2022-2023學年高中物理上學期第十八周 交變電流教學設計

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1、2022-2023學年高中物理上學期第十八周 交變電流教學設計 課題 第一節(jié) 交變電流 課時 １ 考點、知識點 1.交變電流和直流的概念． 2．交變電流的產生過程和電動勢與電流方向的變化規(guī)律． 3．正弦式交變電流的變化規(guī)律及表達式，知道中性面、瞬時值、峰值等概念． 學習目標 1.了解交變電流和直流的概念． 2．理解交變電流的產生過程和電動勢與電流方向的變化規(guī)律． 3．明確正弦式交變電流的變化規(guī)律及表達式，知道中性面、瞬時值、峰值等概念． 重、難點 1．理解交變電流的產生過程和電動勢與電流方向的變化規(guī)律．(重點) 2．明確正弦式交變電流

2、的變化規(guī)律及表達式，知道中性面、瞬時值、峰值等概念 學習環(huán)節(jié)和內容 學生活動建議 教師活動建議 調整記錄 環(huán)節(jié)一：交 變 電 流 [先填空] 1．恒定電流 大小和方向都不隨時間變化的電流，稱為恒定電流． 2．交變電流 (1)定義：大小和方向隨時間做周期性變化的電流，稱為交變電流，簡稱交流電． (2)正弦交變流電：電流隨時間按正弦函數(shù)規(guī)律變化的交變電流，簡稱正弦交流電． [再判斷] (1)交變電流即指的是正弦交流電．(×) (2)恒定電流就是直流電．() (3)電流方向做周期性變化的電流就為交變電流．() [后思考] 交變電流的大小是否一定變化？它與直流

3、電的最大區(qū)別是什么？ 【提示】　交變電流的大小不一定變化，如方形波電流，它與直流電的最大區(qū)別是方向發(fā)生周期性的變化． 交流互動，傾聽分享，為后面的課堂活動準備好積極的情緒。思考結合手搖發(fā)電機的實驗演示，電流的大小和方向變化情況 　　　 手搖發(fā)電機的實驗演示，電流的變化情況分析 環(huán)節(jié)二： [合作探討] 探討：探究交變電流的特點如圖2-1-1所示，把電流表接入到模型發(fā)電機的輸出端，搖動發(fā)電機的手柄，觀察電流表的指針擺動情況是怎樣的？電流表指針的擺動情況說明什么問題？ 圖2-1-1 【提示】　隨著線圈的轉動，電流表的指針不停地在“0”刻度線兩側左右擺動，

4、說明手搖發(fā)電機產生的電流大小、方向都處于變化中． [核心點擊] 1．直流、交流、恒定電流的特點 (1)電流分類：按電流的方向是否變化分直流和交流兩種，方向不變的電流稱為直流，方向變化的電流稱為交流． (2)直流分類：分為恒定電流和脈動直流，其中大小、方向都不隨時間改變的電流叫恒定電流，方向不隨時間改變而大小隨時間改變的電流叫脈動直流． (3)交流分類：按交流電圖像特點分正弦(或余弦)式交變電流、矩形波交變電流、鋸形波交變電流等． 2．交變電流與直流電的本質區(qū)別 (1)交變電流的大小不一定變化，如方形波交變電流，其大小可以是不變的；直流電的大小不一定不變． (2)交變電流與直流電

5、的最大區(qū)別在于交變電流的方向發(fā)生周期性變化，而直流電的方向不變． 環(huán)節(jié)三： 1．(xx·廣元高二檢測)下列四個圖像中不屬于交流電的是(　　) 【導學號：31310075】 【解析】　題圖中A、B、C中e的方向均做周期性變化，故它們屬于交流電，D中e的大小變化而方向不變，屬直流電． 【答案】　D 2.對于圖2-1-2所示的電流i隨時間t做周期性變化的圖像，下列說法中正確的是(　　) A．電流大小變化，方向不變，是直流電 B．電流大小、方向都變化，是交流電 C．電流的周期是0.02 s D．電流做周期性變化，是交流電 圖2-1-2 【解析】　方向隨時間做

