新人教版高中物理選修3-2同步教案 第5章 5-2 描述交流電的物理量

1、第二節(jié) 描述交變電流的物理量本節(jié)教材分析教材把交流電與直流電對(duì)比說(shuō)明，描述交流電的特性需要一些新的物理量.交流電的電動(dòng)勢(shì)、電壓、電流是隨時(shí)間變化的，教材介紹了用公式法和圖象描述交流電如何隨時(shí)間變化的方法，我們可向?qū)W生說(shuō)明，這種描述是詳細(xì)、全面的，但應(yīng)用時(shí)常常不方便.實(shí)用中經(jīng)常需要知道交流電某一方面的特性，因此需要引入反映交流電某一方面特性的物理量.如：最大值說(shuō)明交流電在變化過(guò)程中所能達(dá)到的最大數(shù)值，反映了交流電變化的范圍；交流電是周期性變化的，周期、頻率說(shuō)明交流電變化的快慢；有效值說(shuō)明交流電產(chǎn)生的平均效果.教學(xué)中的難點(diǎn)是交流電有效值的概念，這也是教學(xué)重點(diǎn).為了引入有效值，可以提出：交流電隨時(shí)間

2、變化，產(chǎn)生的效果也隨時(shí)間變化.但實(shí)用上常常只要知道交流電的平均效果就可以了，怎樣衡量交流電的平均效果呢？可以配合做一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)：用兩個(gè)相同的小電珠A、B，一個(gè)接在直流電源上，一個(gè)接在交流電源上，讓兩個(gè)小電珠發(fā)光情況相同.同學(xué)通過(guò)觀察和思考了解：B燈通過(guò)的是交流電流，大小、方向隨時(shí)間變化，但在相同時(shí)間內(nèi)交流電流與直流電流產(chǎn)生的熱量相同，所以B燈發(fā)光與A燈相同.我們引導(dǎo)學(xué)生得出：通過(guò)A燈的直流電流I與通過(guò)B燈的交流電流i產(chǎn)生的效果相同，可以把直流電流的大小I作為衡量交流電流i產(chǎn)生的平均效果.在此基礎(chǔ)上給出有效值比較準(zhǔn)確的定義，并讓學(xué)生進(jìn)一步體會(huì)有效值的物理意義是什么？有效值與最大值的關(guān)系教材是直接

3、給出的，教材不要求證明的關(guān)系，但我們要使學(xué)生了解IIm和I.有效值的物理意義、有效值與最大值的關(guān)系非常重要，要讓學(xué)生很好地了解和熟悉.有必要強(qiáng)調(diào)說(shuō)明交流電的有效值用得很多，因此，如果不加特別的說(shuō)明，提到交流電的電流、電壓、電動(dòng)勢(shì)時(shí)，指的都是有效值.交流電表測(cè)得的電流、電壓也是有效值.還可考慮分別用直流電流表、交流電流表和直流電壓表、交流電壓表測(cè)量剛才的A、B燈的電流、電壓，讓學(xué)生看到兩者的數(shù)值相同，并讓學(xué)生說(shuō)出交流電的最大值.我們可考慮讓學(xué)生對(duì)交流電的描述作小結(jié)，使學(xué)生明確：全面、詳細(xì)描述交流電的是公式和圖象；最大值、有效值、周期、頻率等物理量是描述交流電某一方面的特性的.根據(jù)交流電的圖象、公

4、式可知最大值、周期，從而可知有效值、頻率. 教學(xué)目標(biāo)一、知識(shí)目標(biāo)1.理解什么是交變電流的最大值和有效值，知道它們之間的關(guān)系.2.理解交變電流的周期、頻率以及它們之間的關(guān)系.知道我國(guó)生產(chǎn)和生活用電的周期（頻率）的大小.二、能力目標(biāo)能應(yīng)用數(shù)學(xué)工具描述和分析處理物理問(wèn)題.三、德育目標(biāo)讓學(xué)生了解多種電器銘牌，介紹現(xiàn)代科技的突飛猛進(jìn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情.教學(xué)重點(diǎn)交變電流有效值概念. 教學(xué)難點(diǎn)交流電有效值概念及計(jì)算. 教學(xué)方法在教師指導(dǎo)下的啟發(fā)式教學(xué). 教學(xué)用具電源、電容器、燈泡“6 V 0.3 A”、幻燈片、手搖發(fā)電機(jī). 課時(shí)安排1課時(shí)教學(xué)過(guò)程一、引入新課師上節(jié)課講了矩形線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞垂直于磁場(chǎng)方向

