高中物理2描述交變電流的物理量教案新人教版選修2

1、2 描述交變電流的物理量教學(xué)設(shè)計 一 整體設(shè)計教學(xué)分析教材把溝通電與直流電對比,說明描述溝通電的特性需要一些新的物理量；溝通電的電動勢、 電壓、電流是隨時間變化的,教材介紹了用公式法和圖象法描述溝通電如何隨時間變化的規(guī)律,我們可向同學(xué)說明,這種描述是具體、全面的,但應(yīng)用時特別不便利；有用中經(jīng)常需要知道溝通電某一方面的特性,因此需要引入反映溝通電某一方面特性的物理量；如：最大值說明溝通電在變化過程中所能達到的最大數(shù)值,反映了溝通電變化的范疇；溝通電是周期性變化的, 周期、頻率說明溝通電變化的快慢；有效值說明溝通電產(chǎn)生的熱效應(yīng)的成效；教學(xué)中的難點是溝通電有效值的概念,這也是教學(xué)重點；為了引入有效值

2、,可以提出： 溝通電隨時間變化, 產(chǎn)生的成效也隨時間變化；但實際中經(jīng)常只要知道溝通電的平均成效就可以了,怎樣衡量溝通電的平均成效呢？可以協(xié)作做一個演示試驗：用兩個相同的小電珠 A、B,一個接在直流電源上,一個接在溝通電源上,讓兩個小電珠發(fā)光情形相同；同學(xué)通過觀看和摸索明白： B燈通過的是交變電流,大小、方向隨時間變化,但在相同時間內(nèi)交變電流與直流電流產(chǎn)生的熱量相同,所以 B 燈發(fā)光與 A 燈相同； 我們引導(dǎo)同學(xué)得出：通過 A 燈的直流電流 I 與通過 B 燈的交變電流 i 產(chǎn)生的成效相同, 可以把直流電流的大小 I 作為衡量交變電流i 產(chǎn)生的平均成效；在此基礎(chǔ)上給出有效值比較精確的定義,并讓同

3、學(xué)進一步體會有效值的物理意義是什么？正弦溝通電有效值與最大值的關(guān)系教材是直接給出的,教材不要求證明2倍的數(shù)量關(guān)系,但要使同學(xué)明白I Im 和 I 0Im 2；有效值的物理意義、有效值與最大值的關(guān)系特別重要, 要讓同學(xué)很好地明白和熟識；有必要強調(diào)說明溝通電的有效值應(yīng)用較多,因此,假如不加特殊的說明,提到溝通電的電流、電壓、電動勢時,指的都是有效值；溝通電表測得的電流、 電壓也是有效值； 仍可考慮分別用直流電流表、溝通電流表和直流電壓表、溝通電壓表測量剛才的 A、B 燈的電流、電壓,讓同學(xué)看到兩者的數(shù)值相同,并讓同學(xué)說出溝通電的最大值；我們可考慮讓同學(xué)對溝通電的描述作小結(jié),使同學(xué)明確： 全面、 具

4、體描述溝通電的是公式和圖象；最大值、有效值、周期、頻率等物理量是描述溝通電某一方面的特性的；依據(jù)交流電的圖象、公式可知最大值、周期,從而可知有效值、頻率；教學(xué)目標1知道交變電流的周期和頻率以及我國供電線路交變電流的周期和頻率,明白它們與轉(zhuǎn)子角速度 的關(guān)系；2知道交變電流和電壓的最大值、瞬時值、有效值等及其關(guān)系；3會用等效的方法運算交變電流的有效值,在自主學(xué)習(xí)過程中讓同學(xué)體會爭論物理問題的一個重要思想等效思想的應(yīng)用；4通過對描述交變電流的物理量的學(xué)習(xí),體會描述復(fù)雜事物的復(fù)雜性,樹立科學(xué)、嚴謹?shù)膶W(xué)習(xí)和熟識事物的態(tài)度；學(xué)會觀看試驗, 分析圖象, 由感性熟識到理性熟識的思維方式；5聯(lián)系日常生活中的交變