6、周期性變化是交變電流最重要的特征．因為在此坐標圖中電流的方向用正負表示，所以此電流的方向沒有改變，是直流電，A正確，B、D錯；由圖像可以看出電流的周期是0.01 s，而不是0.02 s，C錯誤． 【答案】　A 環(huán)節(jié)四：正 弦 交 變 電 流 的 產 生 和 表 述 [先填空] 1．產生：閉合矩形線圈在勻強磁場中繞垂直磁場的軸勻速轉動時，線圈中產生的感應電流就是正弦交流電． 2．描述 函數(shù) 圖像 瞬時電動勢： e＝Emsinωt 瞬時電壓： u＝Umsinωt 瞬時電流： i＝Imsinωt 最大值表達式：Em＝NBSω. 3．中性面：線圈平面與磁場

7、垂直的位置． [再判斷] (1)只要閉合線圈在勻強磁場里勻速轉動就一定產生正弦交變電流．(×) (2)正弦交變電流的函數(shù)形式與計時起點有關．(√) (3)當線圈中的磁通量為零時，產生的電流也為零．(×) [后思考] 如圖2-1-3所示是線圈平面和磁場方向垂直的位置，即中性面位置，在此位置磁通量最大．在此位置為何線圈的電動勢為零，感應電流為零？ 圖2-1-3 【提示】　因為線圈a邊和d邊線速度方向與磁場方向平行，不切割磁感線，故電動勢為零，感應電流為零． 環(huán)節(jié)五： [合作探討] 在發(fā)電機模型中，線圈所處的位置和感應電動勢的大小有直接關系．請思考并回答下列問題： 探討1

8、：當線圈處于如圖2-1-4所示與中性面垂直的位置時，線圈的AB邊或CD邊切割磁感線的速度有何特點？線圈中的感應電流有何特點？穿過線圈的磁通量的變化率有何特點？ 圖2-1-4 【提示】　線圈處于與中性面垂直的位置時，線圈的AB邊或CD邊的速度方向與磁感線方向垂直，所以切割磁感線的速度最大，線圈中的感應電流最大，磁通量的變化率最大． 探討2：交變電流在一個周期內，電流方向改變幾次？線圈在哪個位置時電流的方向發(fā)生改變？ 【提示】　2次　線圈經過中性面時，線圈中電流的方向發(fā)生改變． [核心點擊] 1．產生 在勻強磁場中，繞垂直磁場方向的軸勻速轉動的線圈里產生的是交變電流，實驗裝置如圖

9、2-1-5所示． 圖2-1-5 2．過程分析 如圖2-1-6所示 圖2-1-6 線圈由甲位置轉到乙位置過程中，電流方向為b→a→d→c. 線圈由乙位置轉到丙位置過程中，電流方向為b→a→d→c. 線圈由丙位置轉到丁位置過程中，電流方向為a→b→c→d. 線圈由丁位置轉到甲位置過程中，電流方向為a→b→c→d. 3．兩個特殊位置對比 位置 中性面 中性面的垂面 磁通量 最大 零 磁通量變化率 零 最大 感應電動勢 零 最大 線圈邊緣切割磁感線的有效速度 零 最大 感應電流 零 最大 電流方向 改變 不變 4.瞬時值表達式的推導

10、 圖2-1-7 若線圈平面從中性面開始轉動，如圖2-1-7，則經時間t： ab邊的線速度跟磁感線方向的夾角：θ＝ωt ? ab邊轉動的線速度大?。簐＝ωR＝ω ? ab邊的感應電動勢：eab＝BLabvsin θ＝sin ωt ? 整個一匝線圈產生的電動勢：e＝2eab＝BSωsin ωt ? N匝線圈的總電動勢：e＝NBSωsin ωt＝Emsin ωt ? 純電阻電路：i＝＝sin ωt＝Imsin ωt ? 某個電阻R′：u＝iR′＝ImR′sin ωt＝Umsin ωt 5．峰值表達式 Em＝NBSω＝NΦmω Im＝ Um＝ImR′. 6．

11、正弦交變電流的瞬時值表達式 (1)e＝NBSωsin ωt＝Emsin ωt. (2)i＝＝sin ωt＝Imsin ωt. (3)u＝iR＝ImRsin ωt＝Umsin ωt. 上面各式中的e、i、u僅限于從中性面開始計時的情況．若從垂直于中性面(即從線圈平面與磁場平行時)開始計時，則上述表達式應為e＝Emcos ωt，i＝Imcos ωt，u＝Umcos ωt. 結合思考題，認真閱讀教材，分成小組討論，發(fā)表自己的見解。 學生自主思考，積極參與學習互動，主動進行交流。 學生體會科學工作者對待科學問題嚴肅認真的態(tài)度，嚴謹縝密的

