東城研修：交變電流教材分析及教學(xué)建議

1、交變電流教材分析及教學(xué)建議東城區(qū)教師研修中心 2014 2,20考試說(shuō)明對(duì)本章內(nèi)容的要求內(nèi)容內(nèi)容要求要求交流發(fā)電機(jī)及其產(chǎn)生正弦式電流的原理、交流發(fā)電機(jī)及其產(chǎn)生正弦式電流的原理、交交變電流的圖像和三角函數(shù)表達(dá)式、最大值變電流的圖像和三角函數(shù)表達(dá)式、最大值和和有效值有效值電阻、電感、電容對(duì)交變電流的作用電阻、電感、電容對(duì)交變電流的作用變壓器和原理、原變壓器和原理、原副副線圈電壓電流的關(guān)系線圈電壓電流的關(guān)系電能的輸送電能的輸送實(shí)驗(yàn)：示波器的使用；傳感器的使用實(shí)驗(yàn)：示波器的使用；傳感器的使用1 1、正弦交變電流的產(chǎn)生和表述、正弦交變電流的產(chǎn)生和表述2 2、描述交流電的物理量、描述交流電的物理量3 3、

2、示波器的使用、示波器的使用4 4、電容器在交流電路中的作用、電容器在交流電路中的作用5 5、電感器在交流電路中的作用、電感器在交流電路中的作用6 6、變壓器、變壓器7 7、電能的輸送、電能的輸送本章主要內(nèi)容電磁感應(yīng)電場(chǎng)交變流電閉合電路磁場(chǎng)本章知識(shí)的地位和作用理論探究交流電的產(chǎn)生研究方法：對(duì)照實(shí)際模型，將立體圖轉(zhuǎn)化為平面圖分析研究方法：對(duì)照實(shí)際模型，將立體圖轉(zhuǎn)化為平面圖分析提問(wèn)：線圈處于何提問(wèn)：線圈處于何位置時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)位置時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大？勢(shì)最大？利用俯視利用俯視圖分析圖分析利用側(cè)視利用側(cè)視圖分析圖分析vvA(B)D(C)鍛煉空間想象能力研究方法：先研究特殊位置，再研究一般位置研究方法：先研

3、究特殊位置，再研究一般位置理論探究交流電的產(chǎn)生D(C)vvA(B)vvA(B)D(C)NBSLNBLe2221sinsin2221NBSLNBLe其中，當(dāng)=0 時(shí)，e=0;當(dāng)=90 時(shí)，e=Em;D(C)vvA(B)體會(huì)特殊和一般的關(guān)系研究方法：先研究特殊位置，再研究一般位置研究方法：先研究特殊位置，再研究一般位置理論探究交流電的產(chǎn)生abcdkLABabcKLABabcdkLAabcdK LABabcdkLABt0tt0t4T2T43TT2432t 設(shè)設(shè)N匝正方形匝正方形線圈的邊長(zhǎng)為線圈的邊長(zhǎng)為L(zhǎng),在勻強(qiáng)磁場(chǎng)在勻強(qiáng)磁場(chǎng)B中繞垂直于磁場(chǎng)的對(duì)稱(chēng)軸以角中繞垂直于磁場(chǎng)的對(duì)稱(chēng)軸以角速度速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)勻速轉(zhuǎn)

4、動(dòng),如圖所示如圖所示,ab和和cd邊垂直于紙面邊垂直于紙面,轉(zhuǎn)軸為轉(zhuǎn)軸為O.試推試推導(dǎo)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小的變化規(guī)導(dǎo)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小的變化規(guī)律公式。律公式。 以線圈經(jīng)過(guò)中性面開(kāi)始計(jì)時(shí)，以線圈經(jīng)過(guò)中性面開(kāi)始計(jì)時(shí)，在在t時(shí)刻線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)時(shí)刻線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(ab和和cd邊切割磁感線邊切割磁感線 )tsinNBStsinLNBLe 22分分析析v =vsintv/=vcost交流電的變化規(guī)律（表述）1、用函數(shù)方法表述：用函數(shù)方法表述： 以線圈經(jīng)過(guò)中性面開(kāi)始計(jì)時(shí)，在以線圈經(jīng)過(guò)中性面開(kāi)始計(jì)時(shí)，在 t 時(shí)刻線圈中時(shí)刻線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為 tNBSesinNBSEm令令tsinEem 則則其中

