人教版高中物理选修3-2第五章交变电流全单元课程同步课件

第五章交变电流●本章概述本章讲述交变电流知识，是前面学过的电和磁的知识的发展和应用，并且与生产和生活有密切关系.本章重点内容是：交变电流的产生原理和变化规律，交变电流的性质和特点，变压器的工作原理，交变电流的传输及应用.这些知识点是高考命题率较高的知识点.与直流电相比，交变电流有许多优点，交变电流可以利用升压变压器升高或降低电压，便于远距离输送，可以驱动结构简单运行可靠的感应电动机。

为了有利学生学习交流电的特点，更好的区分交流与直流，本章还介绍了电感和电容在交变电流中的作用，使学生了解感抗与容抗的有关知识.本章可分为三个单元：第一单元：第一节和第二节，讲交变电流的产生和描述.第二单元：第三节，讲电感和电容对交变电流的作用.第三单元：第四节和第五节，讲变压器和电能的输送.第一节交变电流●本节教材分析为了适应学生的接受能力，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图17—2所示线圈通过五个特殊位置时，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.用图表表示交流电的变化规律是一种重要的方法,这种方法直观、形象,学生容易接受.这样做也是为后面用图象表示三相交流电准备条件,在电磁波的教学中还要用到图象的方法.在介绍了交流电的周期和频率后,可通过练习巩固学生对交流电图象的认识.在本节学生第一次接触到许多新名词,如:交流电、正弦交流电、中性面、瞬时值、最大值等.要让学生搞清楚这些名词的准确含义.要使学生了解交流电有许多种,正弦交流电是其中简单的一种,在本章教材中常把正弦交流电简称交流电.要使学生明确中性面是指与磁场方向垂直的平面.中性面的特点是:线圈位于中性面时,电动势为零;线圈通过中性面时,电动势的方向要改变.要向学生指出,一般科技书中都用小写字母表示瞬时值,用大写字母并加脚标，m 表示最大值.●教学目标一、知识目标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及中性面的准确含义.二、技能目标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物理问题的能力.三、情感态度目标培养学生理论联系实际的思想.●教学重点交变电流产生的物理过程的分析.●教学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.●教学用具手摇单相发电机、小灯泡、示波器、多媒体教学课件、示教用大的电流表.●课时安排1课时●教学过程一、引入新课［师］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?［生］小灯泡一闪一闪的.［师］再将手摇发电机模型与示教电流表组成闭合电路,当线框缓慢转动(或快速摆动)时,观察到什么?［生］电流表指针左右摆动.［师］线圈里产生的是什么样的电流？请同学们阅读教材后回答.［生］转动的线圈里产生了大小和方向都随时间做周期性变化的交变电流.［师］现代生产和生活中大都使用交流电.交流电有许多优点，今天我们学习交流电的产生和变化规律.二、新课教学1.交变电流的产生［师］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？［生］对这个问题有浓厚的兴趣,讨论热烈.［师］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?［生］ab与cd.［师］当ab边向右、cd边向左运动时,线圈中感应电流的方向如何?［生］感应电流是沿着a→b→c→d→a方向流动的.［师］当ab 边向左、cd 边向右运动时,线圈中感应电流的方向如何?［生］感应电流是沿着d →c →b →a →d 方向流动的.［师］正是这两种情况交替出现,在线圈中产生了交变电流.当线圈转到什么位置时,产生的感应电动势最大?［生］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. ［师］线圈转到什么位置时,产生的感应电动势最小?［生］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.［师］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位置.