作恒定电流。

3.直流:方向不随时间变化的电流称为直流。

4.图像特点:

(1)恒定电流的图像是一条与时间轴平行的直线。

(2)交变电流的图像随时间做周期性变化,如图所示是正弦式交变电流的图像。

[例题1]如图所示的各电流中不是交变电流的是

解析

交变电流的特征是电流方向发生变化,故选项C、D中是交变电流,选项A、B中不是交变电流。

答案 AB

设计意图:理解交变电流的概念并能正确区分直流电和交变电流。

环节二:交变电流的产生

演示实验:

把两个发光颜色不同的发光二极管并联，注意使两者正、负极的方向不同,然后连接到教学用发电机的两端。转动手柄,两个磁极之间的线圈随着转动。观察发光二极管的发光情况。实验现象说明了什么?

现象:两个二极管交替发光。

说明:线圈中产生了交变电流。

多媒体课件展示交流发电机的示意图,让学生了解交流发电机的结构。

装置中两磁极之间产生的磁场可近似为匀强磁场,为了便于观察,图中只画出了其中的一匝线圈。线圈的AB边连在金属滑环K上,CD边连在滑环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。

思考与讨论:假定线圈沿逆时针方向匀速转动,如图所示。请大家考虑下面几个问题:

1.在线圈由图甲所示位置转到图乙所示位置的过程中,AB边中电流向哪个方向流动?

B指向A。

2.在线圈由图丙所示位置转到图丁所示位置的过程中,AB边中电流向哪个方向流动?

A指向B。

3.转到什么位置时线圈中没有电流?转到什么位置时线圈中的电流最大?

线圈转到图甲、丙所示的位置时,线圈中没有电流;线圈转到图乙、丁所示的位置时，线圈中的电流最大。

假设电流从E经过负载流向F的方向记为正,反之为负,在横坐标轴上标出线圈到达图中甲、乙、丙、丁几个位置时对应的时刻,大致画出感应电流随时间变化的曲线。

思考:在线圈转动过程中,转到图甲、丙所示的位置和图乙、丁所示的位置时,各有什么特点?

1.线圈转到图甲、丙所示的位置时,线圈中的磁通量最大,感应电动势最小(为0),感应电流最小(为0),此后电流改变方向。

2.线圈转到图乙、丁所示的位置时,线圈中的磁通量最小(为0),感应电动势最大,感应电流最大。

教师总结:

1.中性面:线框平面与磁感线垂直的位置。

2.线圈处于中性面位置时,磁通量最大,感应电动势最小(为0),感应电流最小(为0)。

3.线圈越过中性面,线圈中感应电流的方向要改变,线圈转动一周,感应电流的方向改变两次。

设计意图:通过线圈转动过程中产生电流的大小和方向的分析,理解交变电流的产生。

环节三:交变电流的变化规律

提出问题:在磁感应强度为B的匀强磁场中,矩形线圈逆时针绕中心轴匀速转动,角速度为w,ab=cd=l1,bc=ad=l2,从中性面开始计时,经过时间t。求:

(1)线圈与中性面的夹角是多大?

线圈的角速度是w,经过时间t,它与中性面的夹角是

t.

(2)ab边的速度是多大?

ab边绕中心轴做匀速圆周运动,角速度是w,转动半径是l₂/2,所以ab边的速度是wl₂/2

(3)ab边的速度方向与磁场方向的夹角是多大?

ab边的速度方向与磁场方向的夹角跟线圈与中性面的夹角相同,是wt。

(4)ab边产生的感应电动势是多大?

ab边产生的感应电动势

(5)线圈中的感应电动势是多大?

线圈中的感应电动势e=2Bl1

l₂sin

=BS

sin

t=E_msin

t

思考:当负载为电灯等纯电阻用电器时,负载两端的电压u、流过的电流i将怎样变化?

将按正弦规律变化。

u=Umsin

t

i=Imsin

t

教师总结:

1.正弦式交变电流:按正弦规律变化的交变电流叫作正弦式交变电流,简称正弦式电流。

2.表达式:

e=Emsin

t,u=Umsin wt,i=Imsin wt。

3.图像:

[例题2]有一10匝的正方形线框,边长为20 cm,线框总电阻为1Q,线框绕OO'轴以 10π rad/s 的角速度匀速转动,如图所示,垂直于线框平面向里的匀强磁场的磁感应强度为0.5T.

(1)该线框产生的交变电动势的最大值和交变电流的最大值分别是多少?

(2)写出感应电动势随时间变化的表达式。

(3)线框从图示位置转过60°时,感应电动势的瞬时值是多大?

解(1)交变电动势的最大值为Em=nBS

=10X0.5X0.2²X10π V=6.28 V,

交变电流的最大值为Im=E_m/r=6.28A

(2)由于线框转动是从中性面开始计时的,所以感应电动势瞬时值的表达式为e=Emsin

t=6.28sin 10

t V.