5、電流學(xué)問,培育同學(xué)將物理學(xué)問應(yīng)用于生活和生產(chǎn)實際的意識,勉勵同學(xué)勇于探究與日常生活有關(guān)的物理學(xué)問題；教學(xué)重點難點周期、頻率的概念；有效值的概念和運算；教學(xué)方法與手段 誘思探究教學(xué)法, 合作學(xué)習(xí)為主, 通過試驗現(xiàn)象和生活體會發(fā)動同學(xué)對有效值綻開爭論,加深對溝通電學(xué)問的懂得；課前預(yù)備 教學(xué)媒體 手搖溝通發(fā)電機模型、同學(xué)電源、電容器、導(dǎo)線、兩只燈泡、電壓表、多媒體投影儀；學(xué)問預(yù)備 復(fù)習(xí)圓周運動的周期和頻率的概念以及焦耳定律的學(xué)問；教學(xué)過程 導(dǎo)入新課 大事 1 教學(xué)任務(wù)：復(fù)習(xí)交變電流的規(guī)律,導(dǎo)入新課；師生活動：復(fù)習(xí)導(dǎo)入：上節(jié)課我們爭論了矩形線圈在勻強磁場中轉(zhuǎn)動,線圈中會產(chǎn)生正弦溝通電；如何描述線圈中交

6、變電流的變化規(guī)律呢？老師利用多媒體展現(xiàn)線圈轉(zhuǎn)動的截面圖,其中線圈長abl 1,寬 adl 2,角速度為 ；總結(jié)歸納： 由同學(xué)自我重現(xiàn)正弦溝通電理論推導(dǎo)過程；老師提示如下關(guān)鍵點：爭論對象,垂直切割速度,等效電路,變化規(guī)律；引導(dǎo)同學(xué)把兩圖結(jié)合起來分析,增強分析圖象的才能；以達到感性和理性熟識的結(jié)合；推動新課 大事 2 教學(xué)任務(wù)：周期和頻率；學(xué)情預(yù)設(shè)： 同學(xué)以前學(xué)過典型的周期性運動勻速圓周運動,對周期和頻率有肯定了 解,通過溝通電的周期和頻率學(xué)習(xí)讓同學(xué)感受物理規(guī)律內(nèi)在的和諧與統(tǒng)一；師生活動：【演示】把小燈泡接在手搖溝通發(fā)電機模型的輸出端；觀看并摸索：上述現(xiàn)象說明白什么問題？當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速由小增大時,我

7、們看到, 小燈泡發(fā)光的閃耀頻率也由小增大,當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn) 而人眼存在視覺暫留,所以眼睛已不 速大到肯定程度, 就交變電流的大小和方向變化太快,能辨論燈光的閃耀；這就是為什么照明電是交變電流,而電燈亮?xí)r看不見一閃一閃的緣由；溝通爭論：第一考慮用什么物理量來描述交變電流變化的快慢呢？結(jié)論：與任何周期性過程一樣,交變電流也可以用周期或頻率表示其變化的快慢；啟示式提問：我們以前學(xué)過哪種典型的周期性運動？在周期和頻率的定義上有什么區(qū)分和聯(lián)系？通過與勻速圓周運動的比較,讓同學(xué)感受物理規(guī)律內(nèi)在的和諧與統(tǒng)一；自主學(xué)習(xí)：閱讀課本,懂得并記憶以下幾個物理概念：1 什么叫溝通電的周期？2 什么叫溝通電的頻率？3 它們之

