交变电流的产生和变化规律

教学目标

知识目标
　　1、知道正弦交流电是矩形线框在匀强磁场中匀速转动产生的．知道中性面的概念．
　　2、掌握交变电流的变化规律及表示方法，理解描述正弦交流电的物理量的物理含义．
　　3、理解正弦交流电的图像，能从图像中读出所需要的物理量．
　　4、理解交变电流的瞬时值和最大值，能正确表达出正弦交流电的最大值、有效值、瞬时值．
　　5、理解交流电的有效值的概念，能用有效值做有关交流电功率的计算．

能力目标
　　1、掌握描述物理规律的基本方法——文字法、公式法、图像法．
　　2、培养学生观察能力、空间想象能力、立体图转化为平面图进行处理问题的能力．
　　3、培养学生运用数学知识解决处理物理问题的能力．

情感目标
　　培养学生爱国主义精神及为富民强国认真学习的精神．

 

教学建议

教材分析以及相应的教法建议

　　1、交流与直流有许多相似之处，也有许多不同之处．学习中我们特别要注意的是交流与直流的不同之处，即交流电的特殊之处．这既是学习、了解交流电的关键，也是学习、研究新知识的重要方法．在与已知的知识做对比中学习和掌握新知识特点的方法，是物理课学习中很有效和很常用的方法．

　　在学习交变电流之前，应帮助学生理解直流电和交流电的区别．其区别的关键是电流方向是否随时间变化．同时给出了恒定电流的定义——大小和方向均不随时间变化．

　　2、对于交变电流的产生，课本采取由感性到理性，由定性到定量，逐步深入的讲述方法．为了有利于学生理解和掌握，教学中要尽可能用示波器或模型配合讲解．教学中应注意让学生观察教材中的线圈通过4个特殊位置时电表指针的变化情况，分析电动势和电流方向的变化，使学生对线圈转动一周中电动势和电流的变化有比较清楚的了解．有条件的，还可以要求学生运用已学过的知识，自己进行分析和判断．

　　3、用图像表示交变电流的变化规律，是一种重要方法，它形象、直观、学生易于接受．要注意在学生已有的图像知识的基础上，较好地掌握这种表述方法．更要让学生知道，交变电流有许多种，正弦电流只是其中简单的一种．课本中用图示的方法介绍了常见的几种，以开阔学生思路，但不要求引伸．

　　4、在这一节中学生要第一次接受许多新名词，如交变电流、正弦电流、中性面、瞬时回值、最大值（以及下一节的有效值）等等．要让学生明白这些名词的准确含义．特别是对中性面的理解，要让学生明确，中性面是指与磁场方向垂直的平面．当线圈位于中性面时，线圈中感应电动势为零，线圈转动过程中通过中性面时，其中感应电动势方向要改变．

　　5、课本上介绍的交变电流的产生，实际上是正弦交流电的产生．以矩形线框在匀强磁场中匀速转动为模型，以线框通过中性面为计时起点，得到电动势随时间满足正弦变化的交变电流．这里可以明确指出，电动势的最大值由线框的匝数、线框面积、转动角速度和磁感应强度共同决定．

　　6、课本将线框的位置与产生的电动势的对应起来，意图是帮助学生建立起鲜明的形象，把物理过程和描述它的物理规律对应起来．教师可以通过一些问题的提问，帮助学生理解有关内容，例如，如果在线框转到线框平面与磁感线平行时开始计时，它产生的电动势随时间变化的图像应是什么样的？

　　7、交流电的有效值、周期等概念的学习重在理解．

　　交流电的有效值概念是本章的重点，也是难点．课本中的交流电有效值定义特别强调是从使电阻产生热量等效这一方面来定义交流电的有效值的．教材中直接给出了正弦交流电流的有效值与最大值的关系式，但不要求证明，为了让学生更好地理解和熟悉有效值，课本上已经指出，交流电压表和电流表的示数都是有效值，家用电器上的标称也是有效值．

　　交流电的周期描述交流电的变化快慢．在一个周期时间内，交流电完成一次完全变化．在实际生活中，经常能见到的是交流电的频率．我国民用交流电的频率是50HZ．在一些欧美国家，交流电的频率是60HZ．

　　8、交流电的最大值、有效值、周期和频率都是描述交流电某一方面的特性，而交流电的图像却可以全面反映某一交流电的情况．所以，要求学生能够从交流电的图像中得到描述交流电的各个物理量．