5、，其中，Em為電動(dòng)勢(shì)的最大值為電動(dòng)勢(shì)的最大值(峰值峰值) e為電動(dòng)勢(shì)在時(shí)刻為電動(dòng)勢(shì)在時(shí)刻t的瞬時(shí)值的瞬時(shí)值2 2、用圖像的方法描述：、用圖像的方法描述：交流電的變化規(guī)律（表述）et0t4T2T43TT2432mEmE 以線圈經(jīng)過(guò)中性面開(kāi)始計(jì)時(shí)，線圈中的感應(yīng)電以線圈經(jīng)過(guò)中性面開(kāi)始計(jì)時(shí)，線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)動(dòng)勢(shì) e 隨時(shí)間隨時(shí)間 t 變化的圖線為正弦曲線變化的圖線為正弦曲線t0tt0t4T2T43TT2432t若某個(gè)物理量如若某個(gè)物理量如 隨時(shí)間按余弦規(guī)律變化隨時(shí)間按余弦規(guī)律變化那么它的變化率如那么它的變化率如 / / t t 就隨時(shí)間按正就隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化弦規(guī)律變化 1 1、中性面中性面：線圈

6、平面與磁感線垂直的位置叫：線圈平面與磁感線垂直的位置叫做中性面。做中性面。 2 2、線圈經(jīng)過(guò)、線圈經(jīng)過(guò)中性面中性面時(shí)時(shí), ,穿過(guò)線圈的穿過(guò)線圈的磁通量最大磁通量最大, ,但磁通量的變化率為零但磁通量的變化率為零( ( abab和和cdcd邊都不切割磁感線邊都不切割磁感線) )，線圈中的線圈中的電動(dòng)勢(shì)為零電動(dòng)勢(shì)為零, ,方向要改變。方向要改變。 線圈經(jīng)過(guò)與線圈經(jīng)過(guò)與中性面中性面垂直位置垂直位置( (即線圈平面與磁即線圈平面與磁感線平行感線平行) )時(shí)，穿過(guò)線圈的時(shí)，穿過(guò)線圈的磁通量為零磁通量為零，但磁通量，但磁通量的變化率最大（的變化率最大（ abab和和cdcd邊都垂直切割磁感線），邊都垂直切

7、割磁感線），線圈中的線圈中的電動(dòng)勢(shì)最大電動(dòng)勢(shì)最大，方向不變。，方向不變。 3 3、線圈經(jīng)過(guò)中性面時(shí)、線圈經(jīng)過(guò)中性面時(shí), ,電流將改變方向電流將改變方向, ,線圈轉(zhuǎn)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)一周一周, ,兩次兩次經(jīng)過(guò)中性面，電流方向改變經(jīng)過(guò)中性面，電流方向改變兩次兩次。 則電流按正弦規(guī)律變化則電流按正弦規(guī)律變化 tsinIrReim 負(fù)載電壓按正弦規(guī)律變化負(fù)載電壓按正弦規(guī)律變化 tsinUum RIUiRumm若電動(dòng)勢(shì)按正弦規(guī)律變化若電動(dòng)勢(shì)按正弦規(guī)律變化tsinEem 當(dāng)負(fù)載為電燈等純電阻用電器時(shí)當(dāng)負(fù)載為電燈等純電阻用電器時(shí)1、最大值（峰值）： Em Um m SNBEm、瞬時(shí)值： u i e描述交流電的物理量

8、、周期和頻率：（1）周期：交變電流完成一次周期性變化所需的時(shí)間。（3）角頻率：線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。 （2）頻率：一秒內(nèi)完成周期性變化的次數(shù)。 T和f的物理意義：表征交流電變化的快慢。（4）關(guān)系：Tf1fT22 我國(guó)生產(chǎn)和生活用交流電的周期T_s，頻率f= _Hz，角速度_rad/s，在1s內(nèi)電流的方向變化_次。0.0250100一個(gè)周期內(nèi)電流方向改變兩次。、有效值： E U I （1）定義： 根據(jù)電流的熱效應(yīng)來(lái)規(guī)定，讓交流電和直流通過(guò)同一電阻，在相同時(shí)間 內(nèi)產(chǎn)生的熱量相等，則這個(gè)直流電的電流和電壓值就分別稱(chēng)為相應(yīng)交流電電流和電壓的有效值。（2）正弦交流電的有效值與最大值的關(guān)系：2mE

