高中物理 2描述交變電流的物理量教案 新人教版選修3.doc

2描述交變電流的物理量教學設(shè)計(一)教學分析教材把交流電與直流電對比，說明描述交流電的特性需要一些新的物理量。交流電的電動勢、電壓、電流是隨時間變化的，教材介紹了用公式法和圖象法描述交流電如何隨時間變化的規(guī)律，我們可向?qū)W生說明，這種描述是詳細、全面的，但應用時非常不方便。實用中經(jīng)常需要知道交流電某一方面的特性，因此需要引入反映交流電某一方面特性的物理量。如：最大值說明交流電在變化過程中所能達到的最大數(shù)值，反映了交流電變化的范圍；交流電是周期性變化的，周期、頻率說明交流電變化的快慢；有效值說明交流電產(chǎn)生的熱效應的效果。教學中的難點是交流電有效值的概念，這也是教學重點。為了引入有效值，可以提出：交流電隨時間變化，產(chǎn)生的效果也隨時間變化。但實際中常常只要知道交流電的平均效果就可以了，怎樣衡量交流電的平均效果呢？可以配合做一個演示實驗：用兩個相同的小電珠A、B，一個接在直流電源上，一個接在交流電源上，讓兩個小電珠發(fā)光情況相同。學生通過觀察和思考了解：B燈通過的是交變電流，大小、方向隨時間變化，但在相同時間內(nèi)交變電流與直流電流產(chǎn)生的熱量相同，所以B燈發(fā)光與A燈相同。我們引導學生得出：通過A燈的直流電流I與通過B燈的交變電流i產(chǎn)生的效果相同，可以把直流電流的大小I作為衡量交變電流i產(chǎn)生的平均效果。在此基礎(chǔ)上給出有效值比較準確的定義，并讓學生進一步體會有效值的物理意義是什么？正弦交流電有效值與最大值的關(guān)系教材是直接給出的，教材不要求證明倍的數(shù)量關(guān)系，但要使學生了解IIm和I。有效值的物理意義、有效值與最大值的關(guān)系非常重要，要讓學生很好地了解和熟悉。有必要強調(diào)說明交流電的有效值應用較多，因此，如果不加特別的說明，提到交流電的電流、電壓、電動勢時，指的都是有效值。交流電表測得的電流、電壓也是有效值。還可考慮分別用直流電流表、交流電流表和直流電壓表、交流電壓表測量剛才的A、B燈的電流、電壓，讓學生看到兩者的數(shù)值相同，并讓學生說出交流電的最大值。我們可考慮讓學生對交流電的描述作小結(jié)，使學生明確：全面、詳細描述交流電的是公式和圖象；最大值、有效值、周期、頻率等物理量是描述交流電某一方面的特性的。根據(jù)交流電的圖象、公式可知最大值、周期，從而可知有效值、頻率。教學目標1知道交變電流的周期和頻率以及我國供電線路交變電流的周期和頻率，了解它們與轉(zhuǎn)子角速度的關(guān)系。2知道交變電流和電壓的最大值、瞬時值、有效值等及其關(guān)系。3會用等效的方法計算交變電流的有效值，在自主學習過程中讓學生體會研究物理問題的一個重要思想等效思想的應用。4通過對描述交變電流的物理量的學習，體會描述復雜事物的復雜性，樹立科學、嚴謹?shù)膶W習和認識事物的態(tài)度；學會觀察實驗，分析圖象，由感性認識到理性認識的思維方式。5聯(lián)系日常生活中的交變電流知識，培養(yǎng)學生將物理知識應用于生活和生產(chǎn)實際的意識，鼓勵學生勇于探究與日常生活有關(guān)的物理學問題。教學重點難點周期、頻率的概念；有效值的概念和計算。教學方法與手段誘思探究教學法，合作學習為主，通過實驗現(xiàn)象和生活經(jīng)驗發(fā)動學生對有效值展開討論，加深對交流電知識的理解。教學媒體手搖交流發(fā)電機模型、學生電源、電容器、導線、兩只燈泡、電壓表、多媒體投影儀。知識準備復習圓周運動的周期和頻率的概念以及焦耳定律的知識。