交变电流教案

交变电流教案 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
选修3-2 §5.1《交变电流》
教学目标
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。

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。

情感、态度与价值观：
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
教学过程：
新课导入：
今天我们开始学习交变电流，交变电流是电磁感应现象的进一步延伸。

新课教学：
（一）探究手摇交流发电机输出电流的特点：
实验一：用手摇交流发电机对小灯泡供电
现象：小灯泡一闪一闪地发光
结论：电流的大小是周期变化的
实验二：用手摇交流发电机对并联的反向的发光二极管供电
现象：两个发光二极管轮流发光
结论：电流的方向是周期变化的
小结：手摇交流发电机的输出电流的大小和方向都随时间 做周期性的变化。

大小和方向都随时间做周期性变化的电流叫交变电流，简称交流（AC ） 方向不随时间变化的电流称为直流（DC ） 大小、方向均不随时间变化的电流叫恒定电流。

（二）探究交变电流的产生原理： 交流发电机的构造：
哪些边切割磁感线（
ab
和cd ） 问题讨论：
（1）在转动过程中，哪个位置线圈中没有电流，哪个位置线圈中没有电流，哪个位置线圈中电流最大？
物理学中把线圈平面垂直与磁感线的位置成为中性面。

线圈平面与磁感线垂直时，没有感应电流
线圈平面与磁感线平行时电流最大
2、你能判断出线圈从中性面开始逆时针转动一周中，线框中电流方向的规律吗？
3、你能总结线圈在转动过程中，电流的方向的变化规律吗？
线圈平面每经过中性面时，感应电流的方向就改变一次，线圈转动一周，感应电流的方向改变两次。

4、你能定性的分析出线圈从中性面转动半周过程中电流的大小变化规律吗？
从中性面开始转动过程中，电流从零逐渐变大到最大，再由最大减小到下一个中性面变为零。

a b
c
d
k
L
A
B
a
b
c
d
K L A
B
无电流
电流方向：d-a-b-c-d
a
b
c
d
k L A
B
a b
c
d
k L
A
B
a
b
c
d
K L A B
无电流
无电流
电流方向: a-d-c-b-a
（三）定量分析交变电流的变化规律：
AB 长为L 1，BC 长为L 2，转动的角速度为ω，磁感应强度为B 。

AB 边产生的感应电动势：θsin 1v nBL e AB =
AB 边的线速度：221L v ⋅
=ω，θωsin 21
21L nBL e AB ⋅=
θωθωsin sin 2
1
221nBS L nBL e e e CD AB =⋅⨯=+=
当线圈abcd 经过中性面时开始计时，t ωθ=，t E t nBS e m ωωωsin sin ==
m E 是感应电动势的最大值，叫做峰值。

由于电动势按正弦规律变化，当负载为电灯等用电器时，负载两端的电压u 、通过的电流i ，
也按正弦规律变化，t U u m ωsin =，t I i m ωsin =
这种按正弦函数规律变化的交变电流叫正弦式交变电流，简称正弦式电流。

思考：如果从线框平面与磁感线平行的位置开始计时，那么表达式如何？
t E t nBS e m ωωωcos cos ==
注意：两个特殊位置的不同特点：
（1）线圈平面与中性面重合时，B S ⊥，φ最大，0=e ，0=i ，电流方向发生改变；
（2）线圈平面与中性面垂直时，B S //，0=φ，e 最大，i 最大，电流方向不变；
正弦交变电流是一种最简单又最基本的交变电流，家庭电路的交变电流就是正弦交变电流。

实际中应用的交变电流，不只限于正弦交变电流，它们随时间变化的规律是各种各样的。

例1、发电机产生的按正弦规律变化的电动势最大值为311V ，其线圈共100匝，在匀强磁场中
常见的交流电
匀速转动的角速度为100πrad/s,从线圈经过中性面开始计时。

（1）写出当时的瞬时表达式。

（2）此发电机与外电路组成闭合电路时，总电阻为100Ω，求s t 600
1
=时的电流。

（3）线圈转过180°的过程中，电动势的平均值，电动势达到的最大值各是多少？
（4）磁通量变化率的最大值是多少？
解：（1）从中性面开始计时，)(100sin 311sin V t t E e m πω==
（2）)(100sin 11.3A t R e i π==，s t 6001=时，A A i 56.16
sin 11.3==π； （3）线圈经过180°过程中，磁通量变化BS 2=∆Φ，此时，ωπ
==∆2T t ，由法
拉第
电磁感应定律得这一过程中的平均电动势S nB t n
E ωπ
2
=∆∆Φ=，而S nB E m ω=，所以m E E π
2
=
=198（V ）
当线圈转过90°时，即在时刻ω
π
24=
=
T t 时电动势最大，311=m E （V ） （4）电动势最大时，由法拉第电磁感应定律可知磁通量的变化率也最大，
s Wb s Wb E n t m /11.3/3111001
1=⨯==∆∆Φ 例2、
一正弦交流发电机的电动势为t E e m ωsin =，若将此发电机的转速和磁场均增加一倍，试写出这时电动势的表达式。

解：t S nB e ωωsin )(=，当转速提高一倍时ωω2='，磁感应强度增加一倍时
B B 2='，所以m m
E E 4='，t E e m ω2sin 4='。

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 nω t,感应电动势的最大值为E m=NBSω。

（3）两个特殊位置的特点；
作业：创新课时训练P21-22。