新人教版高中物理選修3-2同步教案 第5章 5-1交變電流的產(chǎn)生和變化規(guī)律

1、第五章 交變電流本章概述本章講述交變電流知識，是前面學(xué)過的電和磁的知識的發(fā)展和應(yīng)用，并且與生產(chǎn)和生活有密切關(guān)系.本章重點內(nèi)容是：交變電流的產(chǎn)生原理和變化規(guī)律，交變電流的性質(zhì)和特點，變壓器的工作原理，交變電流的傳輸及應(yīng)用.這些知識點是高考命題率較高的知識點.與直流電相比，交變電流有許多優(yōu)點，交變電流可以利用升壓變壓器升高或降低電壓，便于遠(yuǎn)距離輸送，可以驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單運行可靠的感應(yīng)電動機(jī)。為了有利學(xué)生學(xué)習(xí)交流電的特點，更好的區(qū)分交流與直流，本章還介紹了電感和電容在交變電流中的作用，使學(xué)生了解感抗與容抗的有關(guān)知識.本章可分為三個單元：第一單元：第一節(jié)和第二節(jié)，講交變電流的產(chǎn)生和描述.第二單元：第三節(jié)，

2、講電感和電容對交變電流的作用.第三單元：第四節(jié)和第五節(jié)，講變壓器和電能的輸送.第一節(jié) 交變電流本節(jié)教材分析為了適應(yīng)學(xué)生的接受能力，教材采取從感性到理性、從定性到定量逐漸深入的方法講述這個問題.教材先用教具演示矩形線圈在勻強(qiáng)磁場中勻速轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生交流電，以展示交流電是怎樣產(chǎn)生的.并強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生觀察教材圖172所示線圈通過五個特殊位置時，電流表指針變化的情況，分析電動勢和電流方向的變化，這樣學(xué)生就會對電動勢和電流的變化情況有個大致的了解.然后讓學(xué)生用右手定則獨立分析線圈中電動勢和電流的方向.這樣能充分調(diào)動學(xué)生的積極性,培養(yǎng)學(xué)生的觀察和分析能力.關(guān)于交變電流的變化規(guī)律,教材利用上章學(xué)過的法拉第電磁感應(yīng)定

3、律引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行推導(dǎo),得出感應(yīng)電動勢的瞬時值和最大值的表達(dá)式,進(jìn)而根據(jù)閉合電路歐姆定律和部分電路歐姆定律推出電流與電壓瞬時值與最大值的表達(dá)式.用圖表表示交流電的變化規(guī)律是一種重要的方法,這種方法直觀、形象,學(xué)生容易接受.這樣做也是為后面用圖象表示三相交流電準(zhǔn)備條件,在電磁波的教學(xué)中還要用到圖象的方法.在介紹了交流電的周期和頻率后,可通過練習(xí)鞏固學(xué)生對交流電圖象的認(rèn)識.在本節(jié)學(xué)生第一次接觸到許多新名詞,如:交流電、正弦交流電、中性面、瞬時值、最大值等.要讓學(xué)生搞清楚這些名詞的準(zhǔn)確含義.要使學(xué)生了解交流電有許多種,正弦交流電是其中簡單的一種,在本章教材中常把正弦交流電簡稱交流電.要使學(xué)生明確中性面是

4、指與磁場方向垂直的平面.中性面的特點是:線圈位于中性面時,電動勢為零;線圈通過中性面時,電動勢的方向要改變.要向?qū)W生指出,一般科技書中都用小寫字母表示瞬時值,用大寫字母并加腳標(biāo)，m表示最大值. 教學(xué)目標(biāo)一、知識目標(biāo)1.使學(xué)生理解交變電流的產(chǎn)生原理，知道什么是中性面.2.掌握交變電流的變化規(guī)律及表示方法.3.理解交變電流的瞬時值和最大值及中性面的準(zhǔn)確含義.二、技能目標(biāo)1.掌握描述物理量的三種基本方法（文字法、公式法、圖象法）.2.培養(yǎng)學(xué)生觀察能力，空間想象能力以及將立體圖轉(zhuǎn)化為平面圖形的能力.3.培養(yǎng)學(xué)生運用數(shù)學(xué)知識解決物理問題的能力.三、情感態(tài)度目標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的思想. 教學(xué)重點交變電