導入新課事件1教學任務：復習交變電流的規(guī)律，導入新課。師生活動：復習導入：上節(jié)課我們研究了矩形線圈在勻強磁場中轉(zhuǎn)動，線圈中會產(chǎn)生正弦交流電。如何描述線圈中交變電流的變化規(guī)律呢？教師利用多媒體展示線圈轉(zhuǎn)動的截面圖，其中線圈長abl1，寬adl2，角速度為?？偨Y(jié)歸納：由學生自我重現(xiàn)正弦交流電理論推導過程。教師提示如下關(guān)鍵點：研究對象，垂直切割速度，等效電路，變化規(guī)律。引導學生把兩圖結(jié)合起來分析，增強分析圖象的能力。以達到感性和理性認識的結(jié)合。推進新課事件2教學任務：周期和頻率。學情預設(shè)：學生以前學過典型的周期性運動勻速圓周運動，對周期和頻率有一定了解，通過交流電的周期和頻率學習讓學生感受物理規(guī)律內(nèi)在的和諧與統(tǒng)一。師生活動：【演示】 把小燈泡接在手搖交流發(fā)電機模型的輸出端。觀察并思考：上述現(xiàn)象說明了什么問題？當轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速由小增大時，我們看到，小燈泡發(fā)光的閃爍頻率也由小增大，當轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速大到一定程度，則交變電流的大小和方向變化太快，而人眼存在視覺暫留，所以眼睛已不能分辨燈光的閃爍。這就是為什么照明電是交變電流，而電燈亮時看不見一閃一閃的原因。交流討論：首先考慮用什么物理量來描述交變電流變化的快慢呢？結(jié)論：與任何周期性過程一樣，交變電流也可以用周期或頻率表示其變化的快慢。啟發(fā)式提問：我們以前學過哪種典型的周期性運動？在周期和頻率的定義上有什么區(qū)別和聯(lián)系？通過與勻速圓周運動的比較，讓學生感受物理規(guī)律內(nèi)在的和諧與統(tǒng)一。自主學習：閱讀課本，理解并記憶以下幾個物理概念：(1)什么叫交流電的周期？(2)什么叫交流電的頻率？(3)它們之間的關(guān)系是什么？(4)我國使用的交變電流的周期和頻率各是多大？多媒體展示：(1)周期：我們把交變電流完成一次周期性變化所需的時間，叫做交變電流的周期。周期用T表示，單位是s。(2)頻率：交變電流在1 s內(nèi)完成周期性變化的次數(shù)，叫做交變電流的頻率。頻率用f表示，單位是Hz。(3)周期和頻率的關(guān)系：T或f，根據(jù)三角函數(shù)iImsint的表達式可以知道2f。(4)我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中用的交變電流周期是0.02 s，頻率是50 Hz，電流方向每秒改變100次。有個別國家使用交流電的頻率為60 Hz。事件3教學任務：峰值和有效值。師生活動：演示電容器的耐壓值。將電容器(12 V，500 F)接在學生電源上充電，接8 V電壓時電容器正常工作，接16 V電壓時，幾分鐘后聞到燒臭味，后聽到爆炸聲。(電容器所標耐壓值為最大值)總結(jié)與歸納：學生歸納實驗結(jié)論，其他學生補充完善。交變電流的最大值是交變電流在一個周期內(nèi)所能達到的最大數(shù)值，可以用來表示交變電流的電流或電壓變化幅度。從這個實驗中可以發(fā)現(xiàn)：電容器的耐壓值是指能夠加在它兩端的最大電壓，若電源電壓的最大值超過耐壓值，電容器可能被擊穿。但是交流電的最大值不適于表示交流電產(chǎn)生的所有效果，在實際中通常如何表示交變電流的大小呢？提出問題：交變電流在不同時刻，瞬時值不同，如果有一個最大值為Im的交變電流，如何計算它在時間t內(nèi)作用在電阻R上產(chǎn)生的熱量呢？