第五章交变电流、传感器(用)

1、第五章 交变电流选修3-2区分直流电与交变电流区分直流电与交变电流biitait5-55直流电：方向不随时间变化的电流。上图直流电：方向不随时间变化的电流。上图b为直流电。为直流电。中性面中性面中性面中性面甲甲乙乙丙丁丁理解理解e-t 图与图与 -t图之间的关系图之间的关系从哪个位置计时为正弦？从哪个位置计时为正弦？哪个位置计时为余弦？哪个位置计时为余弦？ 图中各位置的图中各位置的e、i、的值？的值？ 【问题问题1 1】矩形线圈矩形线圈abcdabcd在匀强磁场中匀速在匀强磁场中匀速转动，在线圈中都会产生感应电流吗转动，在线圈中都会产生感应电流吗? ? 【问题问题2 2】如图几种情况中，线圈的

2、匝数和角如图几种情况中，线圈的匝数和角速度相同，感应电动势是否相同？速度相同，感应电动势是否相同？ 微分的思想【问题问题3 3】线圈的匝数和角速度相同，面积线圈的匝数和角速度相同，面积大小相同，产生的电动势是否相同？大小相同，产生的电动势是否相同？ 几种发电机几种发电机交流发交流发电机电机电刷直流发直流发电机电机（初中）（初中）换向器直流发直流发电机电机（初中）（初中）NSxvve2Blvt0T/2T3T/2 2T-2Blv如图所示，制成弧形的两磁极间放置一个圆柱形铁心，产生一如图所示，制成弧形的两磁极间放置一个圆柱形铁心，产生一磁感线为放射状的磁场，该磁场方向都垂直于铁心表面，而以磁感线为放

3、射状的磁场，该磁场方向都垂直于铁心表面，而以转轴为圆心的同一圆周上磁感应强度的大小相等转轴为圆心的同一圆周上磁感应强度的大小相等.线圈匀速转动线圈匀速转动产生什么形式的电流产生什么形式的电流?交流电还是直流电？交流电还是直流电？产生方波的交流发产生方波的交流发电机电机摩擦纳米发电机 中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士领导中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士领导的研究小组最近研究了摩擦纳米发电机与传统电磁感应发电的研究小组最近研究了摩擦纳米发电机与传统电磁感应发电机的对称性和互补性，首次提出了摩擦纳米发电机是继电磁机的对称性和互补性，首次提出了摩擦纳米发电机是继电磁感应发电机之

4、后，采用机械能发电的又一种重要方式，是具感应发电机之后，采用机械能发电的又一种重要方式，是具有可能和电磁感应发电机同等重要的新能源技术有可能和电磁感应发电机同等重要的新能源技术。 其其原理原理基于基于摩擦生电摩擦生电和和静电感应静电感应现象，不仅能够驱动微现象，不仅能够驱动微纳电子器件工作，还可以给便携式电子设备和家用电器供电，纳电子器件工作，还可以给便携式电子设备和家用电器供电，收集收集电磁感应发电机不容易获取的电磁感应发电机不容易获取的机械能机械能，比如海浪能、机，比如海浪能、机械振动等，将有可能成为与电磁感应发电机同等重要的发电械振动等，将有可能成为与电磁感应发电机同等重要的发电技术。技

5、术。新能源技术摩擦纳米发电机 实验表明摩擦纳米发电机的内阻约为十几兆甚至上百兆实验表明摩擦纳米发电机的内阻约为十几兆甚至上百兆欧，可以欧，可以等效等效为为内阻很大的电流源内阻很大的电流源；而电磁感应发电机的内；而电磁感应发电机的内阻仅为几欧或十几欧，可以阻仅为几欧或十几欧，可以等效等效为为内阻很小的电压源内阻很小的电压源。两种。两种电源通过与电阻的串并联形式，可以实现对外电路供电的等电源通过与电阻的串并联形式，可以实现对外电路供电的等效变换。效变换。由直流电磁感应式发电机由直流电磁感应式发电机（DC-EMIG）和直流摩）和直流摩擦纳米发电机（擦纳米发电机（DC-TENG）构成的混合式直）构成的

