【2020秋备课】高中物理教案新人教版选修3-2-5.1-交变电流.docx

5.1交变电流
一．教学设计：
对于交变电流的产生，课本实行由感性到理性，由定性到定量，逐步深化的叙述方法．为了有利于同学理解和把握，教学中要尽可能用示波器或模型协作讲解．教学中应留意让同学观看教材中的线圈通过4个特殊位置时电表指针的变化状况，分析电动势和电流方向的变化，使同学对线圈转动一周中电动势和电流的变化有比较清楚的了解．有条件的，还可以要求同学运用已学过的学问，自己进行分析和推断．要让同学明白交变电流、正弦电流、中性面、瞬时回值、最大值的精确     含义；用图像表示交变电流的变化规律，是一种重要方法，它形象、直观、同学易于接受．要留意在同学已有的图像学问的基础上，较好地把握这种表述方法．
二．教学目标：
1．学问与技能
（1）使同学理解交变电流的产生原理，知道什么是中性面。
（2）把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精确含义。
2．过程与方法
（1）把握描述物理量的三种基本方法（文字法、公式法、图象法）。
（2）培育同学观看力气，空间想象力气以及将立体图转化为平面图形的力气。
（3）培育同学运用数学学问解决物理问题的力气。
3．情感、态度与价值观
通过试验观看，激发学习爱好，培育良好的学习习惯，体会运用数学学问解决物理问题的重要性。
三．教学重点、难点：
1．重点：交变电流产生的物理过程的分析。
2．难点：交变电流的变化规律及应用。
四．教学方法：演示法、分析法、归纳法。
教具：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
五．教学过程：
1．引入新课
出示单相沟通发电机，引导同学首先观看它的主要构造。
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，观看到什么现象?
这种大小和方向都随时间做周期性变化的电流，叫做交变电流。
2．进行新课
（1）交变电流的产生
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？
多媒体课件打出右图。当abcd线圈在磁场中绕OO′轴转动时，哪些边切割磁感线? ab与cd。
当ab边向右、cd边向左运动时，线圈中感应电流的方向 沿着a→b→c→d→a方向流淌的。
当ab边向左、cd边向右运动时，线圈中感应电流的方向如何?
感应电流是沿着d→c→b→a→d方向流淌的。
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。
线圈转到什么位置时，产生的感应电动势最小?
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。
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的位置。

②线圈处于中性面位置时，穿过线圈Φ最大，但=0。
③线圈越过中性面，线圈中I感方向要转变。线圈转一周，感应电流方向转变两次。
（2）交变电流的变化规律
投影显示：矩形线圈在匀强磁场中匀速转动的四个过程．

分析：线圈bc、da始终在平行磁感线方向转动，因而不产生感应电动势，只起导线作用．
①线圈平面垂直于磁感线（甲图），ab、cd边此时速度方向与磁感线平行，线圈中没有感应电动势，没有感应电流．
老师强调指出：这时线圈平面所处的位置叫中性面．
中性面特点：线圈平面与磁感线垂直，磁通量最大，感应电动势最小为零，感应电流为零．
②当线圈平面逆时针转过90°时（乙图），即线圈平面与磁感线平行时，ab、cd边的线速度方向都跟磁感线垂直，即两边都垂直切割磁感线，这时感应电动势最大，线圈中的感应电流也最大．
③再转过90°时（丙图），线圈又处于中性面位置，线圈中没有感应电动势．
④当线圈再转过90°时，处于图（丁）位置，ab、cd边的瞬时速度方向，跟线圈经过图（乙）位置时的速度方向相反，产生的感应电动势方向也跟在（图乙）位置相反．
⑤再转过90°线圈处于起始位置（戊图），与（甲）图位置相同，线圈中没有感应电动势．
推导：

设线圈平面从中性面开头转动，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L1，bc边长L2，磁感应强度为B，这时ab边产生的感应电动势多大?
eab=BL1vsinωt = BL1·ωsinωt =BL1L2sinωt
此时整个线框中感应电动势多大?
e=eab+ecd=BL1L2ωsinωt
若线圈有N匝，相当于N个完全相同的电源串联，e=NBL1L2ωsinωt，令Em=NBL1L2ω，叫做感应电动势的峰值，e叫做感应电动势的瞬时值。
依据部分电路欧姆定律，电压的最大值Um=ImR，电压的瞬时值U=Umsinωt。
　 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

3．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）从中性面开头计时，感应电动势瞬时值的表达式为e=NBSωsinωt，感应电动势的最大值为Em=NBSω。
（3）中性面的特点：磁通量最大为Φm，但e=0。
4．实例探究：
交变电流的图象、交变电流的产生过程
（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。下面说法中正确的是 （ ）
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确定值最大
C．t3时刻通过线圈的磁通量变化率的确定值最大
D．每当e转换方向时，通过线圈的磁通量的确定值都为最大
交变电流的变化规律
（2）在匀强磁场中有一矩形线圈，从中性面开头绕垂直于磁感线的轴以角速度ω匀速转动时，产生的交变电动势可以表示为e=Emsinωt。现在把线圈的转速增为原来的2倍，试分析并写毁灭在的交变电动势的峰值、交变电动势的瞬时值表达式，画出与其相对应的交变电动势随时间变化的图象。
分析物理图象的要点：
一看：看“轴”、看“线”、看“斜率”、看“点”、看“截距”、看“面积”、看“拐点”，并理解其物理意义。
二变：把握“图与图”“图与式”和“图与物”之间的变通关系。
三判：在此基础上进行正确的分析和推断。
综合应用
（3）如图所示，匀强磁场的磁感应强度B=2 T，匝数n=6的矩形线圈abcd绕中心轴OO′匀速转动，角速度ω=200 rad/s。已知ab=0.1 m，bc=0.2 m，线圈的总电阻R=40Ω，试求：
①感应电动势的最大值，感应电流的最大值；
②设时间t=0时线圈平面与磁感线垂直，写出线圈中感应电动势的瞬时值表达式；
③画出感应电流的瞬时值i随ωt变化的图象；
④当ωt=30°时，穿过线圈的磁通量和线圈中的电流的瞬时值各是多大？
⑤线圈从图示位置转过的过程中，感应电动势的平均值是多大？

