东城研修：交变电流教材分析及教学建议

1、交变电流教材分析及教学建议东城区教师研修中心 2014 2,20考试说明对本章内容的要求内容内容要求要求交流发电机及其产生正弦式电流的原理、交流发电机及其产生正弦式电流的原理、交交变电流的图像和三角函数表达式、最大值变电流的图像和三角函数表达式、最大值和和有效值有效值电阻、电感、电容对交变电流的作用电阻、电感、电容对交变电流的作用变压器和原理、原变压器和原理、原副副线圈电压电流的关系线圈电压电流的关系电能的输送电能的输送实验：示波器的使用；传感器的使用实验：示波器的使用；传感器的使用1 1、正弦交变电流的产生和表述、正弦交变电流的产生和表述2 2、描述交流电的物理量、描述交流电的物理量3 3、

2、示波器的使用、示波器的使用4 4、电容器在交流电路中的作用、电容器在交流电路中的作用5 5、电感器在交流电路中的作用、电感器在交流电路中的作用6 6、变压器、变压器7 7、电能的输送、电能的输送本章主要内容电磁感应电场交变流电闭合电路磁场本章知识的地位和作用理论探究交流电的产生研究方法：对照实际模型，将立体图转化为平面图分析研究方法：对照实际模型，将立体图转化为平面图分析提问：线圈处于何提问：线圈处于何位置时，感应电动位置时，感应电动势最大？势最大？利用俯视利用俯视图分析图分析利用侧视利用侧视图分析图分析vvA(B)D(C)锻炼空间想象能力研究方法：先研究特殊位置，再研究一般位置研究方法：先研

3、究特殊位置，再研究一般位置理论探究交流电的产生D(C)vvA(B)vvA(B)D(C)NBSLNBLe2221sinsin2221NBSLNBLe其中，当=0 时，e=0;当=90 时，e=Em;D(C)vvA(B)体会特殊和一般的关系研究方法：先研究特殊位置，再研究一般位置研究方法：先研究特殊位置，再研究一般位置理论探究交流电的产生abcdkLABabcKLABabcdkLAabcdK LABabcdkLABt0tt0t4T2T43TT2432t 设设N匝正方形匝正方形线圈的边长为线圈的边长为L,在匀强磁场在匀强磁场B中绕垂直于磁场的对称轴以角中绕垂直于磁场的对称轴以角速度速度匀速转动匀速转

4、动,如图所示如图所示,ab和和cd边垂直于纸面边垂直于纸面,转轴为转轴为O.试推试推导感应电动势大小的变化规导感应电动势大小的变化规律公式。律公式。 以线圈经过中性面开始计时，以线圈经过中性面开始计时，在在t时刻线圈中的感应电动势时刻线圈中的感应电动势(ab和和cd边切割磁感线边切割磁感线 )tsinNBStsinLNBLe 22分分析析v =vsintv/=vcost交流电的变化规律（表述）1、用函数方法表述：用函数方法表述： 以线圈经过中性面开始计时，在以线圈经过中性面开始计时，在 t 时刻线圈中时刻线圈中的感应电动势为的感应电动势为 tNBSesinNBSEm令令tsinEem 则则其中

5、，其中，Em为电动势的最大值为电动势的最大值(峰值峰值) e为电动势在时刻为电动势在时刻t的瞬时值的瞬时值2 2、用图像的方法描述：、用图像的方法描述：交流电的变化规律（表述）et0t4T2T43TT2432mEmE 以线圈经过中性面开始计时，线圈中的感应电以线圈经过中性面开始计时，线圈中的感应电动势动势 e 随时间随时间 t 变化的图线为正弦曲线变化的图线为正弦曲线t0tt0t4T2T43TT2432t若某个物理量如若某个物理量如 随时间按余弦规律变化随时间按余弦规律变化那么它的变化率如那么它的变化率如 / / t t 就随时间按正就随时间按正弦规律变化弦规律变化 1 1、中性面中性面：线圈

