高中物理交变电流教案设计与知识点解析.docx
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高中物理交变电流教案设计与知识点解析
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
=0。
（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，线圈转过的角度是ωt，ab边的线速度v的方向跟磁感线方向间的夹角也等于ωt，如右图所示。
设ab边长为L1，bc边长L2，磁感应强度为B，这时ab边产生的感应电动势多大?
eab=BL1vsinωt=BL1·
ωsinωt=
BL1L2sinωt
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=2T，匝数n=6的矩形线圈abcd绕中心轴OO′匀速转动，角速度ω=200rad/s。
已知ab=0.1m，bc=0.2m，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
的过程中，感应电动势的平均值是多大？
解析：
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“6V，0.3A”、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1s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=
我国使用的交变电流频率f=50Hz，周期T=0。
02s。
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（8V，500μF）接在学生电源上充电，接8V电压时电容器正常工作，接16V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
解得
J；
J；
J；
J
所以，1s内电阻R中产生的热量为
J
由
解得，
A=1.67A
2．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=
=0.707ImU=
=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=
。
3．正弦式交变电流最大值与有效值的关系：
I=
，U=
。
（四）实例探究
【例1】表示交变电流随时间变化图象如图所示，则交变电流有效值为（）
A．5
AB．5A
C．3.5
AD．3.5A
综合应用
【例2】交流发电机矩形线圈边长ab=cd=0.4m，bc=ad=0.2m，共50匝，线圈电阻r=1Ω，线圈在B=0.2T的匀强磁场中，绕垂直磁场方向的轴OO′以
r/s转速匀速转动，外接电阻9Ω，如图所示。
求：
（1）电压表读数；
（2）电阻R上电功率。
5．3电感和电容对交变电流的影响
教学目标
（一）知识与技能
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的阻碍作用的大小.知道容抗与哪些因素有关。
（二）过程与方法
1．培养学生独立思考的思维习惯。
2．培养学生用学过的知识去理解、分析新问题的习惯。
（三）情感、态度与价值观
培养学生有志于把所学的物理知识应用到实际中去的学习习惯。
教学重点、难点
重点
1．电感、电容对交变电流的阻碍作用。
2．感抗、容抗的物理意义。
难点
1．感抗的概念及影响感抗大小的因素。
2．容抗概念及影响容抗大小的因素。
教学方法
实验法、阅读法、讲解法。
教学手段
双刀双掷开关、学生用低压交直流电源、灯泡（6V、0.3A）、线圈（用变压器的副线圈）、电容器（“103μF、15V”与“200μF、15V”）2个、两个扼流圈、投影片、投影仪
教学过程
（一）引入新课
在直流电路中，影响电流跟电压关系的只有电阻。
在交变电流路中，影响电流跟电压关系的，除了电阻外，还有电感和电容。
电阻器、电感器、电容器是交变电流路中三种基本元件。