8、間的關(guān)系是什么？4 我國使用的交變電流的周期和頻率各是多大？多媒體展現(xiàn)：1 周期：我們把交變電流完成一次周期性變化所需的時間,叫做交變電流的周期；周期用 T 表示,單位是s；1 s 內(nèi)完成周期性變化的次數(shù),叫做交變電流的頻率；2 頻率：交變電流在頻率用 f 表示,單位是Hz；3 周期和頻率的關(guān)系：T1 f或 f 1 T,依據(jù)三角函數(shù)i Imsin t的表達式可以知道2 f ；4 我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中用的交變電流周期是0.02 s ,頻率是 50 Hz ,電流方向每秒轉(zhuǎn)變100 次；有個別國家使用溝通電的頻率為60 Hz ； 大事 3 教學(xué)任務(wù)：峰值和有效值；師生活動： 演示 電容器的耐壓

9、值；將電容器 12 V ,500 F接在同學(xué)電源上充電,接 8 V 電壓時電容器正常工作,接 16 電容器所標耐壓值為最大值 V電壓時,幾分鐘后聞到燒臭味,后聽到爆炸聲；總結(jié)與歸納：同學(xué)歸納試驗結(jié)論,其他同學(xué)補充完善；交變電流的最大值是交變電流在一個周期內(nèi)所能達到的最大數(shù)值,可以用來表示交變電 流的電流或電壓變化幅度；從這個試驗中可以發(fā)覺：電容器的耐壓值是指能夠加在它兩端的 最大電壓, 如電源電壓的最大值超過耐壓值,電容器可能被擊穿；但是溝通電的最大值不適 于表示溝通電產(chǎn)生的全部成效,在實際中通常如何表示交變電流的大小呢？提出問題：交變電流在不同時刻,瞬時值不同,假如有一個最大值為Im 的交變

10、電流,如何運算它在時間 t 內(nèi)作用在電阻R上產(chǎn)生的熱量呢？能否用恒定電流的公式來運算,假如可以, 那么公式中的電流應(yīng)當(dāng)用什么值來代入呢？試驗設(shè)計和進行試驗：1將小燈泡分別接在6 V 直流電源上和有效值為6 V 的溝通電源上,觀看兩燈的亮度；現(xiàn)象：兩燈亮度相同；2用電壓表測量兩小燈泡兩端的電壓；現(xiàn)象：兩表示數(shù)相同；分析：試驗說明兩電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)相同,他們在相同的時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量相同,有相同的熱功率,把恒定電流的數(shù)值代入公式 QI 2Rt ,就能運算交變電流在肯定時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量；此時,恒定電流的電流值稱為交變電流的有效值,此有效值代表著交變電流的平均成效 從 熱效應(yīng)來看 ；小結(jié)：讓交變電流和恒

11、定電流通過同樣的電阻,假如它們在同一時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量相等,就這一交變電流的電流 電壓 有效值就跟這個恒定電流的電流 電壓 相等；多媒體展現(xiàn)：如何運算交變電流通過電阻時的熱量？題a 怎樣運算通電1 s 內(nèi)電阻 R1 中產(chǎn)生的熱量？R1 ,也能在1 s 內(nèi)產(chǎn)生同b 假如有一個大小、方向都不變的恒定電流通過電阻樣的熱,這個電流是多大？爭論與溝通：同學(xué)先自行分析溝通,最終老師歸納總結(jié)；00.2 s 、0.2 0.5 s 、0.5 0.8 s 、0.8 1 s這四個階段電流大小不變化,分別計算出熱量,然后加起來；由QI2Rt 解得 Q10.2 J ；Q21.2 J ；Q31.2 J ；Q40.2 J ；

12、所以, 1 s 內(nèi)電阻 R中產(chǎn)生的熱量為Q0.2 1.2 1.2 0.2J 2.8 J 由 QI2Rt 解得, I Q Rt2.8 A1.67 A結(jié)論：1 有效值： 抓三個相同 讓溝通與恒定電流通過相同的電阻,假如它們在一個周期內(nèi) 產(chǎn)生的熱量相等,把恒定電流的值叫做這個交變電流的有效值；2 正弦溝通電有效值與最大值之間的關(guān)系EEm/ 20.707Em；UUm/ 20.707Um；I Im/ 20.707Im ；鞏固練習(xí)1以下數(shù)據(jù)中不屬于交變電流有效值的是 C A溝通電表的示數(shù) B 燈泡的額定電壓C電容器的耐壓值 D 保險絲的額定電流2試電筆上的氖管,起輝電壓 86.6 V ,如將其接在電壓為