9、E 2mII (3)說(shuō)明：A、以上關(guān)系式只適用于正弦或余弦交流電；B、交流用電器的額定電壓和額定電流 指的是有效值； C、交流電流表和交流電壓表的讀數(shù)是 有效值D、對(duì)于交流電若沒(méi)有特殊說(shuō)明的均指 有效值平均值：ENtB、求通過(guò)某導(dǎo)體截面的電量一定要用 平均值。（4）注意：峰值（最大值）、有效值、平均值在應(yīng)用上的區(qū)別。 A、在求交流電的功、功率或電熱時(shí)必 須用交流電的有效值。 例.如圖表示一交流的電流隨時(shí)間變化的圖像,求該電流的有效值。4 23 2222121122I RTI RTI RT22121()2III221(4 2)(3 2)52A取直流電源的電壓與交流電電壓的_相等 有效值有效值電感

10、器在交流電路中的作用 進(jìn)一步探究得出結(jié)論： 決定電感器對(duì)交流電阻礙大小的因素有兩個(gè)：一是交變電流的頻率，二是線圈本身的性質(zhì)，即線圈匝數(shù)、橫截面積，有無(wú)鐵芯等因素 電感對(duì)交變電流阻礙作用的大小稱(chēng)為感抗電感器在交流電路中的作用 理論分析：通過(guò)線圈的電流大小和方向變化，都會(huì)引起通過(guò)線圈的磁通量發(fā)生變化，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象就是自感現(xiàn)象根據(jù)楞次定律，自感電動(dòng)勢(shì)所引起的感應(yīng)電流總是要使它產(chǎn)生的磁場(chǎng)阻礙線圈內(nèi)原有磁場(chǎng)的變化，所以自感電動(dòng)勢(shì)對(duì)線圈中電流的變化有阻礙作用，這樣就形成了對(duì)交變電流的阻礙作用，電感對(duì)交變電流阻礙作用的大小就稱(chēng)為感抗電感器在交流電路中的作用電容器在交流電路中的作用實(shí)驗(yàn)結(jié)論：電

11、容器能夠?qū)ń涣麟妼?shí)驗(yàn)結(jié)論：電容器能夠?qū)ń涣麟妼?shí)驗(yàn)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 電路中串有電容器時(shí)，接通電路中串有電容器時(shí)，接通 電源，燈電源，燈泡不亮；接通泡不亮；接通 電源，燈泡亮電源，燈泡亮進(jìn)一步探究得出結(jié)論： 交變電流的頻率越高，對(duì)交流電的的阻礙作用越小；電容器的電容越大，對(duì)交流電的的阻礙作用越?。蛔璧K越小 電容對(duì)交變電流阻礙作用的大小稱(chēng)為容抗電容器在交流電路中的作用 理論分析：電容器兩極板間是絕緣材料，當(dāng)電容器接到交流電源上時(shí)，自由電荷不會(huì)通過(guò)兩極板間的絕緣電介質(zhì)，只不過(guò)在交變電壓的作用下，電容器交替進(jìn)行充電和放電，電路中就有電流了，表現(xiàn)為交變電流“通過(guò)”了電容器 交變電流的頻率越高，電容器充電時(shí)

12、集聚的電荷相對(duì)較少，對(duì)電荷運(yùn)動(dòng)的阻礙作用越小，容抗也越小同理，電容器的電容越大，容納電荷的本領(lǐng)越大，充放電時(shí)所受的阻礙越小，容抗也就越小，電容器在交流電路中的作用 將純電阻、純電感、純電容分別接在交流電路中，設(shè)元件兩端電壓的有效值為U 則元件中的電流分別滿足：RUIRfUUILL2fCUUICC2純電阻、純電容和純電感在交流電路中的作用例：如圖所示，電路中完全相同的三只燈泡a、b、c分別與電阻R、電感L、電容C串聯(lián)，然后再并聯(lián)到220 V、50 Hz的交流電路上，三只燈泡亮度恰好相同若保持交變電壓不變，將交變電流的頻率增大到60 Hz，則發(fā)生的現(xiàn)象是A三燈亮度不變 B三燈均變亮Ca不變、b變亮

