2024-2025学年高中物理 第五章 交变电流 1 交变电流（1）教案 新人教版选修3-2

2024-2025学年高中物理第五章交变电流1交变电流（1）教案新人教版选修3-2课题：科目：班级：课时：计划1课时教师：单位：一、教学内容2024-2025学年高中物理第五章交变电流1交变电流（1）

本节教学内容选自新人教版选修3-2，主要包括以下内容：

1.交变电流的定义及其与直流电的区别；

2.交流发电机的工作原理及构造；

3.描述交变电流的物理量：最大值、有效值、周期、频率、相位等；

4.交变电流的波形图及其表示方法；

5.交变电流的欧姆定律及其应用；

6.简单交流电路的分析：纯电阻、纯电容、纯电感电路的特性；

7.交变电流功率的计算：有功功率、无功功率、视在功率及其关系。二、核心素养目标本章节的核心素养目标旨在通过交变电流的学习，提升学生的以下能力：

1.物理观念：理解交变电流的基本概念，建立交流电与直流电的区别，形成完整的电磁感应知识体系；

2.科学思维：培养学生运用物理知识分析交流发电机工作原理及简单交流电路的能力，提高逻辑推理和问题解决能力；

3.科学探究：通过实验观察和分析交变电流的波形，培养学生观察、实验、分析、总结的科学探究方法；

4.科学态度与责任：激发学生对物理学科的兴趣，养成勇于探索、严谨治学的态度，关注电磁现象在实际应用中的优势与局限；

5.跨学科综合能力：联系数学、信息技术等学科知识，理解交变电流涉及的复杂计算和实际应用，提升学生的跨学科综合运用能力。三、重点难点及解决办法重点：

1.交变电流物理量的定义及其计算；

2.交流发电机的工作原理及构造；

3.简单交流电路的特性分析；

4.交变电流功率的计算及各功率之间的关系。

难点：

1.交变电流波形图的理解与绘制；

2.纯电容和纯电感电路中电流与电压的相位关系；

3.交变电流有功功率、无功功率和视在功率的区分及应用。

解决办法与突破策略：

1.采用图示和动画辅助教学，帮助学生直观理解交变电流的物理量及波形图；

2.通过实验演示交流发电机的工作原理，增强学生的直观感受；

3.引导学生运用数学知识分析交流电路的相位关系，结合实际电路图进行讲解；

4.设计案例分析和问题讨论，让学生在实际问题中区分和应用交变电流功率的计算；

5.针对难点问题，组织小组合作学习，鼓励学生互相交流、讨论，共同突破难点。四、教学资源准备1.教材：

-确保每位学生都准备了新人教版选修3-2的物理教材，以便课堂上能直接查阅第五章交变电流的相关内容。

-提供课堂讲义，包括交变电流的基本概念、物理量计算公式、交流发电机原理、简单交流电路特性分析等关键知识点。

2.辅助材料：

-准备交变电流相关的图片，如交流发电机结构图、交变电流波形图、不同类型的交流电路图等，以便于学生直观理解。

-准备交变电流的动态图表和视频资料，包括正弦波形动画、交流发电机工作过程、电容电感对交流电的影响等，增强学生的视觉感知。

-收集一些实际生活中的交变电流应用案例，如家用电器、工业设备等，以便在课堂上进行案例分析。

3.实验器材：

-准备交流发电机模型，以便进行现场演示，让学生观察并理解交流电的产生过程。

-准备示波器、信号发生器、电阻、电容、电感等实验器材，用于观察和分析交变电流的波形及电路特性。

-确保所有实验器材均经过安全检查，并在实验前对学生进行安全指导。

4.教室布置：

-将教室分为教学区、实验操作区和小组讨论区，以便于进行不同的教学活动。

-教学区应配备多媒体设备，包括投影仪、计算机等，用于展示辅助材料和教学课件。

-实验操作区应宽敞、安全，并配备必要的实验器材和工具。

-小组讨论区应设置在教室的四周，便于学生进行小组讨论和协作学习，每个小组配有白板或海报纸，方便记录讨论成果。五、教学过程设计1.导入新课（5分钟）

目标：引起学生对交变电流的兴趣，激发其探索欲望。

过程：

开场提问：“你们知道交变电流是什么吗？它与我们的生活有什么关系？”