教学重点、难点分析以及解决办法

　　1、重点：交变电流产生的物理过程的分析及中性面的特点．

　　2、难点：交变电流产生的物理过程的分析．

3、疑点：当线圈处于中性面时磁通量最大，而感应电动势为零．当线圈处于平行磁感线时，通过线圈的磁通量为零，而感应电动势最大．即 ， 有最大值； ， 的理解．

　　4、解决办法：

　　通过对矩形线圈在匀强磁场中匀速转动一周的实物演示，立体图结合侧视图的分析、特殊位置结合任一位置分析使学生了解交变电流的大小和方向是如何变化的．

　　通过侧视图分析线圈运动方向与磁场方向 之间关系，利用导体切割磁场线方法来处理，使问题容易理解．

 

教学设计方案

交流电的产生和变化规律

教学用具：交流发电机模型、演示电流表

教学过程：

一、知识回顾

教师：如何产生感应电流？

　　请运用电磁感应的知识，设计一个发电机模型．

学生设计：让矩形线圈在匀强磁场中匀速转动．

二、新课教学：

1、交变电流的产生

演示1：出示手摇发电机模型，并连接演示电流表．

　　当线圈在磁场中转动时，电流表的指针随着线圈的转动而摆动，线圈每转动一周指针左右摆动一次．

表明电流强度的大小和方向都做周期性的变化，这种电流叫交流电．

2、交变电流的变化规律

投影显示：矩形线圈在匀强磁场中匀速转动的四个过程．

分析：线圈bc、da始终在平行磁感线方向转动，因而不产生感应电动势，只起导线作用．

　　（1）线圈平面垂直于磁感线（甲图），ab、cd边此时速度方向与磁感线平行，线圈中没有感应电动势，没有感应电流．

教师强调指出：这时线圈平面所处的位置叫中性面．

中性面的特点：线圈平面与磁感线垂直，磁通量最大，感应电动势最小为零，感应电流为零．

　　（2）当线圈平面逆时针转过 时（乙图），即线圈平面与磁感线平行时，ab、cd边的线速度方向都跟磁感线垂直，即两边都垂直切割磁感线，这时感应电动势最大，线圈中的感应电流也最大．

　　（3）再转过 时（丙图），线圈又处于中性面位置，线圈中没有感应电动势．

　　（4）当线圈再转过 时，处于图（丁）位置，ab、cd边的瞬时速度方向，跟线圈经过图（乙）位置时的速度方向相反，产生的感应电动势方向也跟在（图乙）位置相反．

　　（5）再转过 线圈处于起始位置（戊图），与（甲）图位置相同，线圈中没有感应电动势．

　　在场强为 的匀强磁场中，矩形线圈边长为 ，逆时针绕中轴匀速转动，角速度为 ，从中性面开始计时，经过时间 ．线圈中的感应电动势的大小如何变化呢？

　　线圈转动的线速度为 ，转过的角度为 ，此时ab边线速度 以磁感线的夹角也等于 ，这时ab边中的感应电动势为：

　　同理，cd边切割磁感线的感应电动势为：

　　就整个线圈来看，因ab、cd边产生的感应电势方向相同，是串联，所以当线圈平面跟磁感线平行时，即 ，这时感应电动势最大值 ；

．

　　感应电动势的瞬时表达式为：

　　可见在匀强磁场中，匀速转动的线圈中产生的感应电动势是按正弦规律变化的．即感应电动势的大小和方向是以一定的时间间隔做周期性变化．

　　当线圈跟外电路组成闭合回路时，设整个回路的电阻为 ，则电路的感应电流的瞬时值为表达式 ．

　　感应电流瞬时值表达式为 ，这种按正弦规律变化的交变电流叫正弦式电流．

3、交流电的图像

　　交流电的变化规律还可以用图像来表示，在直角坐标系中，横轴表示线圈平面跟中性面的夹角（或者表示线圈转动经过的时间 ），纵坐标表示感应电动势 （感应电流 ）．

4、交流发电机

　　（1）发电机的基本组成

　　①用来产生感应电动势的线圈（叫电枢）．

　　②用来产生磁场的磁极．

　　（2）发电机的基本种类

　　①旋转电枢式发电机（电枢动磁极不动）．

　　②旋转磁极式发电机（磁极动电枢不动）．

　　无论哪种发电机，转动的部分叫转子，不动的部分叫定子．

三、小结：

　　1、交流电的产生

　　强度和方向都随时间做周期性变化的电流叫做交变电流，简称交流．

　　2、交流电的变化规律

　　感应电动势的瞬时表达式为： ．

　　感应电流瞬时值表达式： ．

　　3、交流电的图像

　　4、交流发电机

　　（1）发电机的基本组成：①电枢．②磁极．

　　（2）发电机的基本种类:①旋转电枢式发电机．②旋转磁极式发电机．

《交变电流的产生和变化规律》