这节课我们学习电感、电容对交变电流的影响。
（二）进行新课
1．电感对交变电流的阻碍作用
［演示］电阻、电感对交、直流的影响。
实验电路如下图甲、乙所示：
演示甲图，电键分别接到交、直流电源上，引导学生观察两次灯的亮度
灯的亮度相同。
说明电阻对交流和直流的阻碍作用相同。
演示乙图，电键分别接到交、直流电源上，引导学生观察两次灯的亮度
电键接到直流上，亮度不变；接到交流上时，灯泡亮度变暗。
说明线圈对直流电和交变电流的阻碍作用不同。
线圈对直流电的阻碍作用只是电阻；而对交变电流的阻碍作用除了电阻之外，还有电感.为什么会产生这种现象呢？
由电磁感应的知识可知，当线圈中通过交变电流时，产生自感电动势，阻碍电流的变化。
电感对交变电流阻碍作用的大小，用感抗来表示。
感抗的大小与哪些因素有关？
请同学们阅读教材后回答。
感抗决定于线圈的自感系数和交变电流的频率。
线圈的自感系数越大，自感作用就越大，感抗就越大；交变电流的频率越高，电流变化越快，自感作用越大，感抗越大。
线圈在电子技术中有广泛应用，有两种扼流圈就是利用电感对交变电流的阻碍作用制成的。
出示扼流圈，并介绍其构造和作用。
（1）低频扼流圈
构造：
线圈绕在闭合铁芯上，匝数多，自感系数很大。
作用：
对低频交变电流有很大的阻碍作用。
即“通直流、阻交流”。
（2）高频扼流圈
构造：
线圈绕在铁氧体芯上，线圈匝数少，自感系数小。
作用：
对低频交变电流阻碍小，对高频交变电流阻碍大。
即“通低频、阻高频”。
2．交变电流能够通过电容器
［演示］电容对交、直流的影响。
实验电路如图所示：
开关S分别接到直流电源和交变电流源上，观察现象
接通直流电源，灯泡不亮；接通交变电流源，灯泡亮了。
说明了直流电不能够通过电容器，交变电流能够“通过”电容器。
电容器的两极板间是绝缘介质，为什么交变电流能够通过呢？
用CAI课件展示电容器接到交变电流源上，充、放电的动态过程。
强调自由电荷并没有通过电容器两极板间的绝缘介质，只是当电源电压升高时电容器充电，电荷向电容器的极板上集聚，形成充电电流；当电源电压降低时电容器放电，电荷从电容器的极板上放出，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。
3．电容器对交变电流的阻碍作用
［演示］电容器对交变电流的影响
将刚才实验电路中“1000μF，15V”的电容器去掉，观察灯泡的亮度，说明了什么道理？
灯泡的亮度变亮了。
说明电容器对交变电流也有阻碍作用。
的确是这样。
物理上用容抗来表示电容器对交变电流阻碍作用的大小。
容抗跟哪些因素有关呢？
请同学们阅读教材后回答。
容抗决定于电容器电容的大小和交变电流的频率.电容越大，在同样电压下电容器容纳电荷越多，因此充放电的电流越大，容抗就越小；交变电流的频率越高，充放电进行得越快，充放电电流越大，容抗越小.即电容器的电容越大，交变电流频率越高，容抗越小。
电容器具有“通交流、隔直流”“通高频、阻低频”的特点。
介绍电感、电容的广泛存在。
（三）课堂总结、点评
本节课主要学习了以下几个问题：
1．由于电感线圈中通过交变电流时产生自感电动势，阻碍电流变化，对交变电流有阻碍作用.电感对交变电流阻碍作用大小用感抗来表示.线圈自感系数越大，交变电流的频率越高，感抗越大，即线圈有“通直流、阻交流”或“通低频，阻高频”特征.
2．交变电流“通过”电容器过程，就是电容器充放电过程.由于电容器极板上积累电荷反抗自由电荷做定向移动，电容器对交变电流有阻碍作用.用容抗表示阻碍作用的大小.电容器的电容越大，交流的频率越高，容抗越小.故电容器在电路中有“通交流、隔直流”或“通高频、阻低频”特征。
（四）实例探究
电感对交变电流的影响
【例1】如图所示电路中，L为电感线圈，R为灯泡，电流表内阻为零。
电压表内阻无限大，交流电源的电压u=220
sin10πtV。
若保持电压的有效值不变，只将电源频率改为25Hz，
下列说法中正确的是（）
A．电流表示数增大
B．电压表示数减小
C．灯泡变暗
D．灯泡变亮
电感和电容对交变电流的影响
【例2】图所示是电视机电源部分的滤波装置，当输入端输入含有直流成分、交流低频成分的电流后，能在输出端得到较稳定的直流电，试分析其工作原理及各电容和电感的作用。