展示一些关于交变电流的图片或视频片段，让学生初步感受交变电流的魅力和特点。

简短介绍交变电流的基本概念和重要性，为接下来的学习打下基础。

2.交变电流基础知识讲解（10分钟）

目标：让学生了解交变电流的基本概念、组成部分和原理。

过程：

讲解交变电流的定义，包括其主要物理量。

详细介绍交变电流的物理量含义、计算方法，使用图表或示意图帮助学生理解。

通过实例，让学生更好地理解交变电流的实际应用。

3.交变电流案例分析（20分钟）

目标：通过具体案例，让学生深入了解交变电流的特性和重要性。

过程：

选择几个典型的交变电流案例进行分析，如家用电器、工业设备等。

详细介绍每个案例的背景、特点和意义，让学生全面了解交变电流的多样性。

引导学生思考这些案例对实际生活或学习的影响，以及如何应用交变电流解决实际问题。

小组讨论：让学生分组讨论交变电流的未来发展或改进方向，并提出创新性的想法或建议。

4.学生小组讨论（10分钟）

目标：培养学生的合作能力和解决问题的能力。

过程：

将学生分成若干小组，每组选择一个与交变电流相关的主题进行深入讨论。

小组内讨论该主题的现状、挑战以及可能的解决方案。

每组选出一名代表，准备向全班展示讨论成果。

5.课堂展示与点评（15分钟）

目标：锻炼学生的表达能力，同时加深全班对交变电流的认识和理解。

过程：

各组代表依次上台展示讨论成果，包括主题的现状、挑战及解决方案。

其他学生和教师对展示内容进行提问和点评，促进互动交流。

教师总结各组的亮点和不足，并提出进一步的建议和改进方向。

6.课堂小结（5分钟）

目标：回顾本节课的主要内容，强调交变电流的重要性和意义。

过程：

简要回顾本节课的学习内容，包括交变电流的基本概念、物理量、案例分析等。

强调交变电流在现实生活或学习中的价值和作用，鼓励学生进一步探索和应用交变电流。

布置课后作业：让学生撰写一篇关于交变电流的短文或报告，以巩固学习效果。六、知识点梳理1.交变电流的定义及特点

-交变电流是指电流大小和方向随时间周期性变化的电流。

-与直流电相比，交变电流具有方向变化、频率和相位等特点。

2.交变电流的物理量

-最大值（Im）和有效值（Ieff）：分别表示交变电流的最大和等效直流值。

-周期（T）和频率（f）：周期指电流或电压完成一次周期性变化所需的时间；频率是指单位时间内完成周期性变化的次数。

-相位：表示交变电流或电压波形相对于参考点（如零点）的偏移角度。

3.交流发电机的工作原理及构造

-工作原理：利用电磁感应原理，将机械能转化为电能。

-构造：主要包括转子和定子两部分，转子上有磁极，定子上有线圈。

4.交变电流的波形图及表示方法

-波形图：用图形表示交变电流或电压随时间变化的关系。

-表示方法：包括解析法、图形法和数值法等。

5.简单交流电路分析

-纯电阻电路：电流与电压同相位，欧姆定律适用。

-纯电容电路：电流领先电压90度，容抗表示电容对交流电的阻碍作用。

-纯电感电路：电流滞后电压90度，感抗表示电感对交流电的阻碍作用。

6.交变电流功率计算

-有功功率（P）：表示交变电流在电阻上产生的功率，单位为瓦特（W）。

-无功功率（Q）：表示交变电流在电容和电感上产生的功率，单位为乏（var）。

-视在功率（S）：表示交变电流的总功率，单位为伏安（VA）。

7.交变电流功率因数

-功率因数：表示有功功率与视在功率的比值，反映了交流电路的效率。

-提高功率因数的方法：通过并联电容或串联电感来减小无功功率，提高功率因数。

8.交变电流的实际应用

-家用电器：如电风扇、洗衣机等。

-工业设备：如电动机、变压器等。

-电力系统：如发电、输电、配电等。

9.交变电流的测量与保护

-测量：使用交流电流表、电压表、功率表等仪器进行测量。

-保护：采用熔断器、断路器、绝缘保护等装置进行电路保护。七、典型例题讲解例题1：计算交变电流的有效值

给定一个正弦交变电流，其最大值为10A，求其有效值。

解答：

有效值计算公式为：\(I_{eff}=\frac{I_{max}}{\sqrt{2}}\)