12、思維習慣。 師生互動，解決共性問題 學生結合學案自主學習預習內容，積極總結回答。 教師組織學生，完成練習，并展示練習結果 (1)只要電流的方向發(fā)生周期性變化即為交變電流． (2)在i-t或u-t圖中，正負表示方向，在讀圖時不僅要注意圖像中的坐標原點是否為0，還要觀察i(u)的值有無正負變化． 環(huán)節(jié)六： 3．(多選)矩形線圈在勻強磁場中繞垂直磁場的軸勻速轉動，在線圈平面經過中性面瞬間(　　) 【導學號：31310076

13、】 A．線圈平面與磁感線平行 B．通過線圈的磁通量最大 C．線圈中的感應電動勢最大 D．線圈中感應電流的方向改變 【解析】　在線圈平面垂直于磁感線時，各邊都不切割磁感線，線圈中沒有感應電流，這樣的位置叫做中性面．根據(jù)這一定義，線圈平面經過中性面瞬間，通過線圈的磁通量最大，線圈中的感應電動勢為零，此時，感應電流的方向發(fā)生改變，所以選項B、D正確． 【答案】　BD 4．某線圈在勻強磁場中轉動所產生的電動勢變化規(guī)律為e＝Emsin ωt，保持其他條件不變，使該線圈的轉速和匝數(shù)同時增加一倍，則此時所產生的電動勢的瞬時表達式為(　　) A．e′＝2Emsin 2ωt　　　　　　B．e′＝

14、2Emsin ωt C．e′＝4Emsin 2ωt D．e′＝4Emsin ωt 【解析】　因ω＝2πn，故轉速加倍時，角速度也加倍，根據(jù)Em＝NBSω，轉速和匝數(shù)均加倍時，電動勢的峰值將變?yōu)樵瓉淼?倍，所以選項C正確． 【答案】　C 5．(xx·成都高二檢測)如圖2-1-8(a)所示，一矩形線圈abcd放置在勻強磁場中，并繞過ab、cd中點的軸OO′以角速度ω逆時針勻速轉動．若以線圈平面與磁場夾角θ＝45°時如圖(b)為計時起點，并規(guī)定當電流自a流向b時電流方向為正．下列四個選項中正確的是(　　) 【導學號：31310077】 圖2-1-8 【解析】　當從圖(b)

15、所示位置轉過時刻，線圈處在中性面位置，感應電流為零，且在此段轉動時間內電流方向為從b流向a，故選項B正確． 【答案】　B 6．有一10匝正方形線框，邊長為20 cm，線框總電阻為1 Ω，線框繞OO′軸以10π rad/s的角速 圖2-1-9 度勻速轉動，如圖2-1-9，垂直于線框平面向里的勻強磁場的磁感應強度為0.5 T．問： (1)該線框產生的交變電流電動勢最大值、電流最大值分別是多少？ (2)線框從圖示位置轉過60°時，感應電動勢的瞬時值是多大？ (3)寫出感應電動勢隨時間變化的表達式． 【解析】　(1)交變電流電動勢最大值為Em＝NBSω＝10×0.5×0.22×10

16、π V＝6.28 V 電流的最大值為Im＝Em/R＝ A＝6.28 A. (2)線框轉過60°時，感應電動勢 E＝Emsin 60°＝5.44 V. (3)由于線框轉動是從中性面開始計時的，所以瞬時值表達式為e＝Emsin ωt＝6.28sin 10πt V. 【答案】　(1)6.28 V　6.28 A　(2)5.44 V (3)e＝6.28sin 10πt V 小結 第一節(jié)學習的知識 在第一節(jié)內容學習中，我們學了哪些知識？請同學們歸納總結。 確定正弦式交變電流瞬時值表達式的基本方法 1．明確線圈從什么位置開始計時以確定瞬時值表達式正弦函數(shù)0時刻的角度． 2．確定線圈轉動的角速度、線圈的面積、匝數(shù)，從而確定感應電動勢的最大值． 3．根據(jù)e＝Emsin ωt寫出正弦式交變電流的表達式．