能否用恒定電流的公式來計算，如果可以，那么公式中的電流應該用什么值來代入呢？實驗設(shè)計和進行實驗：1將小燈泡分別接在6 V直流電源上和有效值為6 V的交流電源上，觀察兩燈的亮度?，F(xiàn)象：兩燈亮度相同。2用電壓表測量兩小燈泡兩端的電壓?，F(xiàn)象：兩表示數(shù)相同。分析：實驗說明兩電流產(chǎn)生的熱效應相同，他們在相同的時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量相同，有相同的熱功率，把恒定電流的數(shù)值代入公式QI2Rt，就能計算交變電流在一定時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量。此時，恒定電流的電流值稱為交變電流的有效值，此有效值代表著交變電流的平均效果(從熱效應來看)。小結(jié)：讓交變電流和恒定電流通過同樣的電阻，如果它們在同一時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量相等，則這一交變電流的電流(電壓)有效值就跟這個恒定電流的電流(電壓)相等。多媒體展示：如何計算交變電流通過電阻時的熱量？題(a)怎樣計算通電1 s內(nèi)電阻R1 中產(chǎn)生的熱量？(b)如果有一個大小、方向都不變的恒定電流通過電阻R1 ，也能在1 s內(nèi)產(chǎn)生同樣的熱，這個電流是多大？討論與交流：學生先自行分析交流，最后教師歸納總結(jié)。00.2 s、0.20.5 s、0.50.8 s、0.81 s這四個階段電流大小不變化，分別計算出熱量，然后加起來。由QI2Rt解得Q10.2 J；Q21.2 J；Q31.2 J；Q40.2 J。所以，1 s內(nèi)電阻R中產(chǎn)生的熱量為Q(0.21.21.20.2)J2.8 J由QI2Rt解得，IA1.67 A結(jié)論：(1)有效值：(抓三個相同)讓交流與恒定電流通過相同的電阻，如果它們在一個周期內(nèi)產(chǎn)生的熱量相等，把恒定電流的值叫做這個交變電流的有效值。(2)正弦交流電有效值與最大值之間的關(guān)系EEm/0.707Em；UUm/0.707Um；IIm/0.707Im。鞏固練習1下列數(shù)據(jù)中不屬于交變電流有效值的是()(C)A交流電表的示數(shù) B燈泡的額定電壓C電容器的耐壓值 D保險絲的額定電流2試電筆上的氖管，起輝電壓86.6 V，若將其接在電壓為70.7 V頻率為50 Hz的交流電路，氖管能發(fā)光嗎？在1秒內(nèi)共有多少時間發(fā)光？思考切入點：70.7 V是什么電壓？該交流電壓最大值為多少？周期又為多少？交變電流的圖象如何？表達式如何？解析：因為70.7 V是有效值，UmU100 V86.6 V，所以氖管會發(fā)光。由f，得周期T0.02 s，由2f，得100 rad/s作出交變電流的Ut圖UUmsint100sin100t設(shè)電壓為70.7 V時對應時刻為t1代入公式即707 V100sin100t1得t10.002 5 s或0.007 5 s根據(jù)圖象對稱性知，一個周期內(nèi)氖管發(fā)光時間為t4(t10)0.01 s。所以一秒內(nèi)發(fā)光時間為0.5 s。3交流發(fā)電機矩形線圈邊長abcd0.4 m，bcad0.2 m，共50匝，線圈電阻r1 ，線圈在B0.2 T的勻強磁場中，繞垂直磁場方向的軸OO以r/s轉(zhuǎn)速勻速轉(zhuǎn)動，外接電阻9 ，如圖所示。求：(1)電壓表讀數(shù)；(2)電阻R上電功率。