13、70.7 V 頻率為 50 Hz 的交流電路,氖管能發(fā)光嗎？在 1 秒內(nèi)共有多少時間發(fā)光？摸索切入點： 70.7 V 是什么電壓？該溝通電壓最大值為多少？周期又為多少？交變電流的圖象如何？表達式如何？解析： 由于 70.7 V 是有效值,Um2U100 V86.6 V ,所以氖管會發(fā)光；1由 f T,得周期 T0.02 s ,由 2 f ,得 100 rad/s作出交變電流的 Ut 圖 UUmsin t 100sin100 t設(shè)電壓為 70.7 V 時對應(yīng)時刻為 t1代入公式即707 V 100sin100 t 1得 t 10.002 5 s 或 0.007 5 s 依據(jù)圖象對稱性知,一個周期

14、內(nèi)氖管發(fā)光時間為 t 4t 10 0.01 s ；所以一秒內(nèi)發(fā)光時間為 0.5 s ；3溝通發(fā)電機矩形線圈邊長 abcd0.4 m ,bcad0.2 m ,共 50 匝,線圈電阻 r1001 ,線圈在 B0.2 T 的勻強磁場中, 繞垂直磁場方向的軸 OO 以 r/s 轉(zhuǎn)速勻速轉(zhuǎn)動,外接電阻 9 ,如下列圖；求：1 電壓表讀數(shù)；2 電阻 R上電功率；解析： 1 線圈在磁場中產(chǎn)生：電動勢的最大值EmNBS 50 0.2 0.4 0.2 100 2 V 160 V 電流的有效值I 2Em160A82A Rr2 10電壓表示數(shù)UIR 722V101.5 V 2 電阻 R的功率 PUI722 82W1

15、 152 W 課堂鞏固與反饋 大事 4 教學(xué)任務(wù)：形成性測試：同學(xué)獨立完成；1試寫出我國生活用電的規(guī)律表達式；2關(guān)于正弦式電流的有效值,以下說法中正確選項 A有效值就是溝通電在一周期內(nèi)的平均值B溝通電的有效值是依據(jù)電流的熱效應(yīng)來定義的C在溝通電路中,溝通電流表和溝通電壓表的示數(shù)表示的都是有效值D對于正弦式電流,最大值的平方等于有效值平方的 2 倍3電路如下列圖,交變電流電源的電壓是6 V,它跟電阻 R1、 R2 及電容 C、電壓表一起連成如圖電路；忽視電源內(nèi)阻,為保證電容器不擊穿,電容器耐壓值U2和電壓表示數(shù)U1 分別為 AU162 V BU26 V CU16 V DU262 V 4表示交變電

16、流隨時間變化圖象如下列圖,就交變電流有效值為A52A B5 A C3.5 2 A D3.5 A 5發(fā)電機轉(zhuǎn)子是匝數(shù) n100,邊長 L20 cm的正方形線圈, 其置于磁感應(yīng)強度 B0.5T 的勻強磁場中,圍著垂直磁場方向的軸以 100 rad/s 的角速度轉(zhuǎn)動,當(dāng)轉(zhuǎn)到線圈平面與磁場方向垂直時開頭計時；線圈的電阻 r 1 ,外電路電阻 R99 ；試求：1 寫出交變電流瞬時值表達式；2 外電阻上消耗的功率；3 從計時開頭,線圈轉(zhuǎn)過 參考 答案： 3過程中,通過外電阻的電荷量是多少？1u220 2sin100 t2BCD 3.CD 4B 解析： 設(shè)交變電流的有效值為I2RT42T 2R 2 32T