(2)线圈处于中性面位置时,穿过线圈Φ最大,但tΔΔφ=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?［生］e ab =BL 1vsin ωt =BL 1·22L ωsin ωt =21BL 1L 2sin ωt ［师］cd 边中产生的感应电动势跟ab 边中产生的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多大?［生］e =e ab +e cd =BL 1L 2ωsin ωt［师］若线圈有N 匝时,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,叫做感应电动势的最大值,e 叫做感应电动势的瞬时值.请同学们阅读教材,了解感应电流的最大值和瞬时值.［生］根据闭合电路欧姆定律,感应电流的最大值I m =rR E m +,感应电流的瞬时值i =I m s i n ωt . ［师］电路的某一段上电压的瞬时值与最大值等于什么?［生］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 .［师］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、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=NBSωs i nωt,感应电动势的最大值为E m=NBSω.3.中性面的特点：磁通量最大为Φm，但e=0.四、作业（略）五、板书设计六、本节优化训练设计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，则下列说法中正确的是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.每当电动势E变换方向时，通过线圈的磁通量的绝对值都为最大2.一台发电机产生的按正弦规律变化的感应电动势的最大值为311 V ，线圈在磁场中转动的角速度是100π rad/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，电路中的总电阻为100 Ω，试写出通过负载的电流强度的瞬时表达式.在t =1201 s 时电流强度的瞬时值为多少？ 3.一个矩形线圈在匀强磁场中转动产生交流电压为u=2202s i n100πt V ，则A.它的频率是50 HzB .当t =0时，线圈平面与中性面重合C.电压的平均值是220 VD.当t =2001 s 时，电压达到最大值 4.交流发电机工作时的电动势的变化规律为e =E m s i n ω t ，如果转子的转速n 提高1倍，其他条件不变，则电动势的变化规律将变化为A.e =E m s in 2ω tB.e =2E m s in 2ω tC.e =2E m s in 4ω tD.e =2E m s in ω t参考答案：1.D2.解析：因为电动势的最大值E m =311 V ，角速度ω=100 π rad/s ，所以电动势的瞬时值表达式是e =311s in 100π t V.根据欧姆定律，电路中电流强度的最大值为I m =100311 R E m A=3.11 A ，所以通过负载的电流强度的瞬时值表达式是i =3.11s in 100π t A.当t =1201 s 时，电流的瞬时值为 i =3.11s in (100π·1201)=3.11×21A=1.55 A. 3.ABD4.B●备课资料1.抽水蓄能发电电被称为现代文明的血液.一天当中的不同时段,比如生产、生活最忙碌的时候,与夜晚夜深人静之际,对电的使用量往往相差十分悬殊.而电力又不能直接大量贮存.这就要求电网具有灵活的调节能力,在高峰时增加供电,而在低谷时又减少供电.否则电网的电压就会与标准不符,不仅用户无法正常用电,电网的运行安全也会受到威胁.水电、火电、核电是目前电网大规模发电的主要形式,也是电网调节的主要形式.其中水电机组开停机迅速,调节能力最强;而火电机组从开机到满负荷工作或反之运行的时间往往需要近10个小时,跟不上网内的负荷变化,调节能力很差;而核电机组由于技术和安全方面的原因,基本上没有调节能力.华北电网占装机容量97%以上的是火电机组.