代入数据得：\(I_{eff}=\frac{10A}{\sqrt{2}}\approx7.07A\)

例题2：分析交流电路的相位关系

一个电阻10Ω、电容10μF、电感10mH的串联交流电路，接入频率为50Hz的交变电压源，求电流与电压的相位关系。

解答：

电阻的阻抗为：\(Z_R=R=10Ω\)

电容的阻抗为：\(Z_C=\frac{1}{2\pifC}=\frac{1}{2\pi\times50\times10\times10^{-6}}\approx31.83Ω\)

电感的阻抗为：\(Z_L=2\pifL=2\pi\times50\times10\times10^{-3}\approx314.16Ω\)

电路总阻抗为：\(Z_{total}=Z_R+Z_C+Z_L\approx356.9Ω\)

电流与电压的相位关系：

-电阻：电流与电压同相位；

-电容：电流领先电压90度；

-电感：电流滞后电压90度。

例题3：计算交变电流的有功功率

一个纯电阻负载，接入电压为220V，频率为50Hz的交变电源，求该电路的有功功率。

解答：

有功功率计算公式为：\(P=V\timesI\times\cos(\phi)\)

其中，\(\cos(\phi)\)对于纯电阻负载为1。

电流计算公式为：\(I=\frac{V}{R}\)

代入数据得：\(I=\frac{220V}{R}\)

假设电阻值为100Ω，则电流为：\(I=2.2A\)

有功功率为：\(P=220V\times2.2A=484W\)

例题4：计算交变电流的无功功率

一个电容为100μF的负载，接入电压为220V，频率为50Hz的交变电源，求该电路的无功功率。

解答：

无功功率计算公式为：\(Q=V\timesI\times\sin(\phi)\)

其中，\(\sin(\phi)\)对于纯电容负载为1。

电容的阻抗为：\(Z_C=\frac{1}{2\pifC}=\frac{1}{2\pi\times50\times100\times10^{-6}}\approx31.83Ω\)

电流为：\(I=\frac{V}{Z_C}=\frac{220V}{31.83Ω}\approx6.9A\)

无功功率为：\(Q=220V\times6.9A\times\sin(90^\circ)=220V\times6.9A\)

例题5：计算交流电路的视在功率

一个电阻10Ω、电容10μF、电感10mH的并联交流电路，接入电压为220V，频率为50Hz的交变电源，求该电路的视在功率。

解答：

并联电路中，总阻抗为各分支阻抗的倒数之和。

电容的阻抗为：\(Z_C=31.83Ω\)

电感的阻抗为：\(Z_L=314.16Ω\)

并联总阻抗为：\(Z_{total}=\frac{1}{\frac{1}{Z_R}+\frac{1}{Z_C}+\frac{1}{Z_L}}\)

电流为：\(I=\frac{V}{Z_{total}}\)

视在功率为：\(S=V\timesI\)

注意：以上例题中，计算过程中未考虑实际电路中的损耗和误差。实际应用中，需要根据具体情况进行修正。以下为具体数值计算结果：

例题1结果：\(I_{eff}\approx7.07A\)

例题2结果：电流与电压的相位关系如解答所述。

例题3结果：\(P=484W\)

例题4结果：\(Q=220V\times6.9A\)

例题5结果：通过计算得到并联电路的视在功率。八、板书设计1.交变电流的定义及特点

-定义：电流大小和方向随时间周期性变化的电流

-特点：方向变化、频率和相位等

2.交变电流的物理量

-最大值（Im）：电流的最大值

-有效值（Ieff）：电流的等效直流值

-周期（T）：电流完成一次周期性变化所需的时间

-频率（f）：单位时间内完成周期性变化的次数

-相位：电流波形相对于参考点的偏移角度

3.交流发电机的工作原理及构造

-工作原理：利用电磁感应原理，将机械能转化为电能

-构造：转子上有磁极，定子上有线圈

4.交变电流的波形图及表示方法

-波形图：表示交变电流或电压随时间变化的关系

-表示方法：解析法、图形法、数值法等

5.简单交流电路分析

-纯电阻电路：电流与电压同相位，欧姆定律适用

-纯电容电路：电流领先电压90度，容抗表示电容对交流电的阻碍作用

-纯电感电路：电流滞后电压90度，感抗表示电感对交流电的阻