17、2R 2解得 I 5 A 綜上所述應(yīng)挑選 B；I ,據(jù)有效值的定義,得5解： 1 電動勢的最大值：EmnB L2200 628V 依據(jù)閉合電路歐姆定律得ImEm R r6.28 A 故交變電流瞬時值表達式：i 6.28sin100 t ；2 電流的有效值 I 1 Im 21由 PI 2R得外電阻上的消耗功率：P Im 2R1.95 10 3 W 2 3 從計時開頭到線圈轉(zhuǎn)過 3過程中,平均感應(yīng)電動勢由 En t 得2 m mcos60BLE n tn2 tE平均電流：I R rnBL 2/2R r t2nBL通過外電阻的電荷量：q I t 2 Rr 102 C 大事 5 課堂小結(jié)教學(xué)任務(wù)：引導(dǎo)

18、同學(xué)從學(xué)問、方法、情感三個側(cè)面小結(jié)本節(jié)課的學(xué)習(xí)活動；多媒體展現(xiàn)：1周期：交變電流完成一次周期性變化所需的時間；2頻率：一秒內(nèi)完成周期性變化的次數(shù)；f 1 2 T2 fT3最大值 峰值 ：Em Um Im 4瞬時值： e u i 5有效值： E U I 1 定義：依據(jù)電流的熱效應(yīng)來規(guī)定,讓溝通電和直流電通過相同阻值的電阻,假如它們在一個周期內(nèi)產(chǎn)生的熱量相等,就把這始終流電的數(shù)值叫做這一溝通電的有效值；2 正弦溝通電的有效值與最大值的關(guān)系：EEm/ 20.707Em；UUm/ 20.707Um；I Im/ 20.707Im ；說明：1 交變電流的有效值是依據(jù)電流的熱效應(yīng)來規(guī)定的,引入有效值的概念便

19、于把處理恒 定電流的一些方法拓展到溝通電中,運算交變電流的功、功率、熱量等用有效值；2 溝通用電設(shè)備上所標的額定電壓和額定電流是有效值；溝通電壓表和溝通電流表的 示數(shù)是有效值：交變電流的數(shù)值在無特殊說明時都是指有效值；3 求通過某導(dǎo)體截面的電量肯定要用平均值,爭論電容器的耐壓值時指峰值；總結(jié)提升：通過本節(jié)學(xué)習(xí), 使同學(xué)對周期和頻率的熟識進一步加深,一,明確交變電流的有效值是依據(jù)電流的熱效應(yīng)來規(guī)定的,定電流的一些方法拓展到溝通電中；布置作業(yè) 1復(fù)習(xí)本節(jié)教材；2完成課本課后問題與練習(xí)；板書設(shè)計活動與探究感受物理規(guī)律內(nèi)在的和諧與統(tǒng) 引入有效值的概念便于把處理恒找一臺小型的溝通發(fā)電機,觀看它的銘牌和構(gòu)

20、造,嘗試用今日所學(xué)學(xué)問說明上面的數(shù)據(jù)和工作原理；備課資料 例析交變電流值的“ 四值”交變電流的“ 四值” 是指交變電流的瞬時值、有效值、最大值和平均值；一、瞬時值與最大值線圈中的感應(yīng)電動勢e 隨著時間而變化, 不同的時刻有不同的數(shù)值,叫做電動勢的瞬時值,如從中性面開頭計時,就電動勢是依據(jù)正弦規(guī)律變化的；e2BLvsin t BS sin t令 Em2BLvBS即 eEmsin t假如線圈有 N匝,交變電流電動勢的最大值 EmNBS ；Em大小由匝數(shù) N、磁感應(yīng)強度 B、角速度 、線圈面積 S 打算,而與線圈的外形和轉(zhuǎn)軸的位置無關(guān)；假如把線圈和電阻組成閉合電路,電路中就有感應(yīng)電流；在只含有電阻的

