新人教版高中物理选修3-2同步教案 第5章 5-1交变电流的产生和变化规律

1、第五章 交变电流本章概述本章讲述交变电流知识，是前面学过的电和磁的知识的发展和应用，并且与生产和生活有密切关系.本章重点内容是：交变电流的产生原理和变化规律，交变电流的性质和特点，变压器的工作原理，交变电流的传输及应用.这些知识点是高考命题率较高的知识点.与直流电相比，交变电流有许多优点，交变电流可以利用升压变压器升高或降低电压，便于远距离输送，可以驱动结构简单运行可靠的感应电动机。为了有利学生学习交流电的特点，更好的区分交流与直流，本章还介绍了电感和电容在交变电流中的作用，使学生了解感抗与容抗的有关知识.本章可分为三个单元：第一单元：第一节和第二节，讲交变电流的产生和描述.第二单元：第三节，

2、讲电感和电容对交变电流的作用.第三单元：第四节和第五节，讲变压器和电能的输送.第一节 交变电流本节教材分析为了适应学生的接受能力，教材采取从感性到理性、从定性到定量逐渐深入的方法讲述这个问题.教材先用教具演示矩形线圈在匀强磁场中匀速转动时产生交流电，以展示交流电是怎样产生的.并强调让学生观察教材图172所示线圈通过五个特殊位置时，电流表指针变化的情况，分析电动势和电流方向的变化，这样学生就会对电动势和电流的变化情况有个大致的了解.然后让学生用右手定则独立分析线圈中电动势和电流的方向.这样能充分调动学生的积极性,培养学生的观察和分析能力.关于交变电流的变化规律,教材利用上章学过的法拉第电磁感应定

3、律引导学生进行推导,得出感应电动势的瞬时值和最大值的表达式,进而根据闭合电路欧姆定律和部分电路欧姆定律推出电流与电压瞬时值与最大值的表达式.用图表表示交流电的变化规律是一种重要的方法,这种方法直观、形象,学生容易接受.这样做也是为后面用图象表示三相交流电准备条件,在电磁波的教学中还要用到图象的方法.在介绍了交流电的周期和频率后,可通过练习巩固学生对交流电图象的认识.在本节学生第一次接触到许多新名词,如:交流电、正弦交流电、中性面、瞬时值、最大值等.要让学生搞清楚这些名词的准确含义.要使学生了解交流电有许多种,正弦交流电是其中简单的一种,在本章教材中常把正弦交流电简称交流电.要使学生明确中性面是

4、指与磁场方向垂直的平面.中性面的特点是:线圈位于中性面时,电动势为零;线圈通过中性面时,电动势的方向要改变.要向学生指出,一般科技书中都用小写字母表示瞬时值,用大写字母并加脚标，m表示最大值. 教学目标一、知识目标1.使学生理解交变电流的产生原理，知道什么是中性面.2.掌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准确含义.二、技能目标1.掌握描述物理量的三种基本方法（文字法、公式法、图象法）.2.培养学生观察能力，空间想象能力以及将立体图转化为平面图形的能力.3.培养学生运用数学知识解决物理问题的能力.三、情感态度目标培养学生理论联系实际的思想. 教学重点交变电

5、流产生的物理过程的分析. 教学难点交变电流的变化规律及应用. 教学方法演示法、分析法、归纳法. 教学用具手摇单相发电机、小灯泡、示波器、多媒体教学课件、示教用大的电流表. 课时安排1课时 教学过程一、引入新课师出示单相交流发电机，引导学生首先观察它的主要构造.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，观察到什么现象?生小灯泡一闪一闪的.师再将手摇发电机模型与示教电流表组成闭合电路,当线框缓慢转动(或快速摆动)时,观察到什么?生电流表指针左右摆动.师线圈里产生的是什么样的电流？请同学们阅读教材后回答.生转动的线圈里产生了大小和方向都随时间做周期性变化的交变电流.师现代生产和生活

