電感和電容對交變電流的影響教學(xué)案例

1、“電感和電容對交變電流的影響”教學(xué)案例以普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)的課程目標(biāo)要求來設(shè)計(jì)浙江省東陽中學(xué)（322100） 韋國清 普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中從知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀三個(gè)維度上，提出了高中物理課程的具體目標(biāo)。在教學(xué)設(shè)計(jì)過程中，我們需要從這三個(gè)維度來構(gòu)建教學(xué)內(nèi)容和安排教學(xué)活動(dòng)。下面是結(jié)合課程目標(biāo)的要求，全日制普通高中教科書（試驗(yàn)修訂本 必修加選修）物理第二冊電感和電容對交變電流的影響一節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)。教學(xué)目標(biāo)1 知識與技能知道電感線圈有“通直流阻交流”和電容器有“隔直流通交流”的作用；知道感抗、容抗的大小由哪些因素決定；能解釋電感和電容對交變電流產(chǎn)生影響的原因；了解電感和電容器在

2、電子技術(shù)等方面的應(yīng)用。2過程與方法觀察演示實(shí)驗(yàn)，理解實(shí)驗(yàn)過程中控制變量的方法；通過研究感抗（容抗）與自感系數(shù)（電容）的定性關(guān)系，獲得實(shí)驗(yàn)探究過程的體驗(yàn)； 通過對電感和電容對交變電流影響的理論分析，體會(huì)理論解釋實(shí)驗(yàn)的成功感受。 3情感態(tài)度與價(jià)值觀通過實(shí)驗(yàn)的互動(dòng)過程，誘發(fā)對探究物理規(guī)律的興趣；簡介電感和電容的應(yīng)用，欣賞物理器件的美妙的應(yīng)用；通過真實(shí)記錄觀察到的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，體驗(yàn)實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。教學(xué)用具1演示交直流電源、小燈泡（12V）、阻值15的電阻、電感線圈（J2426小型變壓器）、100F電容器、低頻信號發(fā)生器（J24621型）等供演示用；2各種不同型號的高頻、低頻扼流圈供演示用；3學(xué)生低壓

3、交直流電源（最小的輸出電壓大于16V）、150F和200F的電容器、J2426小型變壓器（將線圈匝數(shù)不同的兩組線圈用不同顏色的導(dǎo)線接出）、小燈泡（6V）、導(dǎo)線等供學(xué)生實(shí)驗(yàn)用（以上器材每二人一組）。設(shè)計(jì)思路從教材的要求來看，本課題對知識與技能的要求均不高。一般的教法可以比較簡單對電感和電容對交變電流的阻礙作用，進(jìn)行一些理性的講解，配合若干驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生了解感抗和容抗的大小與哪些因素有關(guān)。教材中對演示實(shí)驗(yàn)的要求很簡單，更沒有學(xué)生實(shí)驗(yàn)的要求。本教學(xué)設(shè)計(jì)特別強(qiáng)調(diào)了對實(shí)驗(yàn)的挖掘。例如增加了學(xué)生互動(dòng)的實(shí)驗(yàn)，不僅幫助學(xué)生理解感抗和容抗的概念，提高實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，更重要的是使學(xué)生在互動(dòng)和探索的過程中，培養(yǎng)

4、學(xué)生的合作精神、獲得探究的成功體驗(yàn)；通過引入新課時(shí)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的問題意識和激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；通過教學(xué)中的若干個(gè)演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，特別是用信號發(fā)生器替代變頻電源來做實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生感悟科學(xué)的探究方法和強(qiáng)化創(chuàng)新的意識。教學(xué)過程一、引入課題請同學(xué)們先來觀察一組實(shí)驗(yàn)，如圖1所示。介紹有關(guān)器材：低壓交直流電源，小燈泡，3個(gè)經(jīng)過包裝的電學(xué)元件（根據(jù)外面不能判斷是何元件）。演示1（1）將小燈泡直接接到交流電源上，調(diào)節(jié)電壓使燈泡正常發(fā)光；（2）如果將1號電學(xué)元件串聯(lián)入電路中，觀察現(xiàn)象（燈泡變暗）；（3）再將2號電學(xué)元件串聯(lián)入電路中，觀察現(xiàn)象（燈泡變得更暗）；（4）然后將3號電學(xué)元件串聯(lián)入電路中，觀察現(xiàn)象（