6、混合式直流发电机结构图流发电机结构图【提升】还有哪种情况能产 生正余弦交流电？“有效值”规定:v交流电的有效值是根据电流的热效应规定的交流电的有效值是根据电流的热效应规定的.v定义定义:让让交交变电流和变电流和直直流电通过同样的电阻，如流电通过同样的电阻，如果它们在果它们在一个周期内一个周期内内产生的内产生的热量相等热量相等，就把这，就把这一一直流电直流电的数值叫做这一的数值叫做这一交流电的有效值交流电的有效值. “v（3）强调：）强调：v 计算交变电流的功、功率、热量等用有效计算交变电流的功、功率、热量等用有效值值.v交流电表（电压表或电流表）所测值为有交流电表（电压表或电流表）所测值为有效

7、值效值.v各种使用交变电流的电器设备上所示值为各种使用交变电流的电器设备上所示值为有效值有效值.v电容器的耐压值是指能够加在它两端的最电容器的耐压值是指能够加在它两端的最大电压大电压【例例1】表示交变电流随时间变化图象如图所表示交变电流随时间变化图象如图所示，则交变电流有效值为（示，则交变电流有效值为（ ）v【例2】两个相同电阻分别通以下图两种电流，在一个周期内产生的热量QA QB=? 【例例3】求以下各图电压的有效值求以下各图电压的有效值【例例4】 交流发电机矩形线圈边长交流发电机矩形线圈边长ab=cd=0.4 m，bc=ad=0.2 m，共，共50匝，线圈电阻匝，线圈电阻r=1 ，线圈，线

8、圈在在B=0.2 T的匀强磁场中，绕垂直磁场方向的轴的匀强磁场中，绕垂直磁场方向的轴OO以以 r/s转速匀速转动，外接电阻转速匀速转动，外接电阻9 ， 如图所示如图所示.求：求：（1）电压表读数；）电压表读数；（2）电阻）电阻R上电功率上电功率.100正弦交流电最大值与有效值关系推导正弦交流电最大值与有效值关系推导方法1：图像法Im2RIm2R/2T/2T0tpIm2RIm2R/2T/2T0ti2RtIimsin1tIimcos2222cosmPI Rt221sinmPI Rt2222t(sincos)mmPI RttI R2QI RT总2mII任意时刻，两电流的总功率任意时刻，两电流的总功率

9、任意时刻，两者的总功率恒定任意时刻，两者的总功率恒定经过一个周期经过一个周期,某一电流生热某一电流生热:方法2：等效法正弦交流电最大值与有效值关系推导正弦交流电最大值与有效值关系推导方法3：积分法sinmiItsinmiIt对于交流对于交流sinmiItsinmiIt0dTQPt20sindTmItRt2QI RT对于等效恒定电流201 cos 2d2TmtIRt2011sin 222TmIRtt212mQI RT2mII二、教学建议二、教学建议二二.描述交变电流的物理量描述交变电流的物理量正弦交流电最大值与有效值关系推导正弦交流电最大值与有效值关系推导2012年教材分析年教材分析方法1：图像

10、法二、教学建议二、教学建议二二.描述交变电流的物理量描述交变电流的物理量Im2RIm2R/2T/2T0tp正弦交流电最大值与有效值关系推导正弦交流电最大值与有效值关系推导方法1：图像法Im2RIm2R/2T/2T0ti2R2012年教材分析年教材分析2014年教材分析年教材分析tIimsin1tIimcos2222cosmPI Rt221sinmPI Rt2222t(sincos)mmPI RttI R21T=2tmQPI RT总2QI RT总2mII任意时刻，两电流的总功率任意时刻，两电流的总功率任意时刻，两者的总功率恒定任意时刻，两者的总功率恒定经过一个周期经过一个周期二、教学建议二、教学

11、建议二二.描述交变电流的物理量描述交变电流的物理量方法2：等效法正弦交流电最大值与有效值关系推导正弦交流电最大值与有效值关系推导2013年微格教学年微格教学二、教学建议二、教学建议二二.描述交变电流的物理量描述交变电流的物理量正弦交流电最大值与有效值关系推导正弦交流电最大值与有效值关系推导3-2教参教参P100方法3：积分法sinmiItsinmiIt对于交流对于交流sinmiItsinmiItsinmiItsinmiIt0dTQPt20sindTmItRt2QI RT对于等效恒定电流201 cos 2d2TmtIRt2011sin 222TmIRtt212mQI RT2mII二、教学建议二、