华北属于缺电地区,用电高峰时全部机组满负荷运行也难以满足用电需求,所以不得不频繁地拉闸限电;而在低谷时电网内又有大量过剩的电能需要削减.那么,是否可以把低谷的剩余电量贮存起来,补充高峰时的供电不足,从而提高华北电网的调节能力呢?循着这样的思路,1992年9月,十三陵抽水蓄能电站破土动工了.从工程结构上说,抽水蓄能电站包括两个具有水平垂直高差的水库,分别叫作上水库和下水库.十三陵抽水蓄能电站的下水库是早已建成的十三陵水库;上水库建在十三陵水库左岸蟒山后面的上寺沟内.上下水库间的落差有480 m.上水库的总库容为400万立方米.上下水库之间的山体内建有地下厂房和附属洞室,装备了既可做水泵也可做水轮机运行的蓄能机组.十三陵抽水蓄能电站的地下厂房面积为4000 m2,它装备的是4台20万kW的水泵水轮电动发电机组.连接上下水库和地下厂房的水道系统主要由进出水口、调压节隧洞以及隧洞内铺设的巨大的高压管道组成.抽水蓄能电站是依照能量转换原理工作的.在午夜之后的用电低谷蓄能机组做水泵运行,用电网内多余的电能把水库的水抽到上水库,把电能转换成势能贮存起来;在用电高峰时,机组又成为发电机,由上水库向下水库放水,像常规水电站一样,把水的势能转换成电能,返送回电网补充供电的不足.这样,在蓄水放水,耗电发电的循环过程中,电站对电网负荷的高峰和低谷起到调节作用.十三陵抽水蓄能电站建成后,每年可吸收16.5亿千瓦时的低谷剩余电量,提供12亿千瓦时的高峰电量.如果按1千瓦时高峰电量可创4~6元产值计算,每年可创社会产值50~70亿元.更重要的是抽水蓄能电站增强了华北电网的调节能力,保证了整个电网的安全经济运行.目前抽水蓄能发电在我国呈现出蓬勃发展的势头.除十三陵抽水蓄能电站外,全国还有好几个抽水蓄能电站,有的正在兴建中,有的已经投入运行.2.崛起的新能源——核电电力是国民经济发展的命脉.目前世界电力主要由火电、水电和核电构成.火电是靠燃烧煤、石油等化石燃料获得的.作为不可再生的自然资源,化石燃料储量有限,而且都是重要的化工和轻纺工业原料.化石燃料的燃烧还会对环境造成很大污染,是造成“酸雨”“温室效应”等环境问题的元凶.水电是可再生资源,而且不会污染环境,但它的限制条件较多,如水资源分布不均,水流量的季节变化会导致发电量的变化.只有核电能够既满足电力需求,又不污染环境.自1954年苏联建成世界上第一座核电站至今,全球已有30多个国家建起了440多台机组,总装机容量达到3亿多千瓦,其中法国、美国、日本、德国、英国等经济发达国家的核电都超过本国总发电量的20%,法国甚至达到70%以上.作为一个人口众多的发展中国家,我国的电力工业一直在稳步发展,装机容量和年发电量分别排世界第四位和第三位.但人均发电量排在世界第80位,仅为世界平均水平的1/3.1996年全国电力缺口在20%左右,远远不能满足快速增长的国民经济发展的需求.我国将近70%的煤炭资源分布在华北和西北,工业发达和人口密集的东南沿海地区的煤炭和水力资源都很匮乏,国家每年都要投入巨资进行“北煤南运”.我国初步规划2000~2020年新增装机容量5亿千瓦.如果全部建成火电站发电用煤需要13亿吨,这无论从煤的新增产量、远距离运输,还是从生态环境等各方面看,都存在巨大困难,可以说发展核电是中国解决能源问题的一条重要途径.有关部门预测,21世纪将是中国核电大发展的时期.1991年中国大陆实现了核电零的突破.现在已有两座核电站3台核电机组共210万千瓦装机容量,其发电量占全国发电总量的1.27%.国家“九五”计划和2010年远景规划目标纲要指出:贯彻因地制宜、水火并举,适当发展核电的方针.计划到2010年投运的核电站总装机容量达到2000万千瓦左右.目前,东南沿海地区都把建造核电站作为解决当地能源问题的重要途径,对发展核电有很高的积极性.秦山核电站和大亚湾核电站的安全稳定运行为中国的核电发展开了个好头，已充分显示了核电安全、清洁、经济的优越性.“九五”期间，我国计划建造的四座核电站八台机组共660万千瓦,现已全面开始建造.可以说，发展核电已成为我国能源政策的一部分，作为20世纪中叶崛起的新能源，它在中国有着光明的发展前景.第二节 描述交变电流的物理量●本节教材分析教材把交流电与直流电对比说明，描述交流电的特性需要一些新的物理量.交流电的电动势、电压、电流是随时间变化的，教材介绍了用公式法和图象描述交流电如何随时间变化的方法，我们可向学生说明，这种描述是详细、全面的，但应用时常常不方便.实用中经常需要知道交流电某一方面的特性，因此需要引入反映交流电某一方面特性的物理量.