人教版高中物理选修3-2教案(5)

第五章 交变电流 5．1 交变电流

教学目标

（一）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。 （二）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。 （三）情感、态度与价值观

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 教学重点、难点 重点

交变电流产生的物理过程的分析。 难点

交变电流的变化规律及应用。 教学方法

演示法、分析法、归纳法。 教学手段

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

（一）引入新课

出示单相交流发电机，引导学生首先观察它的主要构造。

演示：将手摇发电机模型与小灯泡组成闭合电路。当线框快速转动时，观察到什么现象?

这种大小和方向都随时间做周期性变化电流，叫做交变电流。

（二）进行新课 1、交变电流的产生

为什么矩形线圈在匀强磁场中匀速转动时线圈里能产生交变电流？

多媒体课件打出下图。当abcd线圈在磁场中绕OO′轴转动时，哪些边切割磁感线? ab与cd。

当ab边向右、cd边向左运动时，线圈中感应电流的方向 沿着a→b→c→d→a方向流动的。 当ab边向左、cd边向右运动时，线圈中感应电流的方向如何? 感应电流是沿着d→c→b→a→d方向流动的。

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。

线圈转到什么位置时，产生的感应电动势最小?

当线圈平面跟磁感线垂直时，ab边和cd边线速度方向都跟磁感线平行，即不切割磁感线，此时感应电动势为零。

利用多媒体课件，屏幕上打出中性面概念：

（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，穿过线圈Φ最大，但

Δ?=0。 Δt（3）线圈越过中性面，线圈中I感方向要改变。线圈转一周，感应电流方向改变两次。 2．交变电流的变化规律

设线圈平面从中性面开始转动，角速度是ω。经过时间t，过的角度是ωt，ab边的线速度v的方向跟磁感线方向间的夹于ωt，如右图所示。设ab边长为L1，bc边长L2，磁感应强B，这时ab边产生的感应电动势多大?

eab=BL1vsinωt = BL1·

线圈转角也等度为

L21ωsinωt =BL1L2sinωt

22此时整个线框中感应电动势多大?

e=eab+ecd=BL1L2ωsinωt

若线圈有N匝时，相当于N个完全相同的电源串联，e=NBL1L2ωsinωt，令Em=NBL1L2ω，叫做感应电动势的峰值，e叫做感应电动势的瞬时值。

根据部分电路欧姆定律，电压的最大值Um=ImR，电压的瞬时值U=Umsinωt。

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：

3．几种常见的交变电波形

（三）课堂总结、点评

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．中性面的特点：磁通量最大为Φm，但e=0。 （四）实例探究

交变电流的图象、交变电流的产生过程

【例1】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e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转换方向时，通过线圈的磁通量的绝对值都为最大

交变电流的变化规律

【例2】在匀强磁场中有一矩形线圈，从中性面开始绕垂直于磁感线的轴以角速度ω匀速转动时，产生的交变电动势可以表示为e=Emsinωt。现在把线圈的转速增为原来的2倍，试分析并写出现在的交变电动势的峰值、交变电动势的瞬时值表达式，画出与其相对应的交变电动势随时间变化的图象。

分析物理图象的要点： 一看：看“轴”、看“线”、看“斜率”、看“点”、看“截距”、看“面积”、看“拐点”，并理解其物理意义。

二变：掌握“图与图”“图与式”和“图与物”之间的变通关系。 三判：在此基础上进行正确的分析和判断。 综合应用

【例3】 如图所示，匀强磁场的磁感应强度B=2 T，匝数n=6的矩形线圈abcd绕中心轴OO′匀速转动，角速度ω=200 rad/s。已知ab=0.1 m，bc=0.2 m，线圈的总电阻R=40Ω，试求：