6、平面与磁感线垂直的位置叫：线圈平面与磁感线垂直的位置叫做中性面。做中性面。 2 2、线圈经过、线圈经过中性面中性面时时, ,穿过线圈的穿过线圈的磁通量最大磁通量最大, ,但磁通量的变化率为零但磁通量的变化率为零( ( abab和和cdcd边都不切割磁感线边都不切割磁感线) )，线圈中的线圈中的电动势为零电动势为零, ,方向要改变。方向要改变。 线圈经过与线圈经过与中性面中性面垂直位置垂直位置( (即线圈平面与磁即线圈平面与磁感线平行感线平行) )时，穿过线圈的时，穿过线圈的磁通量为零磁通量为零，但磁通量，但磁通量的变化率最大（的变化率最大（ abab和和cdcd边都垂直切割磁感线），边都垂直切

7、割磁感线），线圈中的线圈中的电动势最大电动势最大，方向不变。，方向不变。 3 3、线圈经过中性面时、线圈经过中性面时, ,电流将改变方向电流将改变方向, ,线圈转线圈转动动一周一周, ,两次两次经过中性面，电流方向改变经过中性面，电流方向改变两次两次。 则电流按正弦规律变化则电流按正弦规律变化 tsinIrReim 负载电压按正弦规律变化负载电压按正弦规律变化 tsinUum RIUiRumm若电动势按正弦规律变化若电动势按正弦规律变化tsinEem 当负载为电灯等纯电阻用电器时当负载为电灯等纯电阻用电器时1、最大值（峰值）： Em Um m SNBEm、瞬时值： u i e描述交流电的物理量

8、、周期和频率：（1）周期：交变电流完成一次周期性变化所需的时间。（3）角频率：线圈在匀强磁场中转动的角速度。 （2）频率：一秒内完成周期性变化的次数。 T和f的物理意义：表征交流电变化的快慢。（4）关系：Tf1fT22 我国生产和生活用交流电的周期T_s，频率f= _Hz，角速度_rad/s，在1s内电流的方向变化_次。0.0250100一个周期内电流方向改变两次。、有效值： E U I （1）定义： 根据电流的热效应来规定，让交流电和直流通过同一电阻，在相同时间 内产生的热量相等，则这个直流电的电流和电压值就分别称为相应交流电电流和电压的有效值。（2）正弦交流电的有效值与最大值的关系：2mE

9、E 2mII (3)说明：A、以上关系式只适用于正弦或余弦交流电；B、交流用电器的额定电压和额定电流 指的是有效值； C、交流电流表和交流电压表的读数是 有效值D、对于交流电若没有特殊说明的均指 有效值平均值：ENtB、求通过某导体截面的电量一定要用 平均值。（4）注意：峰值（最大值）、有效值、平均值在应用上的区别。 A、在求交流电的功、功率或电热时必 须用交流电的有效值。 例.如图表示一交流的电流随时间变化的图像,求该电流的有效值。4 23 2222121122I RTI RTI RT22121()2III221(4 2)(3 2)52A取直流电源的电压与交流电电压的_相等 有效值有效值电感

10、器在交流电路中的作用 进一步探究得出结论： 决定电感器对交流电阻碍大小的因素有两个：一是交变电流的频率，二是线圈本身的性质，即线圈匝数、横截面积，有无铁芯等因素 电感对交变电流阻碍作用的大小称为感抗电感器在交流电路中的作用 理论分析：通过线圈的电流大小和方向变化，都会引起通过线圈的磁通量发生变化，从而产生感应电动势，这种现象就是自感现象根据楞次定律，自感电动势所引起的感应电流总是要使它产生的磁场阻碍线圈内原有磁场的变化，所以自感电动势对线圈中电流的变化有阻碍作用，这样就形成了对交变电流的阻碍作用，电感对交变电流阻碍作用的大小就称为感抗电感器在交流电路中的作用电容器在交流电路中的作用实验结论：电