5、流產(chǎn)生的物理過程的分析. 教學(xué)難點交變電流的變化規(guī)律及應(yīng)用. 教學(xué)方法演示法、分析法、歸納法. 教學(xué)用具手搖單相發(fā)電機(jī)、小燈泡、示波器、多媒體教學(xué)課件、示教用大的電流表. 課時安排1課時 教學(xué)過程一、引入新課師出示單相交流發(fā)電機(jī)，引導(dǎo)學(xué)生首先觀察它的主要構(gòu)造.演示將手搖發(fā)電機(jī)模型與小燈泡組成閉合電路.當(dāng)線框快速轉(zhuǎn)動時，觀察到什么現(xiàn)象?生小燈泡一閃一閃的.師再將手搖發(fā)電機(jī)模型與示教電流表組成閉合電路,當(dāng)線框緩慢轉(zhuǎn)動(或快速擺動)時,觀察到什么?生電流表指針左右擺動.師線圈里產(chǎn)生的是什么樣的電流？請同學(xué)們閱讀教材后回答.生轉(zhuǎn)動的線圈里產(chǎn)生了大小和方向都隨時間做周期性變化的交變電流.師現(xiàn)代生產(chǎn)和生活

6、中大都使用交流電.交流電有許多優(yōu)點，今天我們學(xué)習(xí)交流電的產(chǎn)生和變化規(guī)律.二、新課教學(xué)1.交變電流的產(chǎn)生師為什么矩形線圈在勻強(qiáng)磁場中勻速轉(zhuǎn)動時線圈里能產(chǎn)生交變電流？生對這個問題有濃厚的興趣,討論熱烈.師多媒體課件打出下圖.當(dāng)abcd線圈在磁場中繞OO軸轉(zhuǎn)動時,哪些邊切割磁感線?生ab與cd.師當(dāng)ab邊向右、cd邊向左運動時,線圈中感應(yīng)電流的方向如何?生感應(yīng)電流是沿著abcda方向流動的.師當(dāng)ab邊向左、cd邊向右運動時,線圈中感應(yīng)電流的方向如何?生感應(yīng)電流是沿著dcbad方向流動的.師正是這兩種情況交替出現(xiàn),在線圈中產(chǎn)生了交變電流.當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到什么位置時,產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢最大?生線圈平面與磁感線平

7、行時,ab邊與cd邊線速度方向都跟磁感線方向垂直,即兩邊都垂直切割磁感線,此時產(chǎn)生感應(yīng)電動勢最大.師線圈轉(zhuǎn)到什么位置時,產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢最小?生當(dāng)線圈平面跟磁感線垂直時,ab邊和cd邊線速度方向都跟磁感線平行,即不切割磁感線,此時感應(yīng)電動勢為零.師利用多媒體課件,屏幕上打出中性面概念:(1)中性面線框平面與磁感線垂直位置.(2)線圈處于中性面位置時,穿過線圈最大,但=0.(3)線圈越過中性面,線圈中I感方向要改變.線圈轉(zhuǎn)一周,感應(yīng)電流方向改變兩次.2.交變電流的變化規(guī)律設(shè)線圈平面從中性面開始轉(zhuǎn)動,角速度是.經(jīng)過時間t,線圈轉(zhuǎn)過的角度是t,ab邊的線速度v的方向跟磁感線方向間的夾角也等于t,如右

8、圖所示.設(shè)ab邊長為L1,bc邊長L2,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,這時ab邊產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢多大?生eab=BL1vsint=BL1sint=BL1L2sint師cd邊中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢跟ab邊中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小相同,又是串聯(lián)在一起,此時整個線框中感應(yīng)電動勢多大?生e=eab+ecd=BL1L2sint師若線圈有N匝時,相當(dāng)于N個完全相同的電源串聯(lián),e=NBL1L2sint,令Em=NBL1L2,叫做感應(yīng)電動勢的最大值,e叫做感應(yīng)電動勢的瞬時值.請同學(xué)們閱讀教材,了解感應(yīng)電流的最大值和瞬時值.生根據(jù)閉合電路歐姆定律,感應(yīng)電流的最大值Im=,感應(yīng)電流的瞬時值i=Imsint.師電路的某一段上電壓的瞬時