（1）感应电动势的最大值，感应电流的最大值；

（2）设时间t=0时线圈平面与磁感线垂直，写出线圈中感应电动势的瞬时值表达式；

（3）画出感应电流的瞬时值i随ωt变化的图象；

（4）当ωt=30°时，穿过线圈的磁通量和线圈中的电流的瞬时值各是多大？

（5）线圈从图示位置转过解析：

π的过程中，感应电动势的平均值是2多大？

5．2 描述交变电流的物理量

教学目标

（一）知识与技能

1．理解什么是交变电流的峰值和有效值，知道它们之间的关系。

2．理解交变电流的周期、频率以及它们之间的关系。知道我国生产和生活用电的周期（频率）的大小。

（二）过程与方法

能应用数学工具描述和分析处理物理问题。 （三）情感、态度与价值观

让学生了解多种电器铭牌，介绍现代科技的突飞猛进，激发学生的学习热情 教学重点、难点 重点

交变电流有效值概念。 难点

交变电流有效值概念及计算。 教学方法 实验、启发 教学手段

多媒体课件

电源、电容器、灯泡“6 V，0.3 A”、幻灯片、手摇发电机 教学过程

（一）引入新课

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，在线圈中产生了正弦交变电流。如何描述交变电流的变化规律呢？

可以用公式法描述。从中性面开始计时，得出

瞬时电动势：e=Emsinωt 瞬时电流：i=Imsinωt 瞬时电压：u=Umsinωt 其中Em=NBSω

交变电流的大小和方向都随时间做周期性变化，只用电压、电流描述不全面。这节课我们学习表征正弦交变电流的物理量。

（二）进行新课 1．周期和频率

请同学们阅读教材，回答下列问题： （1）什么叫交变电流的周期？ （2）什么叫交变电流的频率？ （3）它们之间的关系是什么？

（4）我国使用的交变电流的周期和频率各是多大？

交变电流完成一次周期性的变化所用的时间，叫做交变电流的周期，用T表示。 交变电流在1 s内完成周期性变化的次数，叫做交变电流的频率，用f表示。

T=

1 f我国使用的交变电流频率f=50 Hz，周期T=0。02 s。

2．交变电流的峰值（Em，Im，Um）

交变电流的峰值是交变电流在一个周期内所能达到的最大数值，可以用来表示交变电流的电流或电压变化幅度。

［演示］电容器的耐压值

将电容器（8 V，500μF）接在学生电源上充电，接8 V电压时电容器正常工作，接16 V电压时，几分钟后闻到烧臭味，后听到爆炸声。

电容器的耐压值是指能够加在它两端的最大电压，若电源电压的最大值超过耐压值，电容器可能被击穿。但是交变电流的最大值不适于表示交变电流产生的效果，在实际中通常用有效值表示交变电流的大小。

思考与讨论：

0～0.2s、0.2～0.5s、0.5～0.8s、0.8～1s这四个阶段电流大小不变化，分别计算出热量，然后加起来。由Q?IRt解得Q1?0.2J；Q2?1.2J；Q3?1.2J；Q4?0.2J

所以，1s内电阻R中产生的热量为 Q?0.2?1.2?1.2?0.2?2.8J

2由Q?IRt解得，I?2Q?2.8A=1.67A Rt2．有效值（E、I、U）

让交变电流和直流电通过同样的电阻，如果它们在相同时间内产生热量相等，把直流电的值叫做交变电流的有效值。通常用大写字母U、I、E表示有效值。

正弦交变电流的最大值与有效值有以下关系：

I=

Im2=0.707Im U=

Um2=0.707Um

［强调］

（1）各种使用交变电流的电器设备上所示值为有效值。 （2）交变电流表（电压表或电流表）所测值为有效值。 （3）计算交变电流的功、功率、热量等用有效值。 （三）课堂总结、点评

本节课主要学习了以下几个问题：

1．表征交变电流的几个物理量：周期和频率、峰值和有效值。 2．交变电流的周期与频率的关系：T=

1。 f3．正弦式交变电流最大值与有效值的关系：

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