如：最大值说明交流电在变化过程中所能达到的最大数值，反映了交流电变化的范围；交流电是周期性变化的，周期、频率说明交流电变化的快慢；有效值说明交流电产生的平均效果.教学中的难点是交流电有效值的概念，这也是教学重点.为了引入有效值，可以提出：交流电随时间变化，产生的效果也随时间变化.但实用上常常只要知道交流电的平均效果就可以了，怎样衡量交流电的平均效果呢？可以配合做一个演示实验：用两个相同的小电珠A 、B ，一个接在直流电源上，一个接在交流电源上，让两个小电珠发光情况相同.同学通过观察和思考了解：B 灯通过的是交流电流，大小、方向随时间变化，但在相同时间内交流电流与直流电流产生的热量相同，所以B 灯发光与A 灯相同.我们引导学生得出：通过A 灯的直流电流I 与通过B 灯的交流电流i 产生的效果相同，可以把直流电流的大小I 作为衡量交流电流i 产生的平均效果.在此基础上给出有效值比较准确的定义，并让学生进一步体会有效值的物理意义是什么？有效值与最大值的关系教材是直接给出的，教材不要求证明2的关系，但我们要使学生了解I ＜I m 和I ≠20m I .有效值的物理意义、有效值与最大值的关系非常重要，要让学生很好地了解和熟悉.有必要强调说明交流电的有效值用得很多，因此，如果不加特别的说明，提到交流电的电流、电压、电动势时，指的都是有效值.交流电表测得的电流、电压也是有效值.还可考虑分别用直流电流表、交流电流表和直流电压表、交流电压表测量刚才的A 、B 灯的电流、电压，让学生看到两者的数值相同，并让学生说出交流电的最大值.我们可考虑让学生对交流电的描述作小结，使学生明确：全面、详细描述交流电的是公式和图象；最大值、有效值、周期、频率等物理量是描述交流电某一方面的特性的.根据交流电的图象、公式可知最大值、周期，从而可知有效值、频率.●教学目标一、知识目标1.理解什么是交变电流的最大值和有效值，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、能力目标能应用数学工具描述和分析处理物理问题.三、德育目标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.●教学重点交变电流有效值概念.●教学难点交流电有效值概念及计算.●教学方法在教师指导下的启发式教学.●教学用具电源、电容器、灯泡“6 V 0.3 A”、幻灯片、手摇发电机.●课时安排1课时●教学过程一、引入新课［师］上节课讲了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流电.如何描述交流电的变化规律呢？［生1］可以用公式法描述.从中性面开始计时，得出瞬时电动势：e=E m sinωt瞬时电流：i=I m sinωt.瞬时电压：u=U m sinωt.其中E m=NB Sω［生2］可以用图象法描述.如图所示：［师］交流电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流电的物理量.二、新课教学1.交变电流的最大值（E m,I m,U m）［师］交变电流的最大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（8 V，500 μF）接在学生电源上充电，接8 V电压时电容器正常工作，接16 V电压时，几分钟后闻到烧臭味，后听到爆炸声.［师］从这个实验中可以发现：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.但是交流电的最大值不适于表示交流电产生的效果，在实际中通常用有效值表示交流电流的大小.2.有效值（E 、I 、U ）［演示］如下图所示，将两只“6 V 、0.3 A ”的小电珠A 、B ，一个接在6 V 的直流电源上，一个接在有效值为6 V 的交流电源上，观察灯的亮度.［生］两灯的亮度相同.［师］让交流电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流电的有效值.通常用大写字母U 、I 、E 表示有效值.3.正弦交流电的有效值与最大值的关系［师］计算表明，正弦交流电的最大值与有效值有以下关系：I =2mI =0.707I m U =2mU =0.707U m［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）交流电表（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.4.