12、教学建议二二.描述交变电流的物理量描述交变电流的物理量正弦交流电最大值与有效值关系推导正弦交流电最大值与有效值关系推导拓展内容：拓展内容：学生程度学生程度较好的学校可以让学较好的学校可以让学生课下进行推导。生课下进行推导。二、教学建议二、教学建议二二.描述交变电流的物理量描述交变电流的物理量实验：实验：验证正弦验证正弦交流电最交流电最大值与有大值与有效值关系效值关系二、教学建议二、教学建议二二.描述交变电流的物理量描述交变电流的物理量相位和相位差相位和相位差相位和相位差是描述交流电很重要的物理量。相位和相位差是描述交流电很重要的物理量。理解理解相位和相位差的物理含义；相位和相位差的物理含义；蕴

13、含了蕴含了三相交流电的思想。三相交流电的思想。应该让学生应该让学生知道知道，我们所分析的一个线圈在磁场中，我们所分析的一个线圈在磁场中转动产生交流电，是生活中交流电的基础，实际生转动产生交流电，是生活中交流电的基础，实际生活的交流电是三个线圈相位相差活的交流电是三个线圈相位相差120 同时在磁场同时在磁场中转动而产生。中转动而产生。相位差与并网发电。相位差与并网发电。交流电路交流电路中元件的特性需用中元件的特性需用阻抗阻抗和和相位差相位差两两个物理量才能完整地描述个物理量才能完整地描述；二、教学建议二、教学建议三三.电感和电容对交变电流的影响电感和电容对交变电流的影响做好演示实验做好演示实验教

14、参教参P87教学片段教学片段新课的引入新课的引入A B直流直流6V交流交流6V【演示【演示1】电源分别连接至直流、交电源分别连接至直流、交流，观察灯泡亮暗；流，观察灯泡亮暗；在在AB间接间接(1) 电阻电阻R，(2) 接电感器接电感器L，(3) 接电容器接电容器C尽可能多用实验说明问题，不必尽可能多用实验说明问题，不必在理论上进行过细的讨论。在理论上进行过细的讨论。二、教学建议二、教学建议三三.电感和电容对交变电流的影响电感和电容对交变电流的影响做好演示实验做好演示实验用来源于生活的事用来源于生活的事例体会电感、电容例体会电感、电容对交变电流的影响。对交变电流的影响。【演示【演示2】二、教学建

15、议二、教学建议三三.电感和电容对交变电流的影响电感和电容对交变电流的影响基本规律基本规律1 1、线圈对交流电的阻碍作用、线圈对交流电的阻碍作用电感电感( (感抗感抗):):通直流通直流, ,阻交流阻交流；通低频通低频, ,阻高频阻高频线圈自感系数越大，交变电流的频率越高，感抗越大线圈自感系数越大，交变电流的频率越高，感抗越大. .fLXL2感抗大小：感抗大小：2 2、电容对交流电的阻碍作用、电容对交流电的阻碍作用 电容电容( (容抗容抗):):通交流通交流, ,隔直流；隔直流； 通高频通高频, ,阻低频阻低频电容器的电容越大，交变电流频率越高，容抗越小。电容器的电容越大，交变电流频率越高，容抗

16、越小。fcXc21容抗大小：容抗大小：二、教学建议二、教学建议四四.变压器变压器互感现象互感现象电磁感应现象电磁感应现象你中有我，你中有我，我中有你。我中有你。理解理解二、教学建议二、教学建议四四.变压器变压器理想变压器理想变压器什么是理想变压器？什么是理想变压器？（1）没有漏磁通量）没有漏磁通量磁损磁损（2）原、副线圈没有电阻，即无热量损失）原、副线圈没有电阻，即无热量损失铜损铜损（3）忽略磁滞损耗和涡流损耗）忽略磁滞损耗和涡流损耗铁损铁损（4）原、副线圈的感抗均趋于无穷大，从而空载电）原、副线圈的感抗均趋于无穷大，从而空载电流趋于零。流趋于零。 没有能量损失没有能量损失 没有磁通量损失没有