13、、c變暗 Da不變、b變暗、c變亮 純電阻、純電容和純電感在交流電路中的作用變壓器變壓器的結(jié)構(gòu)與原理變壓器的電壓與匝數(shù)的關(guān)系變壓器的電流與匝數(shù)的關(guān)系幾種常見(jiàn)變壓器實(shí)驗(yàn)探究理論探究變壓器的原理與構(gòu)造G電 源AB線圈線圈A中的電流變化時(shí)，引起中的電流變化時(shí)，引起線圈線圈A中磁通量的變化，這個(gè)中磁通量的變化，這個(gè)變化的磁通量的一部分會(huì)穿過(guò)變化的磁通量的一部分會(huì)穿過(guò)靠近靠近A的的B線圈線圈在線圈在線圈A和線圈和線圈B中都要引起中都要引起感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在在A中引起中引起的的eA就是自感電動(dòng)勢(shì)，在就是自感電動(dòng)勢(shì)，在B中引起的稱(chēng)為中引起的稱(chēng)為A對(duì)對(duì)B的互感電的互感電動(dòng)勢(shì)動(dòng)勢(shì)eAB同時(shí)，如線圈同時(shí)，如線

14、圈B中感中感應(yīng)出的電流是變化的，應(yīng)出的電流是變化的，也會(huì)對(duì)也會(huì)對(duì)B和和A提供變化提供變化的磁通的磁通.變壓器的原理：互感現(xiàn)象變壓器的原理：互感現(xiàn)象變壓器的原理與構(gòu)造變壓器的結(jié)構(gòu)：變壓器的結(jié)構(gòu)：為增強(qiáng)互感，將線圈繞在閉合鐵心上為增強(qiáng)互感，將線圈繞在閉合鐵心上變壓器的電壓與匝數(shù)的關(guān)系實(shí)驗(yàn)探究：實(shí)驗(yàn)探究：器材：可拆變壓器、學(xué)生電源、交流電表器材：可拆變壓器、學(xué)生電源、交流電表實(shí)驗(yàn)記錄：實(shí)驗(yàn)記錄：n1/匝匝n2/匝匝n1/n2U1/VU2/VU1/U2變壓器的電壓與匝數(shù)的關(guān)系tne111u1i1e2e2utne222121nnee 副線圈空載時(shí)，副線圈空載時(shí)， 在原線圈上加交變電壓，在鐵心中產(chǎn)在原線圈

15、上加交變電壓，在鐵心中產(chǎn)生交變磁通，在兩線圈中分別感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)生交變磁通，在兩線圈中分別感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)e1e1、e2e2。根據(jù)電。根據(jù)電磁感應(yīng)定律可寫(xiě)出電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)方程式：磁感應(yīng)定律可寫(xiě)出電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)方程式：相同相同變壓器的電壓與匝數(shù)的關(guān)系1U2U1u2uLZ1u1i1e2e2u2i2121nnee 當(dāng)副線圈接負(fù)載形成當(dāng)副線圈接負(fù)載形成回路時(shí)，副線圈的閉合回回路時(shí)，副線圈的閉合回路中也產(chǎn)生電流，此時(shí)鐵路中也產(chǎn)生電流，此時(shí)鐵心內(nèi)的磁通由原副線圈中心內(nèi)的磁通由原副線圈中的電流共同決定，且任意的電流共同決定，且任意時(shí)刻穿過(guò)時(shí)刻穿過(guò) 各截面的磁通各截面的磁通相同，因此仍有相同，因此仍有對(duì)原線圈回路對(duì)原線

