(交流电的产生和变化规律)教学设计方案

高二物理交变电流的产生和变化规律

作品来源：选用的教材是人民教育出版社2011年出版的物理选修3-2，供高二年级学生选修，作品内容来自此书的第五章交变电流的第一节交变电流。

一、教学目标

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以及中性面的准确含义.

4．培养学生运用数学知识解决、处理物理问题的能力.

二、教学重点：交变电流产生的物理过程分析和中性面的特点.

三、教学难点：交变电流产生的物理过程分析

四、教学方法：讲练结合、演示实验

五、课时安排：1课时

六、教具：手摇发电机模型、演示用电流计、导线、示波器等

七、教学过程

（一）引入新课

教师：请同学们用电磁感应的知识，设计一个发电机的实验模型。

引导学生发挥创造性思维，展开讨论，提出设计方案。教师通过参与学生的讨论，提出两个典型的例子，并与学生一起讨论哪个更有实用价值。培养学生的创造性思维。

结论：让矩形线圈在匀强磁场中匀速转动。

［演示实验］

1．简单介绍交流发电机的构造

2．第一次发电机接入小灯泡，当转动线圈时，小灯泡亮了，但一闪一闪。第二次接入演示用电流计，慢慢转动线圈，可以看到线圈每转一周，电表指针左右摆动一次。

问：刚才的实验表明线圈里产生的感应电流有何特征？

答：感应电流的强度和方向都随时间作周期性变化。

指出：我们把这种强度和方向都随时间作周期性变化的电流叫做交变电流。简称交流。［板书］

在现代工农业生产和日常生活中所用的电源，大都是交流电。同直流电相比，交流电有许多优点。交流电和直流电存在共同点，但是尤其应注意的是交流电不同于直流电的特殊性，正是这些特殊性，构成了交流电优点的基础。

（二）进行新课 1．交变电流的产生

设问：矩形线圈在匀强磁场中匀速转动，为什么会产生交变电流呢？

讨论课文图17－2，发电机的工作原理。

问：线框逆时针匀速转动过程中，哪些边在切割磁感线？（ab 和cd ）

ab 边和cd 边在匀强磁场中做匀速圆周运动，切割磁感线，在线框中产生感应电动势，在电路中就产生感应电流。

［演示实验］缓慢转动线框，当线框平面与磁感线平行时，就会发现此时感应电动势最大。继续转动线框，当学生发现指针偏角最小，即此时线框平面与磁感线垂直。

我们把与磁感线垂直的平面称为中性面，线框处于中性面时通过的磁通量最大，感应电流、感应电动势为零。

为了能更加方便地说明问题，我们将立体图转化为平面图来分析。

甲图线框处于中性面，ab 边和cd 边不切割磁感线，线框中E 感＝0，I

感＝0， 乙图线框ab 边和cd 边都在切割磁感线，线框中产生感应电流，根据右手定则可知，感应电流是沿

abcd 方向流动的。

丙图（同甲图）

丁图线框ab 边和cd 边都在切割磁感线，线框中产生感应电流，根据右手定则可知，感应电流是沿dcba

方向流动的。

戊图（同甲图）

可以看出，线框每经过一次中性面，感应电流的方向就改变一次，因此线框每转动一周，

（甲） （乙）

（丙） （丁） （戊）

甲

戊

a(b) d(c)

乙

丙 d(c) 丁

感应电流的方向改变两次。

2．交变电流的图像和变化规律

定量分析线框转动一周过程中感应电动势大小随时间的变化关系。

设线框平面从中性面开始转动，角速度是ω，经时间t 线框转过的角度是ωt ，ab 边的线速度v 的方向跟磁感线方向的夹角也等于ωt ，ab 边的长度为L ，磁感强度为B ，则ab 边的感应电动势是

E ab ＝Blvsin ωt

Cd 边中的感应电动势跟ab 边中的感应电动势大小相同，且两边又是串联，所以这一瞬间整个线框中的感应电动势

e ＝2 Blvsin ωt 令E m ＝2 Blv 即e ＝E m sin ωt

i ＝e/R ＝E m sin ωt/R=I m sin ωt

总结：交变电流的大小和方向都随时间按正弦规律变化。 因此，交变电流的规律也可以用图像来表示。

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t ），纵坐标表示感应电动势e （感应电流I ）。

3、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

E -E

（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

【例题】一矩形线圈，面积为s ，匝数为N ，在场强为B 的匀强磁场中绕着中轴oo’做匀速转动，角速度为ω，磁场方向与转轴垂直，当线圈转到中性面开始计时，求：（1）线圈中感应电动势的最大值？（2）线圈中感应电动势随时间变化的表达式？（3）若线圈中的电阻为R ，则线圈中的电流的最大值为多少？ （4）线圈中的电流瞬时表达式

（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，俗称交流电。 2、交流电的变化规律感应电动势的瞬时表达式为e= Bs ωsin ωt=εm sin ωt 感应电流瞬时值表达式 i=I m sin ωt

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

ω

εωεεωωωωωωωNBs t NBs Ne N t Bs t l Bl e e t l Bl t Blv e e m ab cd =========感应电动式的最大值匝时当线圈为对于单匝线圈解：sin sin sin 2sin 2

sin )1(212

1ab