5、的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在線圈中產(chǎn)生了正弦交流電.如何描述交流電的變化規(guī)律呢？生1可以用公式法描述.從中性面開(kāi)始計(jì)時(shí)，得出瞬時(shí)電動(dòng)勢(shì)：e=Emsin t瞬時(shí)電流：i=Imsin t.瞬時(shí)電壓：u=Umsin t.其中Em=NBS生2可以用圖象法描述.如圖所示：師交流電的大小和方向都隨時(shí)間做周期性變化，只用電壓、電流描述不全面.這節(jié)課我們學(xué)習(xí)表征正弦交流電的物理量.二、新課教學(xué)1.交變電流的最大值（Em,Im,Um）師交變電流的最大值是交變電流在一個(gè)周期內(nèi)所能達(dá)到的最大數(shù)值，可以用來(lái)表示交變電流的電流或電壓變化幅度.演示電容器的耐壓值.將電容器（8 V，500 F）接在學(xué)生電源上充電，接8 V電壓時(shí)電容

6、器正常工作，接16 V電壓時(shí)，幾分鐘后聞到燒臭味，后聽(tīng)到爆炸聲.師從這個(gè)實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)：電容器的耐壓值是指能夠加在它兩端的最大電壓，若電源電壓的最大值超過(guò)耐壓值,電容器可能被擊穿.但是交流電的最大值不適于表示交流電產(chǎn)生的效果，在實(shí)際中通常用有效值表示交流電流的大小.2.有效值（E、I、U）演示如下圖所示，將兩只“6 V、0.3 A”的小電珠A、B，一個(gè)接在6 V的直流電源上，一個(gè)接在有效值為6 V的交流電源上，觀察燈的亮度.生兩燈的亮度相同.師讓交流電和直流電通過(guò)同樣的電阻，如果它們?cè)谙嗤瑫r(shí)間內(nèi)產(chǎn)生熱量相等，把直流電的值叫做交流電的有效值.通常用大寫(xiě)字母U、I、E表示有效值.3.正弦交流電的有

7、效值與最大值的關(guān)系師計(jì)算表明，正弦交流電的最大值與有效值有以下關(guān)系：I=0.707Im U=0.707Um強(qiáng)調(diào)（1）各種使用交變電流的電器設(shè)備上所示值為有效值.（2）交流電表（電壓表或電流表）所測(cè)值為有效值.（3）計(jì)算交變電流的功、功率、熱量等用有效值.4.周期和頻率師請(qǐng)同學(xué)們閱讀教材，回答下列問(wèn)題：（1）什么叫交流電的周期？（2）什么叫交流電的頻率？（3）它們之間的關(guān)系是什么？（4）我國(guó)使用的交變電流的周期和頻率各是多大？生1交變電流完成一次周期性的變化所用的時(shí)間，叫做交變電流的周期，用T表示.生2交變電流在1 s內(nèi)完成周期性變化的次數(shù)，叫做交變電流的頻率，用f表示.生3T=生4我國(guó)使用的交

8、流電頻率f=50 Hz,周期T=0.02 s.師有個(gè)別歐美國(guó)家使用交流電的頻率為60 Hz.5.例題分析投影例1表示交變電流隨時(shí)間變化圖象如圖所示，則交變電流有效值為A.5AB.5 AC.3.5AD.3.5 A解析：設(shè)交變電流的有效值為I，據(jù)有效值的定義，得I2RT=（4）2R+（3）2R解得I=5 A綜上所述應(yīng)選擇B.投影例2 交流發(fā)電機(jī)矩形線圈邊長(zhǎng)ab=cd=0.4 m，bc=ad=0.2 m，共50匝，線圈電阻r=1 ，線圈在B=0.2 T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，繞垂直磁場(chǎng)方向的軸OO以r/s轉(zhuǎn)速勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，外接電阻9 ，如圖所示.求：（1）電壓表讀數(shù)；（2）電阻R上電功率.解析：（1）線圈在磁場(chǎng)中