17、磁通量损失二、教学建议二、教学建议四四.变压器变压器理想变压器理想变压器电压比等于匝数比的推导电压比等于匝数比的推导原线圈原线圈1111EUI R 副副线圈线圈2222EUI R不计铜损（不计铜损（R=0），则），则11112222UEntUEnt不计磁损和铁损，则不计磁损和铁损，则12tt所以理想变压器：所以理想变压器：1122UnUn 电压互感器与电流互感器电压互感器与电流互感器匝数规律匝数规律 ？二、教学建议二、教学建议四四.变压器变压器串并联特点？串并联特点？导线粗细要求？导线粗细要求？区分区分电压损失与输电电压电压损失与输电电压I3PU、用用 户户U1 I2P1U2U3U4I1P2n

18、1n2n4n3I4P3P4发电厂发电厂R二、教学建议二、教学建议五五.远距离送电远距离送电输电过程及各物理量之间的关系输电过程及各物理量之间的关系弄清弄清输电过程中输电过程中三三个功率个功率四四个电流个电流五五个电压的关系个电压的关系12PP34PP23PPP 112221UnIUnI334443UnIUnI23UU U 23II三、课时分配三、课时分配教教 材材 内内 容容课时建议课时建议第一单元第一单元1.1.交变电流交变电流1 1课时课时2.2.描述交变电流的物理量描述交变电流的物理量1 1课时课时 习题课习题课1 1课时课时第二单元第二单元3.3.电感和电容对交变电流的影响电感和电容对

19、交变电流的影响1 1课时课时第三单元第三单元4.4.变压器变压器1 1课时课时5.5.电能的输送电能的输送1 1课时课时 习题课习题课1 1课时课时总课时数：总课时数：7课时（课时（+1课时课时“示波器的使用示波器的使用”）空载时，副线圈电流空载时，副线圈电流I2=0，空载时原线圈中的电流，空载时原线圈中的电流I1= I0 ，称为，称为空载电流空载电流或或励磁电流励磁电流。空载电流的作用是在铁芯内产生一定的交变磁通量，空载电流的作用是在铁芯内产生一定的交变磁通量，从而在原线圈内引起一定的感应电动势，以从而在原线圈内引起一定的感应电动势，以平衡输平衡输入电压入电压。四、问题研究四、问题研究变压器

20、副线圈空载时，原线圈闭合，为什么无输出变压器副线圈空载时，原线圈闭合，为什么无输出 功率因数 在在空载空载情况下，只要变压器是纯电感性的，则电压情况下，只要变压器是纯电感性的，则电压u1的相位超前于电流的相位超前于电流i0的相位的相位900，电动势，电动势e2的相位落后的相位落后于于i0的相位的相位900，故，故u1与与e2的相位差为的相位差为1800.而电压而电压u2的相位的相位与与e2的相位相同，所以的相位相同，所以u1与与u2的相位差为的相位差为1800，即反相。，即反相。由于漏磁通量的存在不影响电流、电压的相位关系，所由于漏磁通量的存在不影响电流、电压的相位关系，所以这个结论与变压器磁

21、芯是否存在漏磁通量无关。以这个结论与变压器磁芯是否存在漏磁通量无关。 若负载是若负载是纯电阻性纯电阻性的，的， u1与与u2的相位差为的相位差为1800 的结的结论仍然成立。若电路是论仍然成立。若电路是电感性电感性（或（或电容性电容性）的，则副线）的，则副线圈上的电流圈上的电流i2和端电压和端电压u2不再是同相位的。电流不再是同相位的。电流i2的磁通的磁通量反馈到变压器中去，将改变量反馈到变压器中去，将改变e1（或（或u1）与）与i0的相位关系的相位关系，则，则u1与与u2的相位差为的相位差为1800 的结论不再成立。的结论不再成立。四、问题研究四、问题研究原、副线圈的电压为什么反相原、副线圈

22、的电压为什么反相四、问题研究四、问题研究发电厂如何解决用户所需电能小于发电厂的输出功率发电厂如何解决用户所需电能小于发电厂的输出功率1、当用户用电需求、当用户用电需求较低较低时：时： （1）适当关闭发电机组；）适当关闭发电机组； （2）利用抽水蓄能电站。）利用抽水蓄能电站。2、当用户用电需求、当用户用电需求较高较高时：限电时：限电传感器教学建议选修3-2目 录一、教学依据二、教学建议三、课时分配一、教学依据一、教学依据课程标准的要求课程标准的要求交变电流交变电流1.1.知道非电学量知道非电学量转化转化为电学量的意义。为电学量的意义。第第1 1节节2.2.通过通过实验实验，知道常见传感器的工作原