9、值與最大值等于什么?生根據(jù)部分電路歐姆定律,電壓的最大值Um=ImR,電壓的瞬時值U=Umsint.師電動勢、電流與電壓的瞬時值與時間的關(guān)系可以用正弦曲線來表示,如下圖所示:3.幾種常見的交變電波形三、小結(jié)本節(jié)課主要學(xué)習(xí)了以下幾個問題：1.矩形線圈在勻強(qiáng)磁場中繞垂直于磁場方向的軸勻速轉(zhuǎn)動時，線圈中產(chǎn)生正弦式交變電流.2.從中性面開始計時，感應(yīng)電動勢瞬時值的表達(dá)式為e=NBSsin t,感應(yīng)電動勢的最大值為Em=NBS.3.中性面的特點：磁通量最大為m，但e=0.四、作業(yè)（略）五、板書設(shè)計六、本節(jié)優(yōu)化訓(xùn)練設(shè)計1.一矩形線圈，繞垂直于勻強(qiáng)磁場并位于線圈平面內(nèi)的固定軸轉(zhuǎn)動，線圈中的感應(yīng)電動勢E隨時間

10、t的變化如圖所示，則下列說法中正確的是A.t1時刻通過線圈的磁通量為零B.t2時刻通過線圈的磁通量的絕對值最大C.t3時刻通過線圈的磁通量變化率的絕對值最大D.每當(dāng)電動勢E變換方向時，通過線圈的磁通量的絕對值都為最大2.一臺發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的按正弦規(guī)律變化的感應(yīng)電動勢的最大值為311 V，線圈在磁場中轉(zhuǎn)動的角速度是100 rad/s.（1）寫出感應(yīng)電動勢的瞬時值表達(dá)式.（2）若該發(fā)電機(jī)只與含電阻的負(fù)載組成閉合電路，電路中的總電阻為100 ，試寫出通過負(fù)載的電流強(qiáng)度的瞬時表達(dá)式.在t= s時電流強(qiáng)度的瞬時值為多少？3.一個矩形線圈在勻強(qiáng)磁場中轉(zhuǎn)動產(chǎn)生交流電壓為u=220sin100t V，則A.它的頻

11、率是50 HzB.當(dāng)t=0時，線圈平面與中性面重合C.電壓的平均值是220 VD.當(dāng)t= s時，電壓達(dá)到最大值4.交流發(fā)電機(jī)工作時的電動勢的變化規(guī)律為e=Emsin t，如果轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n提高1倍，其他條件不變，則電動勢的變化規(guī)律將變化為A.e=Emsin2 tB.e=2Emsin2 tC.e=2Emsin4 tD.e=2Emsin t參考答案：1.D2.解析：因為電動勢的最大值Em=311 V，角速度=100 rad/s，所以電動勢的瞬時值表達(dá)式是e=311sin100 t V.根據(jù)歐姆定律，電路中電流強(qiáng)度的最大值為Im= A=3.11 A，所以通過負(fù)載的電流強(qiáng)度的瞬時值表達(dá)式是i=3.11s

12、in100 t A.當(dāng)t= s時，電流的瞬時值為i=3.11sin(100)=3.11A=1.55 A.3.ABD4.B 備課資料1.抽水蓄能發(fā)電電被稱為現(xiàn)代文明的血液.一天當(dāng)中的不同時段,比如生產(chǎn)、生活最忙碌的時候,與夜晚夜深人靜之際,對電的使用量往往相差十分懸殊.而電力又不能直接大量貯存.這就要求電網(wǎng)具有靈活的調(diào)節(jié)能力,在高峰時增加供電,而在低谷時又減少供電.否則電網(wǎng)的電壓就會與標(biāo)準(zhǔn)不符,不僅用戶無法正常用電,電網(wǎng)的運行安全也會受到威脅.水電、火電、核電是目前電網(wǎng)大規(guī)模發(fā)電的主要形式,也是電網(wǎng)調(diào)節(jié)的主要形式.其中水電機(jī)組開停機(jī)迅速,調(diào)節(jié)能力最強(qiáng);而火電機(jī)組從開機(jī)到滿負(fù)荷工作或反之運行的時間

13、往往需要近10個小時,跟不上網(wǎng)內(nèi)的負(fù)荷變化,調(diào)節(jié)能力很差;而核電機(jī)組由于技術(shù)和安全方面的原因,基本上沒有調(diào)節(jié)能力.華北電網(wǎng)占裝機(jī)容量97%以上的是火電機(jī)組.華北屬于缺電地區(qū),用電高峰時全部機(jī)組滿負(fù)荷運行也難以滿足用電需求,所以不得不頻繁地拉閘限電;而在低谷時電網(wǎng)內(nèi)又有大量過剩的電能需要削減.那么,是否可以把低谷的剩余電量貯存起來,補充高峰時的供電不足,從而提高華北電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力呢?循著這樣的思路,1992年9月,十三陵抽水蓄能電站破土動工了.從工程結(jié)構(gòu)上說,抽水蓄能電站包括兩個具有水平垂直高差的水庫,分別叫作上水庫和下水庫.十三陵抽水蓄能電站的下水庫是早已建成的十三陵水庫;上水庫建在十三陵水庫

