人教版高中物理日光灯电路及其功率因素的提高教学设计

1、教学设计： 实验 日光灯电路及其功率因素的提高 如何加强新课标下物理实验教学的实践性【教材分析】 教育部制订的普通高中物理课程标准（实验）的课程目标中明确写到：“发展好奇心与求知欲，发展科学探索兴趣，有坚持真理、勇于创新、实事求是的科学态度和科学精神”，只有把物理学习和身边的自然环境、社会环境及日常生活结合在一起，才能扩展学生对自然的认识，探寻科学的本质，增进其对科学探究性本质的理解和探究能力，真正达到科学教育的核心目标：提高学生的科学素养。所以物理学习离不开实验，更离不开生活。本节教学旨在体现新课标下物理实验的实践性。【学生分析】 我国目前的中学物理教学主要偏重于知识内容和结论的学习,学生在

2、学习过程中很少动手实验，从而缺乏对知识的本质理解、对结论的推导过程、对问题的推究思考，严重阻碍学生创新思维的培养和动手能力的培养。【任务分析】 工作原理说明工作线路安装工作问题提出工作问题解决【教学目标】1、知识与技能：理解正弦稳态交流电路电压、电流相量关系；掌握日光灯线路的安装；理解改善电路功率因数的意义并掌握其方法。2、过程与方法：实验、分析、归纳的科学探究方法。3、态度情感与价值观：采用实验教学的方法，旨在提高学生的动手能力，发展学生的好奇心与求知欲，发展学生的科学探索兴趣及坚持真理、勇于创新、实事求是的科学态度和科学精神，适应新课标下的教学改革。【重点难点】重点：正弦稳态交流电路电压、

3、电流相量关系；日光灯线路的安装；提高功率因数的方法。难点：如何根据正弦稳态交流电路相量关系寻求日光灯线路中提高功率因数的方法。【设计思想】新课标下如何体现物理实验的实践性【教学过程】引课：前面，我们学习了由电阻r、电容c、电感l等元件组成的正弦交流电路，那么，在实践中，这种电路如何得以应用呢？讲授：一、实验目的1研究正弦稳态交流电路中电压、电流相量之间的关系。2. 掌握日光灯线路的接线。3. 理解改善电路功率因数的意义并掌握其方法。二、实验原理 （一）工作原理说明1在单相正弦交流电路中，用交流电流表测得各支路的电流值， 用交流电压表测得回路各元件两端的电压值，它们之间的关系满足相量形式的基尔霍

4、夫定律，即 i0和u0 。2. 图1所示的rc串联电路，在正弦稳态信号u的激励下，ur与uc保持有90º的相位差，即当c值改变时，ur的相量轨迹是一个半圆。u、uc与ur三者形成一个直角形的电压三角形，如图2所示。c值改变时，可改变角的大小，从而达到移相的目的。图2图1（二）工作线路安装常见的正弦稳态交流电路的实际应用日光灯线路（rl串联电路）如图3所示，图中 a 是日光灯管，l 是镇流器（日光灯的镇流器就是利用线圈l自感的一个例子）， s是启辉器。日光灯的工作原理：当开关闭合后，电源把电压加在起动器的两极之间，使氖气放电而发出辉光，辉光产生的热量使u形片膨胀伸长，跟静触片接触而使电

5、路接通，于是镇流器的线圈和灯管的灯丝中就有电流通过。电流接通后，启动器中的氖气停止放电， u形触片冷却收缩，两个触片分离，电路自动断开。在电路突然断开的瞬间，镇流器的两端产生一个瞬时高压，这个电压和电源电压都加在灯管两端，使灯管中的水银蒸汽开始导电，于是日光灯管成为电流的通路开始发光。在日光灯正常发光时，与灯管串联的镇流器就起着降压限流的作用，保证日光灯的正常工作。220vlsa图3 （三）工作问题提出功率因数及提高功率因数的意义（1）功率因数电路的有功功率与视在功率的比值叫做功率因数，即：。功率因数的大小是表示电源功率被利用的程度。（2）提高功率因数的意义在交流电力系统中，负载多为感性负载。

6、例如常用的感应电动机，接上电源时要建立磁场，所以它除了需要从电源取得有功功率外，还要由电源取得磁场的能量，并与电源作周期性的能量交换。在交流电路中，负载从电源接受的有功功率，显然与功率因数有关。功率因数低会引起下列不良后果。 a. 负载的功率因数低，使电源设备的容量不能充分利用。b. 在一定的电压u下，向负载输送一定的有功功率p时，负载的功率因数越低，输电线路的电压降和功率损失越大。这是因为输电线路电流，当 较小时，i必然较大。从而输电线路上的电压降也要增加，因电源电压一定，所以负载的端电压将减少，这要影响负载的正常工作。从另一方面看，电流i增加，输电线路中的功率损耗也要增加。因此，提高负载的