（五）巩固练习
1．．关于低频扼流圈，下列说法正确的是
A．这种线圈的自感系数很小，对直流有很大的阻碍作用
B．这种线圈的自感系数很大，对低频电流有很大的阻碍作用
C．这种线圈的自感系数很大，对高频交流的阻碍作用比低频交流的阻碍作用更大
D．这种线圈的自感系数很小，对高频交流的阻碍作用很大而对低频交流的阻碍作用很小
2．在图所示电路中，u是有效值为200V的交流电源，C是电容器，R是电阻.关于交流电压表的示数，下列说法正确的是（）
A．等于220VB．大于220V
C．小于220VD．等于零
3．在图所示的电路中，a、b两端连接的交流电源既含高频交流，又含低频交流；L是一个25mH的高频扼流圈，C是一个100pF的电容器，R是负载电阻，下列说法中正确的是（）
A.L的作用是“通低频，阻高频”
B.C的作用是“通交流，隔直流”
C.C的作用是“通高频，阻低频”
D.通过R的电流中，低频电流所占的百分比远远大于高频交流所占的百分比
4．如图所示，交变电流电压的瞬时表达式u=311sin157tV时，三个电流表的示数相同，若电源电压改为u′=sin314tV时，则（）
A．电流表
的示数减小
B．电流表
的示数增大
C．电流表
的示数不变
5．4变压器
教学目标
（一）知识与技能
1．知道变压器的构造，了解变压器的工作原理。
2．理解理想变压器原、副线圈中电压与匝数的关系，能应用它分析解决有关问题。
（二）过程与方法
在探究变压比和匝数比的关系中培养学生运用物理理想化模型分析问题、解决问题的能力。
（三）情感、态度与价值观
1．使学生体会到能量守恒定律是普遍适用的。
2．培养学生实事求是的科学态度。
教学重点、难点
重点
探究变压比和匝数比的关系。
难点
探究变压比和匝数比的关系。
教学方法
实验探究法、阅读法、讲解法。
教学手段
学生电源、可拆变压器、交流电压表、交流电流表、灯泡
教学过程
（一）引入新课
在实际应用中，常常需要改变交流的电压.大型发电机发出的交流，电压有几万伏，而远距离输电却需要高达几十万伏的电压。
各种用电设备所需的电压也各不相同。
电灯、电饭煲、洗衣机等家用电器需要220V的电压，机床上的照明灯需要36V的安全电压。
一般半导体收音机的电源电压不超过10V，而电视机显像管却需要10000V以上的高电压。
交流便于改变电压，以适应各种不同需要。
变压器就是改变交流电压的设备。
这节课我们学习变压器的有关知识。
（二）进行新课
1．变压器的原理
思考与讨论：
按上图所示连接好电路，接通电源，观察灯泡是否发光。
两个线圈并没有直接接触，灯泡为什么亮了呢？
这个实验说明了什么？
当一个线圈中同交变电流时，变化的电流产生变化的磁场，变化的磁场在另一个线圈中激起感生电场，从而产生感生电动势，灯泡中有了感应电流，故灯泡发光。
实验说明，通过互感现象，电源的能量可以从一个线圈传输给另一个线圈。
变压器就是由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈构成的。
一个线圈跟电源连接，叫原线圈（初级线圈），另一个线圈跟负载连接，叫副线圈（次级线圈）。
两个线圈都是绝缘导线绕制成的。
铁芯由涂有绝缘漆的硅钢片叠合而成。
画出变压器的结构示意图和符号，如下图所示：
互感现象时变压器工作的基础。
在原线圈上加交变电压U1，原线圈中就有交变电流，它在铁芯中产生交变的磁通量。
这个交变磁通量既穿过原线圈，也穿过副线圈，在原、副线圈中都要引起感应电动势。
如副线圈是闭合的，在副线圈中就产生交变电流，它也在铁芯中产生交变的磁通量，在原、副线圈中同样引起感应电动势。
副线圈两端的电压就是这样产生的。
所以，两个线圈并没有直接接触，通过互感现象，副线圈也能够输出电流。
变压器线圈两端的电压与匝数有何关系呢？
下面我们通过实验来探究。
目的：
探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系
器材：
可拆变压器，学生电源，多用电表，导线若干
实验步骤：
（1）按图示电路连接电路