11、容器能够导通交流电实验结论：电容器能够导通交流电实验现象实验现象 电路中串有电容器时，接通电路中串有电容器时，接通 电源，灯电源，灯泡不亮；接通泡不亮；接通 电源，灯泡亮电源，灯泡亮进一步探究得出结论： 交变电流的频率越高，对交流电的的阻碍作用越小；电容器的电容越大，对交流电的的阻碍作用越小；阻碍越小 电容对交变电流阻碍作用的大小称为容抗电容器在交流电路中的作用 理论分析：电容器两极板间是绝缘材料，当电容器接到交流电源上时，自由电荷不会通过两极板间的绝缘电介质，只不过在交变电压的作用下，电容器交替进行充电和放电，电路中就有电流了，表现为交变电流“通过”了电容器 交变电流的频率越高，电容器充电时

12、集聚的电荷相对较少，对电荷运动的阻碍作用越小，容抗也越小同理，电容器的电容越大，容纳电荷的本领越大，充放电时所受的阻碍越小，容抗也就越小，电容器在交流电路中的作用 将纯电阻、纯电感、纯电容分别接在交流电路中，设元件两端电压的有效值为U 则元件中的电流分别满足：RUIRfUUILL2fCUUICC2纯电阻、纯电容和纯电感在交流电路中的作用例：如图所示，电路中完全相同的三只灯泡a、b、c分别与电阻R、电感L、电容C串联，然后再并联到220 V、50 Hz的交流电路上，三只灯泡亮度恰好相同若保持交变电压不变，将交变电流的频率增大到60 Hz，则发生的现象是A三灯亮度不变 B三灯均变亮Ca不变、b变亮

13、、c变暗 Da不变、b变暗、c变亮 纯电阻、纯电容和纯电感在交流电路中的作用变压器变压器的结构与原理变压器的电压与匝数的关系变压器的电流与匝数的关系几种常见变压器实验探究理论探究变压器的原理与构造G电 源AB线圈线圈A中的电流变化时，引起中的电流变化时，引起线圈线圈A中磁通量的变化，这个中磁通量的变化，这个变化的磁通量的一部分会穿过变化的磁通量的一部分会穿过靠近靠近A的的B线圈线圈在线圈在线圈A和线圈和线圈B中都要引起中都要引起感应电动势感应电动势在在A中引起中引起的的eA就是自感电动势，在就是自感电动势，在B中引起的称为中引起的称为A对对B的互感电的互感电动势动势eAB同时，如线圈同时，如线

14、圈B中感中感应出的电流是变化的，应出的电流是变化的，也会对也会对B和和A提供变化提供变化的磁通的磁通.变压器的原理：互感现象变压器的原理：互感现象变压器的原理与构造变压器的结构：变压器的结构：为增强互感，将线圈绕在闭合铁心上为增强互感，将线圈绕在闭合铁心上变压器的电压与匝数的关系实验探究：实验探究：器材：可拆变压器、学生电源、交流电表器材：可拆变压器、学生电源、交流电表实验记录：实验记录：n1/匝匝n2/匝匝n1/n2U1/VU2/VU1/U2变压器的电压与匝数的关系tne111u1i1e2e2utne222121nnee 副线圈空载时，副线圈空载时， 在原线圈上加交变电压，在铁心中产在原线圈

15、上加交变电压，在铁心中产生交变磁通，在两线圈中分别感应出电动势生交变磁通，在两线圈中分别感应出电动势e1e1、e2e2。根据电。根据电磁感应定律可写出电动势的瞬时方程式：磁感应定律可写出电动势的瞬时方程式：相同相同变压器的电压与匝数的关系1U2U1u2uLZ1u1i1e2e2u2i2121nnee 当副线圈接负载形成当副线圈接负载形成回路时，副线圈的闭合回回路时，副线圈的闭合回路中也产生电流，此时铁路中也产生电流，此时铁心内的磁通由原副线圈中心内的磁通由原副线圈中的电流共同决定，且任意的电流共同决定，且任意时刻穿过时刻穿过 各截面的磁通各截面的磁通相同，因此仍有相同，因此仍有对原线圈回路对原线