7、功率因数对合理科学地使用电能以及国民经济都有着重要的意义。常用的感应电动机在空载时的功率因数约为0.2 0.3，而在额定负载时约为0.83 0.85，不装电容器的日光灯，功率因数为0.45 0.6，应设法提高这类感性负载的功率因数，以降低输电线路电压降和功率损耗。（四）工作问题解决提问：用电部门如何提高电路的功率因数呢？作为老百姓生活中最常见又最重要的照明元件日光灯，如何来提高其的功率因数呢？提高感性负载功率因数的最简便的方法，是用适当容量的电容器与感性负载并联（如图4）。例如，收音机里的中频变压器，用以产生正弦波的lc振荡器等，都是以电感线圈和电容器的并联电路作为核心部分。提问：为什么并联电

8、容器后能提高电路的功率因数呢？从相量图（图5）上可以看到并联电容器后，电源供给的电流i减小了，与电压的相位差也减小了，因而，功率因数提高了。这样就可以使电感中的磁场能量与电容器的电场能量进行交换，从而减少电源与负载间能量的互换。图5 图4借助相量图分析方法容易证明：对于额定电压为u、额定功率为p、工作频率为f的感性负载r-l来说，将功率因数从 提高到，所需并联的电容为其中，且 ， 。 图5因此，日光灯电路可改进为：其中，c 是补偿电容器，用以改善电路的功率因数（cos值）。三、实验设备 序号名称型号与规格数量备注1交流电压表0500v12交流电流表5a13功率表1.（dgj-07）4自耦调压器

9、15镇流器、启辉器与40w灯管配用各1dgj-046日光灯灯管40w1屏内7电容器1f,2.2f,4.7f/500v各1dgj-058白炽灯及灯座220v，15w13dgj-049电流插座3dgj-04四、实验内容1. 按图1接线。r为220v、15w的白炽灯泡，电容器为4.7f/500v。 经指导教师检查后，接通实验台电源， 将自耦调压器输出( 即u)调至220v。记录u、ur、uc值，验证电压三角形关系。测 量 值计 算 值u（v）ur（v）uc（v）u（与ur，uc组成rt）（u=）u=uu（v）u/u（%）2. 日光灯线路接线与测量。图 6 按图6接线。经指导教师检查后接通实验台电源，

10、调节自耦调压器的输出，使其输出电压缓慢增大，直到日光灯刚启辉点亮为止，记下三表的指示值。然后将电压调至220v，测量功率p， 电流i， 电压u，ul，ua等值，验证电压、电流相量关系。测 量 数 值计算值p(w)cosi(a)u(v)ul(v)ua(v)r()cos启辉值正常工作值3. 并联电路电路功率因数的改善。按图7组成实验线路。经指导老师检查后，接通实验台电源，将自耦调压器的输出调至220v，记录功率表、电压表读数。通过一只电流表和三个电流插座分别测得三条支路的电流，改变电容值，进行三次重复测量。数据记入下页表中。ic图 7 电容值测 量 数 值计 算 值(f)p(w)cosu(v)i（

11、a）il(a)ic(a)i(a)cos012.24.7五、实验注意事项1. 本实验用交流市电220v，务必注意用电和人身安全。 2. 功率表要正确接入电路。 3. 线路接线正确，日光灯不能启辉时， 应检查启辉器及其接触是否良好。六、思考题1. 参阅课外资料，了解日光灯的启辉原理。 2. 在日常生活中，当日光灯上缺少了启辉器时， 人们常用一根导线将启辉器的两端短接一下，然后迅速断开，使日光灯点亮（dgj-04实验挂箱上有短接按钮，可用它代替启辉器做试验。）；或用一只启辉器去点亮多只同类型的日光灯，这是为什么？ 3. 为了改善电路的功率因数，常在感性负载上并联电容器， 此时增加了一条电流支路，试问电路的总电流是增大还是减小，此时感性元件上的电流和功率是否改变？4. 提高线路功率因数为什么只采用并联电容器法， 而不用串联法？所并的电容器是否越大越好？七、实验报告1. 完成数据表格中的计算，进行必要的误差分析。 2. 根据实验数据，分别绘出电压、电流相量图， 验证相量形式的基尔霍夫定律。 3. 讨论改善电路功率因数的意义和方法。4. 装接日光灯线路的心得体会及其他。【教学总结】结合对正弦稳态交流电路相量的研究，通过日光灯电路的安装，提高学生的动手能力，体现知识的实用性；通过日光灯功率因数提高方法的讨论，培养学生独立思考能力，提高知识的运用性。【教学后记】物理学习离不开实验，更离不开生活。