6、中大都使用交流电.交流电有许多优点，今天我们学习交流电的产生和变化规律.二、新课教学1.交变电流的产生师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？生对这个问题有浓厚的兴趣,讨论热烈.师多媒体课件打出下图.当abcd线圈在磁场中绕OO轴转动时,哪些边切割磁感线?生ab与cd.师当ab边向右、cd边向左运动时,线圈中感应电流的方向如何?生感应电流是沿着abcda方向流动的.师当ab边向左、cd边向右运动时,线圈中感应电流的方向如何?生感应电流是沿着dcbad方向流动的.师正是这两种情况交替出现,在线圈中产生了交变电流.当线圈转到什么位置时,产生的感应电动势最大?生线圈平面与磁感线平

7、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.师线圈转到什么位置时,产生的感应电动势最小?生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.师利用多媒体课件,屏幕上打出中性面概念:(1)中性面线框平面与磁感线垂直位置.(2)线圈处于中性面位置时,穿过线圈最大,但=0.(3)线圈越过中性面,线圈中I感方向要改变.线圈转一周,感应电流方向改变两次.2.交变电流的变化规律设线圈平面从中性面开始转动,角速度是.经过时间t,线圈转过的角度是t,ab边的线速度v的方向跟磁感线方向间的夹角也等于t,如右

8、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?生eab=BL1vsint=BL1sint=BL1L2sint师cd边中产生的感应电动势跟ab边中产生的感应电动势大小相同,又是串联在一起,此时整个线框中感应电动势多大?生e=eab+ecd=BL1L2sint师若线圈有N匝时,相当于N个完全相同的电源串联,e=NBL1L2sint,令Em=NBL1L2,叫做感应电动势的最大值,e叫做感应电动势的瞬时值.请同学们阅读教材,了解感应电流的最大值和瞬时值.生根据闭合电路欧姆定律,感应电流的最大值Im=,感应电流的瞬时值i=Imsint.师电路的某一段上电压的瞬时

9、值与最大值等于什么?生根据部分电路欧姆定律,电压的最大值Um=ImR,电压的瞬时值U=Umsint.师电动势、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三、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.从中性面开始计时，感应电动势瞬时值的表达式为e=NBSsin t,感应电动势的最大值为Em=NBS.3.中性面的特点：磁通量最大为m，但e=0.四、作业（略）五、板书设计六、本节优化训练设计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

10、t的变化如图所示，则下列说法中正确的是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绝对值最大C.t3时刻通过线圈的磁通量变化率的绝对值最大D.每当电动势E变换方向时，通过线圈的磁通量的绝对值都为最大2.一台发电机产生的按正弦规律变化的感应电动势的最大值为311 V，线圈在磁场中转动的角速度是100 rad/s.（1）写出感应电动势的瞬时值表达式.（2）若该发电机只与含电阻的负载组成闭合电路，电路中的总电阻为100 ，试写出通过负载的电流强度的瞬时表达式.在t= s时电流强度的瞬时值为多少？3.一个矩形线圈在匀强磁场中转动产生交流电压为u=220sin100t V，则A.它的频

11、率是50 HzB.当t=0时，线圈平面与中性面重合C.电压的平均值是220 VD.当t= s时，电压达到最大值4.交流发电机工作时的电动势的变化规律为e=Emsin t，如果转子的转速n提高1倍，其他条件不变，则电动势的变化规律将变化为A.e=Emsin2 tB.e=2Emsin2 tC.e=2Emsin4 tD.e=2Emsin t参考答案：1.D2.解析：因为电动势的最大值Em=311 V，角速度=100 rad/s，所以电动势的瞬时值表达式是e=311sin100 t V.根据欧姆定律，电路中电流强度的最大值为Im= A=3.11 A，所以通过负载的电流强度的瞬时值表达式是i=3.11s

12、in100 t A.当t= s时，电流的瞬时值为i=3.11sin(100)=3.11A=1.55 A.3.ABD4.B 备课资料1.抽水蓄能发电电被称为现代文明的血液.一天当中的不同时段,比如生产、生活最忙碌的时候,与夜晚夜深人静之际,对电的使用量往往相差十分悬殊.而电力又不能直接大量贮存.这就要求电网具有灵活的调节能力,在高峰时增加供电,而在低谷时又减少供电.否则电网的电压就会与标准不符,不仅用户无法正常用电,电网的运行安全也会受到威胁.水电、火电、核电是目前电网大规模发电的主要形式,也是电网调节的主要形式.其中水电机组开停机迅速,调节能力最强;而火电机组从开机到满负荷工作或反之运行的时间