六．学问总结与迁移
1．基础学问预习：

（1）交变电流的定义：_____________________________________叫做交变电流，简称______
其中，_______随时间周期性变化是交变电流的最重要特征．按_______规律变化的交变电流叫做正弦式电流．
（2）变电流的产生：
①平面线圈在_______磁场中绕________________的轴_______转动时__________电流．
②两个特殊位置的特点分析：
Ⅰ．当线圈平面垂直于磁感线时，磁通量Φ_______，感应电动势E_______，感应电流 I_______，这一位置叫做中性面．线圈平面经过中性面时，电流方向__________．
线圈每转一周，____次经过中性面，因此线圈每转一周电流方向转变____次．
Ⅱ．当线圈平面与中性面垂直时，磁感线与线圈平面平行，磁通量Φ_______，感应电动势E_______，感应电流I_______，电流方向_______．
（3）正弦式交变电流的变化规律：
①瞬时值表达式：e＝______________；u＝______________；i＝______________．
②N匝平面矩形线圈S在匀强磁场B中绕垂直于磁感线的轴以角速度ω匀速转动时所产
生的感应电动势的最大值Em＝__________．
（4）交变电流的图象：
①物理意义：描述交变电流(电动势e、电流i、电压u)随时间t(或角度ωt)变化的规律．
②正弦式交变电流的图象为正弦(或余弦)曲线．
若从线圈转至中性面开头计时，则图象是_______曲线；
若从线圈转至与磁感线平行的位置开头计时，则图象是_______曲线．
2．课堂练习：
（1）如图所示的电流属于交变电流的是：( )

（2）关于线圈在匀强磁场中转动产生的交变电流，以下说法中正确的是：( )
A．线圈平面每经过中性面一次，感应电流方向就转变一次，感应电动势方向不变
B．线圈每转动一周，感应电流方向就转变一次
C．线圈平面每经过中性面一次，感应电动势和感应电流方向都要转变一次
D．线圈每转动一周，感应电动势和感应电流方向都要转变一次
（3）线圈在匀强磁场中匀速转动，产生交变电流的图象如图所示,从图中可知:( )
i/A
t/s
O
A
B
C
D
A．在A和C时刻线圈处于中性面位置
B．在B和D时刻穿过线圈的磁通量为零
C．从A时刻到D时刻线圈转过的角度为2π
D．若从O时刻到D时刻经过0.02s，则在1s内交变电流的
方向转变100次
（4）一个矩形线圈在匀强磁场中转动产生变流电压为V，则（ ）
A．它的频率是50Hz B．当t=0时，线圈平面与中性面重合
C．电压的平均值是220V D．当t=1/200 s时，电压达到最大值
（5）沟通发电机的线圈转至线圈平面与中性面重合时，下列说法中正确的是：( )
A．磁场方向和线圈平面平行 B．电流将转变方向
C．线圈产生的感应电动势最大 D．线圈的磁通量最小
O
B
O′
ω
d
b
a
c
（6）如图所示为矩形线圈产生交变电流的示意图，若已知N匝线圈的面积S， 处于磁感应强度为B的匀强磁场中，线圈绕OO′轴旋转的角速度为ω，则线圈产生的最大感应电动势Em＝_________，若从线圈自图示位置转过90°开头计时，则线圈中产生的感应电动势的瞬时值的表达式为_______________；若从图示位置开头计时，则线圈中产生的感应电动势的瞬时值的表达式为________________．
B
七．课后作业
（1）矩形线圈在匀强磁场中匀速旋转时，产生的感应电动势的最大值为50 V，那么
该线圈由如图所示位置转过30°时，线圈中的感应电动势的大小为：（ ）
A．50 V B． V C．25 V D．10 V
（2）某矩形线圈在匀强磁场中以角速度ω转动时，产生的感应电动势瞬时值为e＝Emsinωt，
①若保持其他条件不变，只将转速变为2ω，则感应电动势的瞬时值将变为：（ ）
②若保持其他条件不变，使线圈匝数和转速都增加一倍，则感应电动势的瞬时值将变为：（ ）
A．e = Emsin2ωt B．e = Emsinωt C．e = 2Emsin2ωt
D．e = 2Emsinωt E．e = 4Emsin2ωt F．e = 4Emsinωt
（3）一矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动，穿过线圈的磁通量随时间变化图象如图所示，则：
①t1、t2、t3、t4各时刻线圈分别处于什么位置？
②从t = 0到t = t1时刻，穿过线圈的磁通量变化率如何变化？
从t = t1至t = t2时刻，穿过线圈的磁通量变化率如何变化？
③t = 0，t = t1，t = t2，t = t3，t = t4各时刻，哪个时刻线圈中感应电动势最大？在哪个时刻感应电动势方向要发生转变？

（4）如图所示，匀强磁场B=0.05T，矩形线圈的匝数N=100，边长Lab=0.20m，Lbc=0.10m，以300r/min的转速匀速转动，在线圈平面通过中性面时开头计时，试求：
①交变电动势的瞬时值表达式；
②若线圈总电阻为2Ω，线圈外接电阻为8Ω，写出电流的瞬时值表达式；
③线圈由图示位置转过的过程中，交变电动势的平均值.