14、左岸蟒山后面的上寺溝內(nèi).上下水庫間的落差有480 m.上水庫的總庫容為400萬立方米.上下水庫之間的山體內(nèi)建有地下廠房和附屬洞室,裝備了既可做水泵也可做水輪機(jī)運行的蓄能機(jī)組.十三陵抽水蓄能電站的地下廠房面積為4000 m2,它裝備的是4臺20萬kW的水泵水輪電動發(fā)電機(jī)組.連接上下水庫和地下廠房的水道系統(tǒng)主要由進(jìn)出水口、調(diào)壓節(jié)隧洞以及隧洞內(nèi)鋪設(shè)的巨大的高壓管道組成.抽水蓄能電站是依照能量轉(zhuǎn)換原理工作的.在午夜之后的用電低谷蓄能機(jī)組做水泵運行,用電網(wǎng)內(nèi)多余的電能把水庫的水抽到上水庫,把電能轉(zhuǎn)換成勢能貯存起來;在用電高峰時,機(jī)組又成為發(fā)電機(jī),由上水庫向下水庫放水,像常規(guī)水電站一樣,把水的勢能轉(zhuǎn)換成電

15、能,返送回電網(wǎng)補充供電的不足.這樣,在蓄水放水,耗電發(fā)電的循環(huán)過程中,電站對電網(wǎng)負(fù)荷的高峰和低谷起到調(diào)節(jié)作用.十三陵抽水蓄能電站建成后,每年可吸收16.5億千瓦時的低谷剩余電量,提供12億千瓦時的高峰電量.如果按1千瓦時高峰電量可創(chuàng)46元產(chǎn)值計算,每年可創(chuàng)社會產(chǎn)值5070億元.更重要的是抽水蓄能電站增強(qiáng)了華北電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力,保證了整個電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運行.目前抽水蓄能發(fā)電在我國呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的勢頭.除十三陵抽水蓄能電站外,全國還有好幾個抽水蓄能電站,有的正在興建中,有的已經(jīng)投入運行.2.崛起的新能源核電電力是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈.目前世界電力主要由火電、水電和核電構(gòu)成.火電是靠燃燒煤、石油等化石燃

16、料獲得的.作為不可再生的自然資源,化石燃料儲量有限,而且都是重要的化工和輕紡工業(yè)原料.化石燃料的燃燒還會對環(huán)境造成很大污染,是造成“酸雨”“溫室效應(yīng)”等環(huán)境問題的元兇.水電是可再生資源,而且不會污染環(huán)境,但它的限制條件較多,如水資源分布不均,水流量的季節(jié)變化會導(dǎo)致發(fā)電量的變化.只有核電能夠既滿足電力需求,又不污染環(huán)境.自1954年蘇聯(lián)建成世界上第一座核電站至今,全球已有30多個國家建起了440多臺機(jī)組,總裝機(jī)容量達(dá)到3億多千瓦,其中法國、美國、日本、德國、英國等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家的核電都超過本國總發(fā)電量的20%,法國甚至達(dá)到70%以上.作為一個人口眾多的發(fā)展中國家,我國的電力工業(yè)一直在穩(wěn)步發(fā)展,裝機(jī)

17、容量和年發(fā)電量分別排世界第四位和第三位.但人均發(fā)電量排在世界第80位,僅為世界平均水平的1/3.1996年全國電力缺口在20%左右,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足快速增長的國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求.我國將近70%的煤炭資源分布在華北和西北,工業(yè)發(fā)達(dá)和人口密集的東南沿海地區(qū)的煤炭和水力資源都很匱乏,國家每年都要投入巨資進(jìn)行“北煤南運”.我國初步規(guī)劃20002020年新增裝機(jī)容量5億千瓦.如果全部建成火電站發(fā)電用煤需要13億噸,這無論從煤的新增產(chǎn)量、遠(yuǎn)距離運輸,還是從生態(tài)環(huán)境等各方面看,都存在巨大困難,可以說發(fā)展核電是中國解決能源問題的一條重要途徑.有關(guān)部門預(yù)測,21世紀(jì)將是中國核電大發(fā)展的時期.1991年中國大陸實現(xiàn)了核電零的突破.現(xiàn)在已有兩座核電站3臺核電機(jī)組共210萬千瓦裝機(jī)容量,其發(fā)電量占全國發(fā)電總量的1.2