13、往往需要近10个小时,跟不上网内的负荷变化,调节能力很差;而核电机组由于技术和安全方面的原因,基本上没有调节能力.华北电网占装机容量97%以上的是火电机组.华北属于缺电地区,用电高峰时全部机组满负荷运行也难以满足用电需求,所以不得不频繁地拉闸限电;而在低谷时电网内又有大量过剩的电能需要削减.那么,是否可以把低谷的剩余电量贮存起来,补充高峰时的供电不足,从而提高华北电网的调节能力呢?循着这样的思路,1992年9月,十三陵抽水蓄能电站破土动工了.从工程结构上说,抽水蓄能电站包括两个具有水平垂直高差的水库,分别叫作上水库和下水库.十三陵抽水蓄能电站的下水库是早已建成的十三陵水库;上水库建在十三陵水库

14、左岸蟒山后面的上寺沟内.上下水库间的落差有480 m.上水库的总库容为400万立方米.上下水库之间的山体内建有地下厂房和附属洞室,装备了既可做水泵也可做水轮机运行的蓄能机组.十三陵抽水蓄能电站的地下厂房面积为4000 m2,它装备的是4台20万kW的水泵水轮电动发电机组.连接上下水库和地下厂房的水道系统主要由进出水口、调压节隧洞以及隧洞内铺设的巨大的高压管道组成.抽水蓄能电站是依照能量转换原理工作的.在午夜之后的用电低谷蓄能机组做水泵运行,用电网内多余的电能把水库的水抽到上水库,把电能转换成势能贮存起来;在用电高峰时,机组又成为发电机,由上水库向下水库放水,像常规水电站一样,把水的势能转换成电

15、能,返送回电网补充供电的不足.这样,在蓄水放水,耗电发电的循环过程中,电站对电网负荷的高峰和低谷起到调节作用.十三陵抽水蓄能电站建成后,每年可吸收16.5亿千瓦时的低谷剩余电量,提供12亿千瓦时的高峰电量.如果按1千瓦时高峰电量可创46元产值计算,每年可创社会产值5070亿元.更重要的是抽水蓄能电站增强了华北电网的调节能力,保证了整个电网的安全经济运行.目前抽水蓄能发电在我国呈现出蓬勃发展的势头.除十三陵抽水蓄能电站外,全国还有好几个抽水蓄能电站,有的正在兴建中,有的已经投入运行.2.崛起的新能源核电电力是国民经济发展的命脉.目前世界电力主要由火电、水电和核电构成.火电是靠燃烧煤、石油等化石燃

16、料获得的.作为不可再生的自然资源,化石燃料储量有限,而且都是重要的化工和轻纺工业原料.化石燃料的燃烧还会对环境造成很大污染,是造成“酸雨”“温室效应”等环境问题的元凶.水电是可再生资源,而且不会污染环境,但它的限制条件较多,如水资源分布不均,水流量的季节变化会导致发电量的变化.只有核电能够既满足电力需求,又不污染环境.自1954年苏联建成世界上第一座核电站至今,全球已有30多个国家建起了440多台机组,总装机容量达到3亿多千瓦,其中法国、美国、日本、德国、英国等经济发达国家的核电都超过本国总发电量的20%,法国甚至达到70%以上.作为一个人口众多的发展中国家,我国的电力工业一直在稳步发展,装机

17、容量和年发电量分别排世界第四位和第三位.但人均发电量排在世界第80位,仅为世界平均水平的1/3.1996年全国电力缺口在20%左右,远远不能满足快速增长的国民经济发展的需求.我国将近70%的煤炭资源分布在华北和西北,工业发达和人口密集的东南沿海地区的煤炭和水力资源都很匮乏,国家每年都要投入巨资进行“北煤南运”.我国初步规划20002020年新增装机容量5亿千瓦.如果全部建成火电站发电用煤需要13亿吨,这无论从煤的新增产量、远距离运输,还是从生态环境等各方面看,都存在巨大困难,可以说发展核电是中国解决能源问题的一条重要途径.有关部门预测,21世纪将是中国核电大发展的时期.1991年中国大陆实现了核电零的突破.现在已有两座核电站3台核电机组共210万千瓦装机容量,其发电量占全国发电总量的1.2