5、燈泡仍較暗）。演示2（1）將1 號元件接相同電壓的直流上，觀察現(xiàn)象（與演示1（2）情況相同亮度）；（2）將2號元件接相同電壓的直流上，觀察現(xiàn)象（比原來變亮）；（3）將3號元件接相同電壓的直流上，觀察現(xiàn)象（亮了一下不亮）。小結(jié)：1號元件對交直流的影響幾乎相同，2號元件對交流電的影響較大，3號元件對直流電影響很大，且直流電不能通過3號元件。根據(jù)現(xiàn)象進(jìn)行猜想，然后經(jīng)過學(xué)生的討論分析，作出判斷。將這三個(gè)元件從暗盒中拿出，分別得出1號元件為電阻、2號元件為電感線圈、3號元件為電容器。從上面觀察到的現(xiàn)象說明：除電阻外，電感、電容對直流和交變電流的影響程度是不同的，這是我們要來研究的問題。二、研究電感線圈對

6、交變電流的阻礙作用電感對交變電流的阻礙作用的大小用感抗的大小來表示。那么，感抗的大小可能與哪些因素有關(guān)呢？啟發(fā)學(xué)生：可能與自感系數(shù)、交變電流的頻率和電壓等有關(guān)。 1研究感抗與自感系數(shù)的關(guān)系。提供低壓交流電源、小燈泡、學(xué)生實(shí)驗(yàn)用的變壓器，若干導(dǎo)線，要求學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，研究感抗與自感系數(shù)的定性關(guān)系。學(xué)生互動(dòng)，教師巡回指導(dǎo)，糾正學(xué)生的差錯(cuò)。在此過程可能出現(xiàn)的問題：（1）基本的連接不會(huì)；（2）線圈的連接不會(huì)等。請一組學(xué)生簡述實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和由此得到的結(jié)果：將燈泡與線圈串聯(lián)接入交變電流，線圈的連接分兩次，一次是線圈匝數(shù)較少，另一次線圈的匝數(shù)較多，燈泡出現(xiàn)由亮變暗的現(xiàn)象，說明線圈的自感系數(shù)大時(shí)，線

7、圈對交變電流的阻礙作用大，感抗大。提示：線圈的自感系數(shù)在其它條件不變的情況下，匝數(shù)越多自感系數(shù)越大。2研究感抗與交變電流的頻率的關(guān)系。如果要研究感抗與交變電流頻率的關(guān)系應(yīng)該如何辦？在電壓不變的情況下選用變頻的交流電源，為了研究方便，我們可選信號發(fā)生器來替代。 演示3 信號發(fā)生器可以輸出電壓一定不同頻率的交變電流。串聯(lián)好電路，保持電壓不變的條件下，使輸出交變電流的頻率升高，觀察到燈泡變暗的現(xiàn)象。說明：頻率越高，線圈對交變電流的阻礙越大，感抗越大。 3研究與交變電流電壓的關(guān)系。（將燈泡換成交流電流表） 演示4 在交變電流頻率、線圈的自感系數(shù)不變的條件下，交流的電壓加倍，電流加倍?？傻贸龈锌古c交變電

8、流電壓U無關(guān)。結(jié)論：L越大感抗越大、f越高感抗越大、感抗與U無關(guān)。三、研究電容對交變電流的阻礙作用。電容對交變電流的阻礙作用用容抗來表示。從上面的研究，可以得到推論，容抗的大小可能與電容和交變電流的頻率有關(guān)。 1研究容抗與電容C的關(guān)系學(xué)生互動(dòng)：提供電容分別為150微法與200微法的電容器二只。巡回輔導(dǎo)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)。2 研究容抗與交變電流頻率的關(guān)系演示5信號發(fā)生器可以輸出不同頻率的交變電流。串聯(lián)好電路，保持電壓不變的條件下，使輸出交變電流的頻率升高，觀察到燈泡變亮的現(xiàn)象。說明：頻率越高，電容器對交變電流的阻礙越小，感抗越小。結(jié)論：C越大容抗越小、f越高容抗越小。四、問題討論1分析電感線圈在交直流電