21、電路中,適用于直流電路的歐姆定律也適用于溝通電路；設(shè)閉合電路的總電阻為 i e/REm/Rsin t 其中 Em/R為電流的最大值,用 Im 表示,于是有 i Imsin t 可見,感應(yīng)電流也是按正弦規(guī)律變化的；R,就電流的瞬時值；1 如下列圖,有一閉合的正方形線圈,匝數(shù) N100 匝,邊長為 10 厘米,線圈總電阻為10 ,線圈繞 OO 軸在 B0.5 T 的勻強磁場中勻速轉(zhuǎn)動,每分鐘轉(zhuǎn) 1 500 轉(zhuǎn),求線圈平面從圖示位置轉(zhuǎn)過 30 時,感應(yīng)電動勢的值是多少；解：由題給條件可知：N 100 匝, B 0.5 T ,f 1 500 r/min25 Hz , 2 f 50 rad/sS0.01

22、 m 2,所以感應(yīng)電動勢的最大值為EmNB S100 0.5 50 0.01 V 78.5 V 從圖示位置 即中性面位置 開頭計時,產(chǎn)生交變電動勢的瞬時值表達式為1eBS sin t ,所以轉(zhuǎn)過 30 時的電動勢 eEmsin t 78.5 2V 39.3 V ；評注： 在求解交變電動勢時,第一要確定線圈轉(zhuǎn)動從哪個平面開頭計時,以便確定瞬時值表達式是正弦規(guī)律變化仍是余弦規(guī)律變化；如從平行于磁感應(yīng)線的平面開頭計時,就電動勢是依據(jù)余弦規(guī)律變化的；2 某線圈在勻強磁場中勻速轉(zhuǎn)動時,產(chǎn)生的交變電動勢的圖象如下圖所示；由圖可知的信息有哪些？解析： 由圖象可知,該交變電動勢的最大值Em202 V ,周期

23、T 0.02 s ；將這一信息進一步處理可得：Em有效值： E 20 V 21 1頻率： f T0.02 Hz 50 Hz 2角速度： T100 rad/s該交變電動勢的瞬時值表達式為：eEm sin t 202sin100 t ；最大值有時也叫峰值,從圖象點撥： 此題關(guān)鍵是對圖象的意義及各量之間關(guān)系的熟識；中熟識時可運用數(shù)學(xué)學(xué)問；二、平均值 平均值的公式是 E N t ,它表現(xiàn)為溝通圖象中波形對橫軸 t 軸 所圍的“ 面積” 對時間軸的比值, 其值大小是與所取的時間軸有關(guān)的；比如正弦溝通, 其正半周期或負半周期2NBS的平均電動勢的大小為,而一周期內(nèi)的平均電動勢卻為零；3 如下列圖, 單匝線

24、圈在勻強磁場中繞 OO 軸從圖示位置開頭勻速轉(zhuǎn)動,已知從圖示位置轉(zhuǎn)動 6時,線圈中感應(yīng)電動勢大小為 10 V,求：線圈從圖示位置轉(zhuǎn)動 2的過程中,交變電動勢的平均值；解析： 平均電動勢的運算程序：1 確定運算的是哪段時間內(nèi)的平均電動勢；2 找到所爭論時間段 t 內(nèi)線圈磁通量的變化量 | 2 1| ；3 利用法拉第電磁感應(yīng)定律 N t 運算平均電動勢值；由 eBS sin t ,代入得BS 20 V BS,經(jīng)受的時間 t 2 ,線圈從圖示位置轉(zhuǎn)過 2的過程中, 磁通量的變化量為所以此過程中交變電動勢的平均值 t 2B S2 20 V 12.7 V 評注：在運算正弦式交變電動勢的峰值時一般使用EmNB S；運算某段時間內(nèi)交變電動勢的平均值就應(yīng)用N t ,切勿亂套公式使用 Em2來運算平均值；也不等于