人教版高中物理选修3-2《交变电流》导学案

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[课时 15]

适用年级

5、1 交变电流

高二 所需课时 1

教材分析

在高中阶段要求对交流电的产生、描述方法、基本规律作简要的介绍，这些知识是电磁

感应的引伸，所以在教学过程中对开阔学生思路、提高能力是很有好处的。

教材采取从感性到理性、从定性到定量逐渐深入的方法讲述这个问题 教材先用教具演示

矩形线圈在匀强磁场中匀速转动时产生交流电，以展示交流电是怎样产生的.并强调让学生观察 教材 32 图 5．１－３所示线圈通过甲、乙、丙、丁四个特殊位置时，电流表指针变化的情况， 分析电动势和电流方向的变化，这样学生就会对电动势和电流的变化情况有个大致的了解 然后 让学生用右手定则独立分析线圈中电动势和电流的方向.这样能充分调动学生的积极性,培养学 生的观察和分析能力.

关于交变电流的变化规律,教材利用上章学过的法拉第电磁感应定律引导学生进行推导,得 出感应电动势的瞬时值和最大值的表达式,进而根据闭合电路欧姆定律和部分电路欧姆定律推 出电流与电压瞬时值与最大值的表达式.

教学重点难点

重点：1、交变电流产生的物理过程的分析.

2、交变电流的变化规律的图象描述。

难点：交变电流的变化规律及应用. 三维目标

1、知识目标

（1）知道什么是交变流电。并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 （4）知道几种常见的交变电流。如正弦式交变电流、锯齿形交变电流、矩形脉冲电流。 2、能力目标

（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处理物理问题的能力. 3、情感、态度和价值观目标

结合实际情况培养学生理论联系实际的思想.

所需教学资源 （ 导学案、多媒体课件 PPT ）

信息化资源

教学支持环境

评价设计

网络资源

黑板、电脑、多媒体

采用启发式教学，围绕学习目标设计问题和例题，引导学生展开思路，帮

助学生认知。达标练习用于巩固。

学习活动设计（讲练结合、小组讨论、 板书演练评价）

流？ 分 建 小 轴

活动顺

序及

时间安

排

活动 1

认 识 交

流电

学生活动 教师活动 设计意图

［演示］老师手摇发电机模型.第一次发电机接小灯泡.当线框缓慢转动 时，小灯泡不亮；当线框快速转动时，小灯泡一闪一闪的.

第二次发电机接上示教电流计，当线框缓慢转动（或快速摆动），电 流计指针左右摆动.

思考问题：线圈中产生的是什么 样的电流？

这种电流就是我们家里电路是的 电流，它的大小和方向都随时间做周 期性的变化，这样的电流叫交变电流。 如果方向不随时间变化的电流称为直 流电。交流电和直流电之间可以相转 换。

一、基本概念

交流电、直流电、恒定电流。交流和直流主要区别在方向是否变化。

活动 2

自 主 合 作、探究 交流，电 流 和 时 间 的 规

律

二、交流电的产生

线圈在匀强磁场中绕垂直磁场方向的中心轴匀速转动。

三、为什么矩形线框在匀强磁场中匀速转动，线框里能产生交变电

思考问题： abcd 线框在磁场中绕 OO ′ 转动时，哪些边切割磁

感线？线框转到什么位置，产生感应电动势最大、感应电动势最小？

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.

当线框平面跟磁感线垂直时，ab 与 cd 边的速度方向跟磁力线平 行，即两边不切割磁力线，此时感应电动势为 0. 1、中性面

组，自主学

习，合作交 流展示自

我

a(b d(c)

a(b d(c)

d(c)

a(b

B ) )

(1).中性面——线框平面与磁力线垂直位置.

(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 I 感方向改变两次.

2、电动势与时间的规律探讨

如果从中性面开始计时，逆时针方向匀速转动，角速度 ω，经时 间 t ，线圈转到图示位置，ab 边与 cd 边的速度方向与磁场方向夹角为 ωt ，屏幕上打出线圈水平投影图，如图所示.

过程分析

d(c) a(b)

)

B

B B

a(b d(c B

甲 乙 丙 丁 戊

特殊位

置

B 与 S 的 关系 磁通量 Φ 的大小

甲

乙 丙 丁 戊

4 个过程

中

磁通量 Φ 的变化

Φ 的 变 化 电 流 方 向

率

?? ?t

设 ab =cd =l 1 磁感应强度 B ，bc =ad =l 2

这时 e ab =Bl 1l 2ωsin ωt

cd 边中 E 感跟 ab 边中感应电动势大小相同，又是串联在一起，此

时整个线框中感应电动势 ：e =e ab +e cd =Bl 1l 2ωsin ωt

1.在匀强磁场中，匀速转动线圈产生感应电动势及感应电流是按

正弦规律变化的.