23、理。，知道常见传感器的工作原理。3.3.列举传感器在列举传感器在生活生活和和生产生产中的应用。中的应用。第第2 2、3 3节节见教参见教参P127课程标准课程标准将将“传感器传感器”列为选修列为选修3-2模块的二级主题，模块的二级主题，体现体现课程标准课程标准对科学、技术与社会相互关系的关注。对科学、技术与社会相互关系的关注。5252 常用传感器的工作原理2015年高考考试说明年高考考试说明一、教学依据一、教学依据本章特点：本章特点：属于属于“非主干知识非主干知识”，体现应用或综合，具有创新性，体现应用或综合，具有创新性。能联系科技发展、日常生活，。能联系科技发展、日常生活，教学建议：教学建议

24、：转化思想转化思想眼见为实眼见为实培养分析能力培养分析能力二、教学分析二、教学分析 非电学量非电学量传感器传感器电学量电学量 角度角度位移位移速度速度压力压力温度温度湿度湿度声强声强光照光照 传感器传感器电压电压电流电流电阻电阻电容电容转换器件转换器件敏感元件敏感元件转换电路转换电路能通过电学能通过电学仪表观察仪表观察二、教学分析二、教学分析转换思想转换思想二、教学分析二、教学分析眼见为实眼见为实一一.传感器及其工作原理传感器及其工作原理 二二.传感器的应用传感器的应用（1 1）光敏电阻：）光敏电阻：用半导体材料制成，电阻值随光照增强用半导体材料制成，电阻值随光照增强而减小，能够把光照强弱这个

25、光学量转换为电阻这个电学而减小，能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。它就象人的眼睛，可以看到光线的强弱。量。它就象人的眼睛，可以看到光线的强弱。原理：原理：硫化镉是半导体材料，其表面受到光照强度不同时，硫化镉是半导体材料，其表面受到光照强度不同时，两个电极间的电阻也不一样。随着光照增强，载流子增多，两个电极间的电阻也不一样。随着光照增强，载流子增多，导电性变好。导电性变好。1. 1. 敏感元件敏感元件【演示】【演示】光敏电阻：路灯控制、计数光敏电阻：路灯控制、计数装置装置二、教学分析二、教学分析眼见为实眼见为实一一.传感器及其工作原理传感器及其工作原理 二二.传感器的应用传感器的应用

26、（2 2）热敏电阻：）热敏电阻：用半导体材料制成，电用半导体材料制成，电阻随温度升高而减小，温度特性曲线如图阻随温度升高而减小，温度特性曲线如图热敏电阻热敏电阻（正温度系数、负温度系数）正温度系数、负温度系数）；热敏温度计热敏温度计（3 3）金属热电阻：）金属热电阻：金属热电阻的电阻率随金属热电阻的电阻率随温度的升高而增大，用金属丝可以制作温度传感器。温度的升高而增大，用金属丝可以制作温度传感器。 金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差；金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差；与金属热电阻相比，热敏电阻的灵敏度较好。与金属热电阻相比，热敏电阻的灵敏度较好。二、教学分析二

27、、教学分析眼见为实眼见为实一一.传感器及其工作原理传感器及其工作原理 二二.传感器的应用传感器的应用其它如：其它如：磁敏电阻、声敏电阻、压敏电阻、湿敏磁敏电阻、声敏电阻、压敏电阻、湿敏电阻等。电阻等。（1 1）力电传感器：）力电传感器：力电传感器主要是利用敏感元件和变阻器把力电传感器主要是利用敏感元件和变阻器把力学信号（位移、速度、加速度等）转化为电学信号（电压、力学信号（位移、速度、加速度等）转化为电学信号（电压、电流等）的仪器。力电传感器广泛地应用于社会生产、现代科电流等）的仪器。力电传感器广泛地应用于社会生产、现代科技中，如安装在导弹、飞机、技中，如安装在导弹、飞机、潜艇和宇宙飞船上的惯性导航潜艇和宇宙飞船上的惯性导航系统及系统及ABSABS防抱死制动系统等。防抱死制动系统等。【演示3】电子秤电子秤二、教学分析二、教学分析眼见为实眼见为实一一.传感器及其工作原理传感器及其工作原理 二二.传感器的应用传感器的应用2. 传感器传感器（2 2）热电传感器（温度传感器）