解析：(1)線圈在磁場中產(chǎn)生：電動勢的最大值EmNBS500.20.40.22V160 V電流的有效值IA8A電壓表示數(shù)UIR72V101.5 V(2)電阻R的功率PUI728W1 152 W課堂鞏固與反饋事件4教學任務：形成性測試：學生獨立完成。1試寫出我國生活用電的規(guī)律表達式。2關(guān)于正弦式電流的有效值，下列說法中正確的是()A有效值就是交流電在一周期內(nèi)的平均值B交流電的有效值是根據(jù)電流的熱效應來定義的C在交流電路中，交流電流表和交流電壓表的示數(shù)表示的都是有效值D對于正弦式電流，最大值的平方等于有效值平方的2倍3電路如圖所示，交變電流電源的電壓是6 V，它跟電阻R1、R2及電容C、電壓表一起連成如圖電路。忽略電源內(nèi)阻，為保證電容器不擊穿，電容器耐壓值U2和電壓表示數(shù)U1分別為()AU16 VBU26 VCU16 VDU26 V4表示交變電流隨時間變化圖象如圖所示，則交變電流有效值為() A5AB5 AC3.5 AD3.5 A5發(fā)電機轉(zhuǎn)子是匝數(shù)n100，邊長L20 cm的正方形線圈，其置于磁感應強度B0.5T 的勻強磁場中，繞著垂直磁場方向的軸以100(rad/s)的角速度轉(zhuǎn)動，當轉(zhuǎn)到線圈平面與磁場方向垂直時開始計時。線圈的電阻r1 ，外電路電阻R99 。試求：(1)寫出交變電流瞬時值表達式；(2)外電阻上消耗的功率；(3)從計時開始，線圈轉(zhuǎn)過過程中，通過外電阻的電荷量是多少？參考答案：1u220sin(100t)2BCD 3.CD4B解析：設(shè)交變電流的有效值為I，據(jù)有效值的定義，得I2RT(4)2R(3)2R解得I5 A綜上所述應選擇B。5解：(1)電動勢的最大值：EmnBL2200628(V)根據(jù)閉合電路歐姆定律得Im6.28 A故交變電流瞬時值表達式：i6.28sin100t。(2)電流的有效值IIm由PI2R得外電阻上的消耗功率：P(Im)2R1.95103 W(3)從計時開始到線圈轉(zhuǎn)過過程中，平均感應電動勢由En得nn平均電流：nBL2/2(Rr)t通過外電阻的電荷量：qt102 C事件5課堂小結(jié)教學任務：引導學生從知識、方法、情感三個側(cè)面小結(jié)本節(jié)課的學習活動。多媒體展示：1周期：交變電流完成一次周期性變化所需的時間。2頻率：一秒內(nèi)完成周期性變化的次數(shù)。f2f3最大值(峰值)：EmUmIm4瞬時值：eui5有效值：EUI(1)定義：根據(jù)電流的熱效應來規(guī)定，讓交流電和直流電通過相同阻值的電阻，如果它們在一個周期內(nèi)產(chǎn)生的熱量相等，就把這一直流電的數(shù)值叫做這一交流電的有效值。(2)正弦交流電的有效值與最大值的關(guān)系：EEm/0.707Em；UUm/0.707Um；IIm/0.707Im。說明：(1)交變電流的有效值是根據(jù)電流的熱效應來規(guī)定的，引入有效值的概念便于把處理恒定電流的一些方法拓展到交流電中，計算交變電流的功、功率、熱量等用有效值。(2)交流用電設(shè)備上所標的額定電壓和額定電流是有效值；交流電壓表和交流電流表的示數(shù)是有效值：交變電流的數(shù)值在無特別說明時都是指有效值。(3)求通過某導體截面的電量一定要用平均值，討論電容器的耐壓值時指峰值?？偨Y(jié)提升：通過本節(jié)學習，使學生對周期和頻率的認識進一步加深，感受物理規(guī)律內(nèi)在的和諧與統(tǒng)一，明確交變電流的有效值是根據(jù)電流的熱效應來規(guī)定的，引入有效值的概念便于把處理恒定電流的一些方法拓展到交流電中。