16、圈回路：1111rieu當(dāng)線圈電阻很小當(dāng)線圈電阻很小 可忽略，可忽略，則有則有11ri11eu 對(duì)副線圈回路：對(duì)副線圈回路：2222riue當(dāng)線圈電阻很小當(dāng)線圈電阻很小 可忽略，可忽略，則有則有22ri22eu 于是有：于是有：2121nnuu即即: : 121221nnUUII理想變壓器原副線圈的理想變壓器原副線圈的電流電流跟它們的跟它們的匝匝數(shù)數(shù)成成反比反比變壓器的電流與匝數(shù)的關(guān)系 在不計(jì)鐵心漏磁和線圈電阻等引起損耗的理想情況下，有：在不計(jì)鐵心漏磁和線圈電阻等引起損耗的理想情況下，有：從輸入端輸入的電能等于從輸出端輸出的電能從輸入端輸入的電能等于從輸出端輸出的電能1 1電壓關(guān)系電壓關(guān)系 當(dāng)

17、變壓器原、副線圈的匝數(shù)比當(dāng)變壓器原、副線圈的匝數(shù)比( (n n1 1/ /n n2 2) )一定一定時(shí)，輸出電壓時(shí)，輸出電壓U U2 2由輸入電壓由輸入電壓U U1 1決定，即決定，即U U2 2n n2 2U U1 1/ /n n1 1. .2 2電流制約電流制約 當(dāng)變壓器原、副線圈的匝數(shù)比當(dāng)變壓器原、副線圈的匝數(shù)比( (n n1 1/ /n n2 2) )一定，一定，且輸入電壓且輸入電壓U U1 1確定時(shí)，確定時(shí)，原線圈中的電流原線圈中的電流I I1 1由由副線圈中的輸出電流副線圈中的輸出電流I I2 2決定，即決定，即I I1 1n n2 2I I2 2/ /n n1 1. .變壓器工作

18、時(shí)的制約關(guān)系3功率關(guān)系功率關(guān)系(1)(1)變壓器副線圈中的功率變壓器副線圈中的功率P P2 2由用戶負(fù)載決定，由用戶負(fù)載決定，P P2 2P P負(fù)負(fù)1 1P P負(fù)負(fù)2 2；(2)(2)變壓器副線圈中的電流變壓器副線圈中的電流I I2 2由用戶負(fù)載及電壓由用戶負(fù)載及電壓U U2 2確定，確定，I I2 2P P2 2/ /U U2 2；(3)(3)理想變壓器將電能由原線圈傳給副線圈時(shí)總是理想變壓器將電能由原線圈傳給副線圈時(shí)總是“量出為入量出為入”，即用戶消耗多少，原線圈就提供，即用戶消耗多少，原線圈就提供多少，因而輸出功率決定輸入功率，多少，因而輸出功率決定輸入功率，P P1 1P P2 2；即

19、即變壓器的輸入功率是由輸出功率決定的變壓器的輸入功率是由輸出功率決定的變壓器工作時(shí)的制約關(guān)系4對(duì)理想變壓器進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析的兩種常見(jiàn)情況對(duì)理想變壓器進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析的兩種常見(jiàn)情況(1)原、副線圈匝數(shù)比不變，分析各物理量隨負(fù)載原、副線圈匝數(shù)比不變，分析各物理量隨負(fù)載電阻變化而變化的情況，進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析的順序是電阻變化而變化的情況，進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析的順序是RI2P2P1I1.(2)負(fù)載電阻不變，分析各物理量隨匝數(shù)比的變化負(fù)載電阻不變，分析各物理量隨匝數(shù)比的變化而變化的情況，進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析的順序是而變化的情況，進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析的順序是n1、n2U2I2P2P1I1.特別提醒：理想變壓器的副線圈可看做給用戶供特別提醒：理想變壓器的副線圈可看做給用戶供電的無(wú)阻電源，對(duì)負(fù)載電路進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析時(shí)，可電的無(wú)阻電源，對(duì)負(fù)載電路進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析時(shí)，可以參照直流電路動(dòng)態(tài)分析的方法以參照直流電路動(dòng)態(tài)分析的方法在輸電線路中，存在三個(gè)回路在輸電線路中，存在三個(gè)回路電能的輸送1、傳感器的概念：、傳感器的概念：2、傳感器的工