(3)线框从图示位置转过60°时,感应电动势的瞬时值为E=Emsin 60°=5.44V。

设计意图:通过具体问题探究分析,理解交变电流的变化规律及描述方法。

环节四:交流发电机

学生阅读教材第50~51页的相关内容,了解交流发电机的组成和分类。

1.交流发电机的基本组成也是两部分,即用来产生感应电动势的线圈(通常叫作电枢)和用来产生磁场的磁体。

2.交流发电机的基本种类:

(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)。

注意:

不论哪种发电机,转动的部分都叫转子,不动的部分都叫定子。

3.旋转磁极式发电机能够产生几千伏到几万伏的高电压,输出功率可达几百兆瓦。

三、作业设计

课堂作业

1.如图甲所示,一矩形闭合线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴OO'以恒定的角速度。转动。从线圈平面与磁场方向平行时开始计时,线圈中产生的交变电流按照图乙所示的余弦规律变化,则在t=

时刻    (     )

A.线圈中的电流最大

B.穿过线圈的磁通量为0

C.线圈所受的安培力为0

D.线圈中的电流为0

2.一台交流发电机能产生正弦式电流,如果e=400sin 314t V,那么电动势的峰值是多少?线圈匀速转动的角速度是多少?如果这个发电机的外电路中只有电阻元件,总电阻为2kn,写出电流瞬时值的表达式。

1.CD(点拨:线圈转动的角速度为ω,则转过一周用时

时, 当t=

时，说明线圈转过了1/4圈,此时线圈位于中性面位置,所以穿过线圈的磁通量最大,B错误;由于此时感应电动势为0,所以线圈中的电流为0,线圈所受的安培力为0,A错误,C、D正确。

2.根据电动势的瞬时值表达式可知,电动势的峰值为Em=400 V.

线圈的角速度为

=314 rad/s=100πrad/s.

由欧姆定律得Im=Em/r=400 V/2000Ω=0.2 A，

所以电流瞬时值的表达式为i=0.2sin314tA。

课后作业

1.关于线圈在匀强磁场中绕轴匀速转动产生的交变电流,以下说法中正确的是   (     )

A.线圈平面每经过中性面一次,感应电流的方向就改变一次,感应电动势的方向不变

B.线圈每转动一周,感应电流的方向就改变一次

C.线圈平面每经过中性面一次,感应电动势和感应电流的方向都要改变一次

D.线圈转动一周,感应电动势和感应电流的方向都要改变一次

2.如图所示,一矩形线圈绕与匀强磁场垂直的中心轴OO'沿顺时针方向转动,引出线的两端分别与相互绝缘的两个半圆形铜环M和N相连,M和N又通过固定的电刷P和Q与电阻R相连。在线圈转动的过程中,通过电阻R的电流    (    )

A.大小和方向都随时间做周期性变化

B.大小和方向都不随时间做周期性变化

C.大小不断变化,方向总是P→R→Q

D.大小不断变化,方向总是Q→R→P

3.一只矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动,穿过线圈的磁通量随时间变化的图像如图甲所示,则下列说法中正确的是    (     )

A.t=0时刻,线圈平面与中性面垂直

B.t=0.01s时刻,的变化率最大

C.t=0.02s时刻,交流电动势达到最大

D.该线圈产生的相应交流电动势的图像如图乙所示

4.矩形线圈在匀强磁场中匀速转动,所产生的交变电流的波形图如图所示,下列说法中正确的是中     (    )

A.在t1时刻,穿过线圈的磁通量达到峰值

B.在t2时刻,穿过线圈的磁通量达到峰值

C.在t3时刻,穿过线圈的磁通量的变化率达到峰值

D.在t4时刻,穿过线圈的磁通量的变化率达到峰值

5.交流发电机工作时,电动势为e=Emsin

t,若将发电机的转速提高一倍,同时将电枢所围面积减小一半,其他条件不变,则其电动势变为    (      )

A.e'=Emsin

t/2

B.e'=2Emsin

t/2

D.e'=Emsin 2

t

C.e'=Em/2sin 2

t

板书设计

第1节交变电流

1.交变电流:电压、电流的大小和方向随时间做周期性变化的电流叫作交变电流,简称交流。

2.恒定电流:电压、电流的大小和方向不随时间变化的电流叫作恒定电流。

3.直流:方向不随时间变化的电流称为直流。

4.图像特点:

(1)恒定电流的图像是一条与时间轴平行的直线。

(2)交变电流的图像随时间做周期性变化,如图所示是正弦式交变电流的图像。

5.交变电流的产生:

(1)产生过程:

闭合线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动。

(2)中性面:

①定义:线圈平面垂直于磁感线时的位置。

②特点:此位置的感应电流为0;线圈平面每经过一次中性面,感应电流的方向就改变一次。

6.交变电流的变化规律:

(1)瞬时值表达式:电动势e=Emsin

t;电压u=Umsin

t;电流i=Imsin

t。

(2)峰值:表达式中的Em、Um、Im分别为交变电流的电动势、电压和电流可能达到的最大值,叫作峰值。

(3)正弦式电流:

电压、电流大小和方向随时间按正弦规律变化的交变电流。

教学评价

交变电流的知识与生产和生活关系密切,有广泛的应用。本节课的内容是已学过的电磁感应的引申,是后面所学内容的基础,具有承上启下的作用。本节内容的教学模式极大地调动了学生学习的积极性,让学生主动地进行观察、实验、推理与交流,采用不同的表达方式,来满足多样化的学习需求。教学中采取了让学生自主探索与合作交流的方式;从感性到理性、从定性到定量逐渐深入学习,探究交变电流的产生和规律,符合教学实际,遵循教学规律，

对开阔学生思路、提高学习能力是很有好处的,也有力地促进了学生物理学科核心素养的发展,落实了物理学科新课程标准的要求。

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