人教新课标2交变电流教学设计

教学设计(二)eq\o(\s\up7(),\s\do5(整体设计))教学目的1．交变电流的产生及变化规律。2．会用公式和图象表示交变电流。3．培养学生观察实验能力和思维能力。重点、难点、疑点及解决办法1．重点：交变电流产生的物理过程分析及中性面的特点。2．难点：交变电流产生的物理过程分析。3．疑点：当线圈处于中性面时磁通量最大，而感应电动势为零。当线圈平行磁感线时，通过线圈的磁通量为零，而感应电动势最大。即Φmin＝0，Em有最大值；Φmax＝BS。Emin＝0的理解。4．解决办法(1)通过对矩形线圈在匀强磁场中匀速转动一周的实物演示，立体图结合侧视图的分析、特殊位置结合任一位置分析使学生了解交变电流的大小和方向是如何变化的。(2)通过侧视图分析线圈运动方向与磁场方向B之间的关系，利用导体切割磁感线方法来处理，使问题容易理解。教学准备手摇发电机模型、演示电流计、导线若干、微机、实物投影。eq\o(\s\up7(),\s\do5(教学过程))[事件1]创设情景，导入新课。1831年法拉第发现了电磁感应现象，为人类进入电气化时代打开了大门，今天我们使用的电灯、微波炉等家用电器的交流电是怎样产生并且送到我们的家庭中来的呢？这就是这章要学习的内容，先看第一节：交流电的产生。知识回顾教师：如何产生感应电流？请运用电磁感应的知识，设计一个发电机模型。教师巡视教室一圈，将学生典型的两种画法用幻灯片展现。请学生回答电路中为什么会有感应电流？学生回答，①电路闭合，②磁通量变化。引导学生答出甲图由面积增大引起磁通量增加。乙图是由线圈平面与磁感线的夹角变化引起磁通量变化。[事件2]交变电流的产生。拿出手摇发电机模型，介绍主要部件，(对照乙图)将发电机接演示用电流计缓慢转动线框一周，让学生观察电流计指针偏转情况(重复两次)。学生：指针左右摆动一次。这说明通过电流计的电流有何特点？[学生]电流大小变化，方向变化。[教师]连续3次缓慢转动线框，请学生继续观察电流计指针偏转情况。[学生]连续左右摆动3次。[教师]这反映在连续转动线框过程中，通过电流计的电流有何特点？[学生]周期性变化。[教师]我们把这种大小、方向都随时间作周期性变化的电流叫做交流电。[事件3]交变电流的变化规律。刚才矩形线圈在匀强磁场中匀速转动为什么可以产生交流电？产生的交流电又属于哪种交流电呢(就刚才实物提问)？这节课我们就来解决这些问题。线框匀速转动过程中，哪些边在切割磁感线？ab边、cd边。ab边、cd边其实在绕OO′做匀速圆周运动。演示并观察何时电动势最大？教师缓慢转动线框，请学生发现指针偏转最大时喊停。此时线圈平面与磁感线平行。演示并观察何时电动势最小？教师缓慢转动线框，请学生发现指针偏转最小时喊停。当线框平面垂直磁感线时，感应电动势最小。为了便于讨论，我们来看图(转动一周中的五个特殊位置)。教师交代1．磁场为匀强磁场。2．OO′与ab边、cd边等距且ab＝cd＝l1、bc＝da＝l2我们把线框与磁感线垂直的平面称为中性面，线框处于中性面时通过的磁通量最大。为了能更方便地说明问题，我们将立体图转化为平面图来分析，那如何转化呢？我们一起来看甲图是如何转化的，我们能看到的边是ad边，切割的两条边ab、cd可用点来表示，即为(甲)图。切割边ab、cd在图中的运动方向呢？ab边、cd边绕OO′作圆周运动，所以运动方向时刻与圆周半径垂直。请同学们在(甲)图标上边ab、cd此时的运动方向。请同学们完成其余四图转化工作及标上ab、cd在各图中的切割方向。学生完成后，用幻灯片进行校正。我们现在来分析线框转动一周过程中是如何产生交变电流的。甲图中的运动方向v平行于磁感应强度方向B，则各边产生的感应电动势多大？ab边、cd边产生感应电动势均为零，则线框中总感应电动势为零。同样得出乙图中eab＝Bl1v，由学生利用右手定则判断出电流方向a→b。ecd＝Bl1v，由学生利用右手定则判断出电流方向c→d。线框由甲位置经t时间到某位置时，如图示，(幻灯片上)此时，ab、cd运动方向如何？v与B方向夹角如何？如何处理？此时ab边、cd边运动方向与ad垂直。线框转过的角度为ωt。将v分解v1＝vsinωtv1⊥Bv2＝vcosωtv2∥BEab＝Bl1vsinωta→becd＝Bl1vsinωtc→d即线框中感应电动势e＝2Bl1vsinωtv＝ωeq\f(l2,2)，得e＝BSωsinωt若为N匝，则e＝NBSωsinωt，其中Em＝NBSWa→b→c→d。