【最新版】2014年秋高中物理 5.1 交变电流教案 新人教版选修3-2

5.1交变电流

一．教学设计：

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．要让学生明白交变电流、正弦电流、中性面、瞬时回值、最大值的准确含义；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．

二．教学目标：

1．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。

2．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。

3．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。

三．教学重点、难点：

1．重点：交变电流产生的物理过程的分析。

2．难点：交变电流的变化规律及应用。

四．教学方法：演示法、分析法、归纳法。

教具：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

五．教学过程：

1．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的电流，叫

做交变电流。

2．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？

多媒体课件打出右图。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t

ΔΔ =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

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90°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90°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90°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90°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．

推导：

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L

1，bc 边长L 2，磁感应强度为B ，这时ab 边产生的感应电动势

多大?

e ab =BL 1v sin ωt = BL 1·2

2L ωsin ωt =21BL 1L 2sin ωt 此时整个线框中感应电动势多大?

e =e ab +e cd =BL 1L 2ωsin ωt

若线圈有N 匝，相当于N 个完全相同的电源串联，e =NBL 1L 2ωsin ωt ，令E m =NBL 1L 2ω，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U m =I m R ，电压的瞬时值U =U m sin ωt 。

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

3．小结：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 =NBS ωs i n ωt ，

感应电动势的最大值为E m =NBS ω。

（3）中性面的特点：磁通量最大为Φm ，但e =0。

4．实例探究：

交变电流的图象、交变电流的产生过程

（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 ．t 1时刻通过线圈的磁通量为零

B ．t 2时刻通过线圈的磁通量的绝对值最大

C ．t 3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

（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 =E m sin ωt 。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

（3）如图所示，匀强磁场的磁感应强度B =2 T ，匝数n =6的矩形线圈abcd 绕中心轴OO ′

匀速转动，角速度ω=200 rad/s 。已知ab =0.1 m ，bc =0.2 m ，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；