（2）原线圈接低压交流电源6V，保持原线圈匝数n1不变，分别取副线圈匝数n2=
n1，n1，2n1，用多用电表交流电压档分别测出副线圈两端的电压，记入表格。
（3）原线圈接低压交流电源6V，保持副线圈匝数n2不变，分别取原线圈匝数n1=
n2，n2，2n2，用多用电表交流电压档分别测出副线圈两端的电压，记入表格。
U1＝6V
实验次数
1
2
3
4
5
6
原线圈匝数n1
n1
n1
n1
n2
n2
n2
副线圈匝数n2
n1
n1
2n1
n2
n2
2n2
副线圈输出电压U2
结论
（4）总结实验现象，得出结论。
注意事项：
（1）连接好电路后，同组同学分别独立检查，然后由老师确认，电路连接无误才能接通电源。
（2）注意人身安全。
只能用低压交流电源，电源电压不能超过12V
（3）使用多用电表交流电压档测电压时，先用最大量程测试，然后再用适当的挡位进行测量。
2．电压与匝数的关系
电流通过变压器线圈是会发热，铁芯在交变磁场的作用下也会发热。
所以，变压器工作时存在能量损失。
没有能量损失的变压器叫做理想变压器。
，只适用于理想变压器。
实际上变压器的工作效率都很高，在一般的计算中，可以把实际变压器视为理想变压器。
理想变压器原线圈的输入功率与副线圈的输出功率有什么关系？
因为理想变压器没有能量损失，所以P出=P入
若理想变压器只有一个副线圈，则原副线圈中的电流I1与I2有什么关系？
据P出=U2I2，P入=U1I1及P出=P入得：
U2I2=U1I1
则：
上式是理想变压器只有一个副线圈时，原副线圈中的电流比公式。
如果副线圈的电压高于原线圈的电压，这样的变压器叫升压变压器；如果副线圈的电压低于原线圈的电压，这样的变压器叫降压变压器。
升压变压器，n2＞n1，降压变压器，n2＜n1。
升压变压器，I2I1。
在绕制升压变压器原副线圈时，副线圈导线应比原线圈导线粗一些好，还是细一些好？
降压变压器呢？
因为升压变压器，I2降压变压器，I2>I1，所以副线圈导线要比原线圈导线粗一些。
课后请大家阅读教材47页“科学漫步”，了解互感器的工作原理和应用。
（三）课堂总结、点评
本节课主要学习了以下内容：
1．变压器主要由铁芯和线圈组成。
2．变压器可改变交变电的电压和电流，利用了原副线圈的互感现象。
3．理想变压器：
没有能量损失的变压器，是理想化模型。
有
P输出=P输入
（四）实例探究
理想变压器基本规律
【例1】一个正常工作的理想变压器的原副线圈中，下列的哪个物理量不一定相等（）
A．交流的频率B．电流的有效值
C．电功率D．磁通量变化率
理想变压器的综合应用
【例2】如图所示为一理想变压器，K为单刀双掷开关，P为滑动变阻器的滑动触头，U1为加在原线圈两端的电压，I1为原线圈中的电流，则（）
A．保持U1及P的位置不变，K由a合到b时，I1将增大
B．保持U1及P的位置不变，K由b合到a时，R消耗功率减小
C．保持U1不变，K合在a处，使P上滑，I1将增大
D．保持P的位置不变，K合在a处，若U1增大，I1将增大
【例3】如图所示，接于理想变压器的四个灯泡规格相同，且全部正常发光，求三个线圈的匝数比n1∶n2∶n3.
（五）巩固练习
1．理想变压器的原线圈的匝数为110匝，副线圈匝数为660匝，若原线圈接在6V的电池上，则副线圈两端电压为（）
A.36VB.6VC.1VD.0V
2．当理想变压器副线圈空载时，副线圈的（）
A.负载电阻为0B.输出电流为0
C.两端电压为0D.输出功率为0
3．理想变压器原、副线圈的电流为I1、I2，电压为U1、U2，功率为P1、P2，关于它们的关系，正确的是（）
A.I2由I1决定B.U2与负载有关
C.P1由P2决定D.U1由U2决定
4．一理想变压器原线圈接交流、副线圈接电阻，下列哪些方法可使输入功率增加为原来的2倍（）
A.次级线圈的匝数增加为原来的2倍
B.初级线圈的匝数增加为原来的2倍
C.负载电阻变为原来的2倍
D.副线圈匝数和负载电阻均变为原来的2倍
5．用理想变压器给负载R供电，下列哪些办法可以减小变压器原线圈中的电流
A．
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