周期和频率［师］请同学们阅读教材，回答下列问题：（1）什么叫交流电的周期？（2）什么叫交流电的频率？（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？［生1］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. ［生2］交变电流在1 s 内完成周期性变化的次数，叫做交变电流的频率，用f 表示. ［生3］T =f1 ［生4］我国使用的交流电频率f =50 Hz,周期T =0.02 s.［师］有个别欧美国家使用交流电的频率为60 Hz.5.例题分析［投影］［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.52AB.5 AC.3.52 AD.3.5 A解析：设交变电流的有效值为I ，据有效值的定义，得I 2R T =（42）2R 2T +（32）2R 2T 解得I =5 A综上所述应选择B.［投影］［例2］ 交流发电机矩形线圈边长ab =cd =0.4 m ，bc =ad =0.2 m ，共50匝，线圈电阻r=1 Ω，线圈在B =0.2 T 的匀强磁场中，绕垂直磁场方向的轴OO ′以π100r/s 转速匀速转动，外接电阻9 Ω，如图所示.求：（1）电压表读数；（2）电阻R 上电功率.解析：（1）线圈在磁场中产生：E m =NB S ω=50×0.2×0.4×0.2×π100×2π V=160 VI =102160)(⨯=+r E R 2mA=82 AU =I R=722 V 101.5 V（2）P =UI =722×82 W=1152 W三、小结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：最大值、有效值、周期、频率.2.正弦式交流电最大值与有效值的关系：I =2mI ,U =2mU .3.交流电的周期与频率的关系：T =f1. 四、作业（略） 五、板书设计六、本节优化训练设计1.把220 V 的正弦式电流接在440 Ω电阻两端，则该电阻的电流峰值 A.0.5 A B.0.52 A C.22 AD.2 A2.电路如图所示，交变电流电源的电压是6 V ，它跟电阻R 1、R 2及电容C 、电压表一起连成如图电路.忽略电源内阻，为保证电容器不击穿，电容器耐压值U 2和电压表示数U 1分别为A.U 1=62 VB.U 2=6 VC.U 1=6 VD.U 2≥62V3.两个相同电阻分别通以下图两种电流，则在一个周期内产生的热量Q A ∶Q B =_______.4.关于正弦式电流的有效值，下列说法中正确的是 A.有效值就是交流电在一周期内的平均值B.交流电的有效值是根据电流的热效应来定义的C.在交流电路中，交流电流表和交流电压表的示数表示的都是有效值D.对于正弦式电流 ，最大值的平方等于有效值平方的2倍参考答案：1.B2.CD3.1∶24.BCD ●备课资料1.如何计算几种典型交变电流的有效值？ 答：交流电的有效值是根据电流的热效应规定的.让交变电流和直流电通过同样的电阻，如果它们在同一时间内产生的热量相等，就把这一直流电的数值叫做这一交流电的有效值.解析：通常求交变电流的有效值的类型有如下几种： （1）正弦式交流电的有效值此类交流电满足公式e =E m s in ω t ,i =I m s in ω t它的电压有效值为E =2m E ，电流有效值I =2m I对于其他类型的交流电要求其有效值，应紧紧把握有效值的概念.下面介绍几种典型交流电有效值的求法.（2）正弦半波交流电的有效值若将右图所示的交流电加在电阻R 上，那么经一周期产生的热量应等于它为全波交流电时的1/2，即U 半2T /R=21（R T U 2全），而U 全=2m U ，因而得U 半=21U m ，同理得I 半=21I m .（3）正弦单向脉动电流有效值因为电流热效应与电流方向无关，所以左下图所示正弦单向脉动电流与正弦交流电通入电阻时所产生的热效应完全相同，即U =2m U ，I =2m I .（4）矩形脉动电流的有效值如右上图所示电流实质是一种脉冲直流电，当它通入电阻后一个周期内产生的热量相当于直流电产生热量的T t，这里t 是一个周期内脉动时间.由I 矩2R T =（Tt ）I m 2RT 或（R U 2矩）。