16、圈回路：1111rieu当线圈电阻很小当线圈电阻很小 可忽略，可忽略，则有则有11ri11eu 对副线圈回路：对副线圈回路：2222riue当线圈电阻很小当线圈电阻很小 可忽略，可忽略，则有则有22ri22eu 于是有：于是有：2121nnuu即即: : 121221nnUUII理想变压器原副线圈的理想变压器原副线圈的电流电流跟它们的跟它们的匝匝数数成成反比反比变压器的电流与匝数的关系 在不计铁心漏磁和线圈电阻等引起损耗的理想情况下，有：在不计铁心漏磁和线圈电阻等引起损耗的理想情况下，有：从输入端输入的电能等于从输出端输出的电能从输入端输入的电能等于从输出端输出的电能1 1电压关系电压关系 当

17、变压器原、副线圈的匝数比当变压器原、副线圈的匝数比( (n n1 1/ /n n2 2) )一定一定时，输出电压时，输出电压U U2 2由输入电压由输入电压U U1 1决定，即决定，即U U2 2n n2 2U U1 1/ /n n1 1. .2 2电流制约电流制约 当变压器原、副线圈的匝数比当变压器原、副线圈的匝数比( (n n1 1/ /n n2 2) )一定，一定，且输入电压且输入电压U U1 1确定时，确定时，原线圈中的电流原线圈中的电流I I1 1由由副线圈中的输出电流副线圈中的输出电流I I2 2决定，即决定，即I I1 1n n2 2I I2 2/ /n n1 1. .变压器工作

18、时的制约关系3功率关系功率关系(1)(1)变压器副线圈中的功率变压器副线圈中的功率P P2 2由用户负载决定，由用户负载决定，P P2 2P P负负1 1P P负负2 2；(2)(2)变压器副线圈中的电流变压器副线圈中的电流I I2 2由用户负载及电压由用户负载及电压U U2 2确定，确定，I I2 2P P2 2/ /U U2 2；(3)(3)理想变压器将电能由原线圈传给副线圈时总是理想变压器将电能由原线圈传给副线圈时总是“量出为入量出为入”，即用户消耗多少，原线圈就提供，即用户消耗多少，原线圈就提供多少，因而输出功率决定输入功率，多少，因而输出功率决定输入功率，P P1 1P P2 2；即

19、即变压器的输入功率是由输出功率决定的变压器的输入功率是由输出功率决定的变压器工作时的制约关系4对理想变压器进行动态分析的两种常见情况对理想变压器进行动态分析的两种常见情况(1)原、副线圈匝数比不变，分析各物理量随负载原、副线圈匝数比不变，分析各物理量随负载电阻变化而变化的情况，进行动态分析的顺序是电阻变化而变化的情况，进行动态分析的顺序是RI2P2P1I1.(2)负载电阻不变，分析各物理量随匝数比的变化负载电阻不变，分析各物理量随匝数比的变化而变化的情况，进行动态分析的顺序是而变化的情况，进行动态分析的顺序是n1、n2U2I2P2P1I1.特别提醒：理想变压器的副线圈可看做给用户供特别提醒：理想变压器的副线圈可看做给用户供电的无阻电源，对负载电路进行动态分析时，可电的无阻电源，对负载电路进行动态分析时，可以参照直流电路动态分析的方法以参照直流电路动态分析的方法在输电线路中，存在三个回路在输电线路中，存在三个回路电能的输送1、传感器的概念：、传感器的概念：2、传感器的工