布置作業(yè)1復習本節(jié)教材。2完成課本課后問題與練習。找一臺小型的交流發(fā)電機，觀察它的銘牌和構(gòu)造，嘗試用今天所學知識解釋上面的數(shù)據(jù)和工作原理。例析交變電流值的“四值”交變電流的“四值”是指交變電流的瞬時值、有效值、最大值和平均值。一、瞬時值與最大值線圈中的感應電動勢e隨著時間而變化，不同的時刻有不同的數(shù)值，叫做電動勢的瞬時值，若從中性面開始計時，則電動勢是按照正弦規(guī)律變化的。e2BLvsintBSsint令Em2BLvBS即eEmsint如果線圈有N匝，交變電流電動勢的最大值EmNBS。Em大小由匝數(shù)N、磁感應強度B、角速度、線圈面積S決定，而與線圈的形狀和轉(zhuǎn)軸的位置無關(guān)。如果把線圈和電阻組成閉合電路，電路中就有感應電流。在只含有電阻的電路中，適用于直流電路的歐姆定律也適用于交流電路。設(shè)閉合電路的總電阻為R，則電流的瞬時值。ie/R(Em/R)sint其中Em/R為電流的最大值，用Im表示，于是有iImsint可見，感應電流也是按正弦規(guī)律變化的。1如圖所示，有一閉合的正方形線圈，匝數(shù)N100匝，邊長為10厘米，線圈總電阻為10 ，線圈繞OO軸在B0.5 T的勻強磁場中勻速轉(zhuǎn)動，每分鐘轉(zhuǎn)1 500轉(zhuǎn)，求線圈平面從圖示位置轉(zhuǎn)過30時，感應電動勢的值是多少。解：由題給條件可知：N100匝，B0.5 T，f1 500 r/min25 Hz，2f50rad/sS0.01 m2，所以感應電動勢的最大值為EmNBS1000.5500.01 V78.5 V從圖示位置(即中性面位置)開始計時，產(chǎn)生交變電動勢的瞬時值表達式為eBSsint，所以轉(zhuǎn)過30時的電動勢eEmsint78.5V39.3 V。評注：在求解交變電動勢時，首先要確定線圈轉(zhuǎn)動從哪個平面開始計時，以便確定瞬時值表達式是正弦規(guī)律變化還是余弦規(guī)律變化。若從平行于磁感應線的平面開始計時，則電動勢是按照余弦規(guī)律變化的。2某線圈在勻強磁場中勻速轉(zhuǎn)動時，產(chǎn)生的交變電動勢的圖象如下圖所示。由圖可知的信息有哪些？解析：由圖象可知，該交變電動勢的最大值Em20 V，周期T0.02 s。將這一信息進一步處理可得：有效值：E20 V頻率：f Hz50 Hz角速度：100rad/s該交變電動勢的瞬時值表達式為：eEmsint20sin100t。點撥：本題關(guān)鍵是對圖象的意義及各量之間關(guān)系的認識。最大值有時也叫峰值，從圖象中認識時可運用數(shù)學知識。二、平均值平均值的公式是N，它表現(xiàn)為交流圖象中波形對橫軸(t軸)所圍的“面積”對時間軸的比值，其值大小是與所取的時間軸有關(guān)的。比如正弦交流，其正半周期或負半周期的平均電動勢的大小為，而一周期內(nèi)的平均電動勢卻為零。3如圖所示，單匝線圈在勻強磁場中繞OO軸從圖示位置開始勻速轉(zhuǎn)動，已知從圖示位置轉(zhuǎn)動時，線圈中感應電動勢大小為10 V，求：線圈從圖示位置轉(zhuǎn)動的過程中，交變電動勢的平均值。解析：平均電動勢的計算程序：(1)確定計算的是哪段時間內(nèi)的平均電動勢；(2)找到所研究時間段t內(nèi)線圈磁通量的變化量|21|；(3)利用法拉第電磁感應定律N計算平均電動勢值。由eBSsint，代入得BS20 V線圈從圖示位置轉(zhuǎn)過的過程中，磁通量的變化量為BS，經(jīng)歷的時