9、中的作用。（學(xué)生互相議論后回答）由于交變電流的頻率越低感抗越小，而直流電的頻率等于0，在直流電中電感對它的阻礙作用幾乎沒有。所以電感線圈有“通直流阻交流”的作用。交變電流的頻率越高，感抗越大，阻礙作用越大。所以電感有“通低頻、阻高頻”作用。理論解釋：1）電感線圈：直流電通過電感線圈時(shí)，由于電流不發(fā)生變化，電感線圈對直流電沒有阻礙作用；交變電流通過電感線圈時(shí)，在線圈中要產(chǎn)生自感現(xiàn)象（自感電流總要阻礙電路中原來電流的變化），所以電感線圈對交變電流有阻礙作用。2）為什么線圈的自感系數(shù)越大，感抗越大？自感系數(shù)越大，對一定的交變電流產(chǎn)生的自感現(xiàn)象越明顯，阻礙作用越大，感抗也越大。3）為什么交變電流的頻率

10、越高，感抗越大？交變電流的頻率越高，即電流的變化越快，產(chǎn)生的自感現(xiàn)象越明顯，阻礙作用越大，感抗也越大。2分析電容器在交直流電中的作用。（學(xué)生互相議論回答）由于交變電流的頻率越低容抗越大，而直流電的頻率為0，在直流電路中，電容對它的阻礙作用很大（無窮大），直流電不能通過電容器。所以電容器有“通交流、隔直流”作用。交變電流的頻率越高，容抗越小，阻礙作用越小，所以有“通高頻、阻低頻”作用。理論解釋：1）電容器：因?yàn)殡娙萜鞯膬蓸O板間是絕緣的電介質(zhì)，直流電不能通過電容器。2）交變電流能真正通過電容器嗎？當(dāng)電容器接上交變電壓時(shí)，實(shí)際上自由電荷也沒有通過電容兩極板間的絕緣介質(zhì)。P194圖8-10所示，只不過

11、在交變電壓的作用下，當(dāng)電源的電壓升高時(shí)，電容器充電，電荷向電容極板集聚，形成了充電電流；當(dāng)電源電壓降低時(shí)，電荷從電容器的極板上放出，形成了放電電流。電容器交替進(jìn)行充電和放電，電路中就有了電流，表現(xiàn)為交變電流“通過”了電容器。3）為什么電容越大，容抗越??？ 電容器的電容越大，表明電容器儲(chǔ)存電荷的能力越大，在電壓一定的條件下，單位時(shí)間內(nèi)電路中充放電移動(dòng)的電荷量越大，電流越大。所以電容對交變電流的阻礙作用越小，容抗越小。4）為什么交變電流的頻率越高，容抗越小？在交變電流的電壓一定時(shí)，交變電流的頻率越高，電路中充放電越頻繁，單位時(shí)間內(nèi)電荷移動(dòng)速率越大，電流越大。所以電容對交變電流的阻礙作用越小，容抗越

12、小。五、技術(shù)上的應(yīng)用1電工和電子技術(shù)中的扼流圈。利用電感對交變電流的阻礙作用制成的，有低頻扼流圈和高頻扼流圈兩種（示意實(shí)物）。低頻扼流圈匝數(shù)為幾千到超過一萬，對低頻交變電流有較大的阻礙作用，線圈本身電阻較小，對直流電阻礙作用較?。桓哳l扼流圈匝數(shù)為幾百匝，對低頻交變電流的阻礙作用較小，對高頻交變電流的阻礙作用很大。2在電子技術(shù)中，從某一裝置輸出的電流常常既有交流成分，又有直流成分。如果只需要把交流成分輸送到下一級裝置，只要在兩級電路之間接入一個(gè)電容器（稱為隔直電容器）就可以了。如圖2所示，電流通過電容器，只能是交流部分通過電容器到達(dá)后一級裝置，直流電隔在前一級裝置。3在電子技術(shù)中，從某一裝置輸出的交流常常既有高頻成分，又有低頻成分。如果只需把低頻成分送到下一級裝置，只要在下一級電路的輸入端并聯(lián)一個(gè)電容器就可以達(dá)到目的如圖3所示。具有這種用途的電容器叫做高頻旁路電容器。說明它的工作原理。說明：頻率越高的交流部分容抗越小，易通過電容器。高頻部分電流通過電容器分流了，低頻部分電流，由于容抗大不易通過電容器而輸入到下一級。4 電容電感不僅在制造的現(xiàn)成電容器和電感線圈中存在。在導(dǎo)線之間、電子元件、及機(jī)殼之間，有時(shí)會(huì)造成較大的影響，這是我們應(yīng)該注意到的。教學(xué)體會(huì) 通過本節(jié)課的教學(xué)實(shí)踐，嘗試了教學(xué)方式的多樣化。教學(xué)中在體現(xiàn)了教師的主導(dǎo)作用的前提下，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的主體活動(dòng)對教學(xué)效果