瞬时表达式：e =Bl 1l 2ωsin ωt =BSωsin ωt

N 匝线圈时，相当于 N 个完全相同的电源来个串联 e =NBSωsin ωt .既能表示电动势大小，又能表示电动势方向.

其中最大值 E m =NBSω

线框和用电器构成回路 i =

e NBS ω

= sin ωt

R + r R + r

最大值 I m =

NBS ω

R + r

2.屏幕上使线圈转动.

如转 ωt =60°,150°,210°,300°时，请学生分别计算感应电动势的大小 和方向？

由于上面介绍的发电机的电动势按正弦规律变化，所以当负载为 电灯等用电器时，负载两端的电压 u 、和流过的电流 i ，也按正弦规律 变化，即

U= U m sin ωt ,

i =I m sin ωt

这种按正弦规律变化的交变电流叫做正弦式交变电流简称正弦式 电流。

结合数学知识，在直角坐标系中画出正弦式电流（如下图）

［演示］用示波器显示照明电路的电压波形.分析波形曲线特点， 如图所示.

活动 3

案例 一台发电机产生的按正弦规律变化的感应电动势的最大值 探 究 问 题

探究

解疑

为 311 V ，线圈在磁场中转动的角速度是 100πrad/s.

（1）写出感应电动势的瞬时值表达式.

（2）若该发电机只与含电阻的负载组成闭合电路，电路中的总电

师生同议

质疑释疑 提升能力

m 311

i/A

阻为 100 Ω，试写出通过负载的电流强度的瞬时表达式.在 t =

1

120

s 时

电流强度的瞬时值为多少？

解析：因为电动势的最大值 E m =311 V ，角速度 ω=100πrad/s ，所 以电动势的瞬时值表达式是 e=311sin100πt V.

E 根据欧姆定律，电路中电流强度的最大值为 Im= R = 100 =3.11 A ，所以通过负载的电流强度的瞬时值表达式是 i=3.11sin100πt A.

当 t = 1 120

s 时，电流强度的瞬时值为

活动 4 反

思 提高

活动 5 达

标 练 习

与答案

1 1

i=3.11sin(100π· )=311× =1.55 A.

120 2

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．

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． 基础达标

1、交流发电机在工作时电动势为 e= E m sinωt ，若将发电机的转 速提高一倍，同时将电枢所围面积减少一半，其它条件不变，则电动 势为（ ）

A 、e= E m sin （ωt/2）

B 、e= 2E m sin （ωt/2）

C 、e= E m sin2ωt

D 、e=

E m /2sin2ωt

2、如图是一个正弦交变 电流的 i —t 图象，根据这一图象，该

交流电的瞬时值表达式为

2

0.2

0.4

0.6 t/S

-2

， 电阻 R=311Ω，当线圈以 n=300r/min 的转速匀

?图象 : 是一条正弦曲线 ?

3、如图甲中所示，一矩形线圈 abcd 在匀强磁场中绕垂直于磁感线 的轴匀速转动，线圈所围面积的磁通量 Φ 随时间 t 变化的规律如图乙 所示，下列论述正确的是（ ） A 、t 1 时刻线圈中感应电动势最大；

B 、t 2 时刻导线 ad 的速度方向跟磁感线垂直；

C 、t 3 时刻线圈平面与中性面重合；

D 、t 4 、t 5 时刻线圈中感应电流方向相同

4、如图所示，一交流发电机的线圈在匀强磁场中匀速转动，线圈 匝数 N=100，线圈电阻 r=3Ω ab=cd

=0.5m ，bc=ad =0.4m ， 磁感应 强度 B=0.5T ，

O ψ b 速转动时，求：

c

B

⑴感应电动势的最大值；

⑵t=0 时刻，线圈在图示位置，写出此交变电 流电动势的瞬时值表达式；

a

d

答案 1 答案：C

2 答案：i=5sin(5πt ) O` V

R

活动 6

小结

活动 7

作业

板书 设计

3 答案：B C

4 答案：(1)100πV (2)e=100πcos(10πt)V 课堂小结

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、瞬时值、最大值（以及下一节的有效值）等等．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．

布置作业

《丛书》练习

?产生 : 矩形线圈在匀强磁场中 转动

交变电流 ?规律 : e = NBS ω sin ω t

?