9、產(chǎn)生：Em=NBS=500.20.40.22 V=160 VI= A=8 AU=IR=72 V101.5 V（2）P=UI=728 W=1152 W三、小結(jié)本節(jié)課主要學(xué)習(xí)了以下幾個(gè)問(wèn)題：1.表征交變電流的幾個(gè)物理量：最大值、有效值、周期、頻率.2.正弦式交流電最大值與有效值的關(guān)系：I=,U=.3.交流電的周期與頻率的關(guān)系：T=.四、作業(yè)（略）五、板書(shū)設(shè)計(jì)六、本節(jié)優(yōu)化訓(xùn)練設(shè)計(jì)1.把220 V的正弦式電流接在440 電阻兩端，則該電阻的電流峰值A(chǔ).0.5 AB.0.5 AC.2 AD. A2.電路如圖所示，交變電流電源的電壓是6 V，它跟電阻R1、R2及電容C、電壓表一起連成如圖電路.忽略電源內(nèi)阻

10、，為保證電容器不擊穿，電容器耐壓值U2和電壓表示數(shù)U1分別為A.U1=6 VB.U2=6 VC.U1=6 VD.U26V3.兩個(gè)相同電阻分別通以下圖兩種電流，則在一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生的熱量QAQB=_.4.關(guān)于正弦式電流的有效值，下列說(shuō)法中正確的是A.有效值就是交流電在一周期內(nèi)的平均值B.交流電的有效值是根據(jù)電流的熱效應(yīng)來(lái)定義的C.在交流電路中，交流電流表和交流電壓表的示數(shù)表示的都是有效值D.對(duì)于正弦式電流 ，最大值的平方等于有效值平方的2倍參考答案：1.B 2.CD 3.12 4.BCD 備課資料1.如何計(jì)算幾種典型交變電流的有效值？答：交流電的有效值是根據(jù)電流的熱效應(yīng)規(guī)定的.讓交變電流和直流電通

11、過(guò)同樣的電阻，如果它們?cè)谕粫r(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量相等，就把這一直流電的數(shù)值叫做這一交流電的有效值.解析：通常求交變電流的有效值的類型有如下幾種：（1）正弦式交流電的有效值此類交流電滿足公式e=Emsin t,i=Imsin t它的電壓有效值為E=，電流有效值I=對(duì)于其他類型的交流電要求其有效值，應(yīng)緊緊把握有效值的概念.下面介紹幾種典型交流電有效值的求法.（2）正弦半波交流電的有效值若將右圖所示的交流電加在電阻R上，那么經(jīng)一周期產(chǎn)生的熱量應(yīng)等于它為全波交流電時(shí)的1/2，即U半2T/R=（），而U全=，因而得U半=Um，同理得I半=Im.（3）正弦單向脈動(dòng)電流有效值因?yàn)殡娏鳠嵝?yīng)與電流方向無(wú)關(guān)，所以左

12、下圖所示正弦單向脈動(dòng)電流與正弦交流電通入電阻時(shí)所產(chǎn)生的熱效應(yīng)完全相同，即U=，I=.（4）矩形脈動(dòng)電流的有效值如右上圖所示電流實(shí)質(zhì)是一種脈沖直流電，當(dāng)它通入電阻后一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生的熱量相當(dāng)于直流電產(chǎn)生熱量的，這里t是一個(gè)周期內(nèi)脈動(dòng)時(shí)間.由I矩2RT=（）Im2RT或（）T=（）T,得I矩=Im，U矩=Um.當(dāng)=1/2時(shí)，I矩=Im，U矩=Um.（5）非對(duì)稱性交流電有效值假設(shè)讓一直流電壓U和如圖所示的交流電壓分別加在同一電阻上，交變電流在一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生的熱量為Q1=，直流電在相等時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量Q2=T，根據(jù)它們的熱量相等有T得U=，同理有I=.2.一電壓U0=10 V的直流電通過(guò)電阻R在時(shí)間t內(nèi)產(chǎn)生的熱量與一交變電流通過(guò)R/2時(shí)在同一時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量相同，則該交流電的有效值為多少？解：根據(jù)t時(shí)間內(nèi)直流電壓U0在電阻R上產(chǎn)生的熱量與同一時(shí)間內(nèi)交