而后半周期学生较熟练，教师引导学生完成，应特别注意电流方向。最后师生共同总结：线框在匀强磁场中匀速转动一周过程中：①线框中电流按正弦规律变化，故称正弦交变电流。e＝Emsinωtt＝0时线框处中性面时开始计时。②中性面特点：a.Φmax＝BSε＝0b．电流在此改变方向，线框转动一周内电流方向改变两次。③当S∥B时Φmin＝0，Em＝2Bl1v[事件4]交变电流的图象。我们照明电路里的电流就是由这种发电机(实际结构比这个复杂)产生的交流电，通过实验来观察它的电压随时间变化图象。教师将示波器提到讲台桌上，先向学生介绍其功能、用途。然后将生活用电接到示波器观察图象如何。按正弦规律变化表达式e＝εmsinωt。将此电压接到电阻为R电路中的电流图象如何呢？由学生答出。闭合电路欧姆定律同样适用纯电阻的交流电路，但注意时刻的对应关系。几种常见的交变电波形：[事件5]学生总结提升。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＝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。eq\o(\s\up7(),\s\do5(板书设计))交变电流eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(产生：矩形线圈在匀强磁场中转动,规律：e＝NBSωsinωt,图象：是一条正弦曲线))[事件6]优化训练1．如图所示表示交变电流的图象是()2．一只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的图象如图甲所示，则下列说法中正确的是()A．t＝0时刻线圈平面与中性面垂直B．t＝0时刻线圈平面与中性面平行C．t＝秒时刻，交流电动势达到最大D．该线圈相应的交流电动势图象如图乙所示3．一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311V，线圈在磁场中转动的角速度是100πrad/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100Ω，试写出通过负载的电流强度的瞬时表达式。在t＝eq\f(1,120)s时电流强度的瞬时值为多少？4．一个矩形线圈在匀强磁场中转动产生交流电压为u＝220eq\r(2)sin100πtV，则…()A．它的频率是50HzB．当t＝0时，线圈平面与中性面重合C．电压的平均值是220VD．当t＝eq\f(1,200)s时，电压达到最大值5．交流发电机工作时的电动势的变化规律为e＝Emsinωt，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＝Emsin2ωtB．e＝2Emsin2ωtC．e＝2Emsin4ωtD．e＝2Emsinωt参考答案：1．CD3．解析：因为电动势的最大值Em＝311V，角速度ω＝100πrad/s，所以电动势的瞬时值表达式是e＝311sin100πtV。根据欧姆定律，电路中电流强度的最大值为Im＝eq\f(Em,R)＝eq\f(311,100)A＝3.11A，所以通过负载的电流强度的瞬时值表达式是i＝πt。当t＝eq\f(1,120)s时，电流的瞬时值为i＝(100π·eq\f(1,120))＝×eq\f(1,2)A＝1.56A。4．ABDeq\o(\s\up7(),\s\do5(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左岸蟒山后面的上寺沟内。上下水库间的落差有480m。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4000m2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4～6元产值计算，每年可创社会产值50～70亿元。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2000～2022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%。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