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1、专题讲座高中物理“交变电流”和“传感器”主题教学研究赵谨（北京市育英学校，高级教师）第一单元：“交变电流”主题教学研究一、“交变电流”主题的知识结构与内容分析（一）“交变电流”的知识框图（二）、“交变电流”主题的特点及在中学物理中的作用“交变电流”包括三个部分：第一部分是交变电流，包括交变电流的概念、产生描述；第二部分是简单交流电路，包括电感的概念、电感对交变电流的作用，电容的概念、电容对交变电流的作用；第三部分，是变压器和电能的输送，包括变压器的工作原理，变压器的电压比和电流比跟变压器线圈匝数的关系，输电线上的电能损耗及输电原理。“交变电流”突出了3个特点： 第一注重学生的自主学习和探究性学
2、习；第二注意将直流与交变电流的特点进行比较；第三重视与实际生活的联系。“交变电流”的知识是电磁感应知识的具体应用和延伸，是高中物理电磁学知识的收尾，也是恒定电流内容的进一步扩展。交变电流的概念多，空间关系复杂，推理能力和运用数学的能力要求比较高，同时还与生活实践紧密联系，综合性较强。 二、“交变电流”主题的教学策略（一）“交变电流”主题的高考要求与课标要求1.“交变电流”的高考要求 内 容要求说 明52常用传感器的工作原理64交流发电机及其产生正弦式电流的原理正弦式电流的图像和三角函数表达最大值与有效值周期与频率65电阻、电感和电容对交变电流的作用66变压器的原理原、副线圈电压、电流的关系67
3、电能的输送只要求讨论单相理想变压器2.“交变电流”的课标要求（1）内容标准a.知道交变电流，能用函数表达式和图象描述交变电流。例1 用示波器观察交变电流的波形，并测算其峰值和有效值。b.通过实验，了解电容器和电感器对交变电流的导通和阻碍作用。例2 用灯泡或交流电流表观察电容器和电感器对交变电流的阻碍作用。c.通过实验，探究变压器电压与匝数的关系。例3 观察生活中常见的变压器，了解其作用。d了解从变电站到住宅的输电过程，知道远距离输电时应用高电压的道理。例4 查阅资料，了解直流输电的原理，比较交流输电和直流输电的特点。（2）重点正弦交流电的产生原理分析；正弦交流电的描述；交流电有效值的意义；变压
4、器工作原理及原副线圈电压、功率、电流的关系。（3）难点交变电流的变化规律及应用和有效值意义。（4）方法描述交流电的两种基本方法（公式法、图象法），将立体图转化为平面图形的方法。3.“交变电流”的各部分具体教学要求（1）交变电流产生的具体教学要求教学目标:a.会观察电流（或电压）的波形图，理解交变电流、直流的概念。b.分析线圈转动一周中电动势与电流方向的变化，能对交变电流的产生有比较清楚的了解，具有应用基本原理解决新情景下问题的能力。c.知道交变电流的变化规律及方法，知道交变电流的峰值、瞬时值的物理含义。重点、难点：交变电流的变化规律。（2）描述交变电流的物理量的的具体教学要求教学目标：a.知道
5、交变电流的周期、频率的含义，以及它们之间的相互关系知道我国生产和生活用电的周期（频率）大小。b.知道交变电流的峰值和有效值的意义，能利用有效值定义计算某些交变电流的有效值。c.会运用正弦交流电有效值公式进行计算。d.具有运用类比、迁移的科学方法分析新问题的意识和能力。重点：交变电流有效值概念。难点：交变电流有效值概念及计算。（3）电感和电容对交变电流的影响的具体教学要求教学目标：a.通过实验，了解电感线圈和电容器对交变电流有阻碍和导通作用。b.知道感抗和容抗的物理意义及其影响因素。c.通过猜想、设想、实验、交流合作与分析论证，体验科学探究过程。重点：电感、电容对交变电流的阻碍作用，感抗、容抗的
6、物理意义。难点：感抗的概念及影响感抗大小的因素，容抗概念及影响容抗大小的因素。 （4）变压器的具体教学要求教学目标：a.知道几种常见变压器的构造，理解变压器的工作原理。b.探究理想变压器的原、副线圈中电压与匝数的关系。c.了解变压器在生活中的应用。重点：通过实验探究理想变压器的原、副线圈中电压与匝数的关系。难点：理想变压器电压与匝数的关系的分析推导。（5）电能的输送的具体教学要求教学目标：a.了解从发电站到变电所再到用户的过程。知道远距离输电时采用高压输电的道理。b.掌握输电过程中的能量关系。c.引导学生积极主动探索，发现问题，解决问题在学习知识的同时获得一定的成就感。重点：理解高压输电可减少
7、功率与电压损失的原理。难点：理解高压输电原理，区别输电电压和损失电压。（二）、“交变电流”主题的教学策略1. 交变电流的产生和描述的教学建议在实验的基础上让学生自主探究（1）首先是重视演示实验的教学，让学生在观察中不断思考，理解交流电的产生原理。可以通过示波器观察几种典型的电流，如恒定电流、正弦交流电、脉冲信号等，让学生看到电流的大小和方向都有可能发生改变，引入交流电概念。然后利用交流发电机模型，演示交变变流的产生过程。观察到，矩形线圈在匀强磁场中，绕垂直于磁场的转动轴匀速转动时，闭合电路中可以产生电流，两个二极管交替发光可以知道产生的电流是交变电流。注意：演示实验用高亮度发光二极管效果更好，
8、需要串联300500的保护电阻。另外，交流发电机模型输出的电流可以接入示波器，观察产生的电流的变化情况。在前面实验的基础上，可以改装交流发电机模型，让转柄转动一圈，线圈也只能转动一圈，串入灵敏电流计。尽量慢速均匀的旋转线圈，让学生观察在线圈转动一圈的时间内电流的变化规律。在利用课件进行展示让学生进行深入分析和思考，了解交流电的产生及变化规律。（2）在建立空间模型的基础上让学生学会如何将立体图转化为平面图。在交流电的产生的教学中对学生进行画图能力的训练是个很好的素材。也为后面的分析奠定基础，分散了难度。例如：（3）在观察演示实验的基础上，让学生进行深入思考与讨论，注重培养学生的自主学习和探究性学
9、习的习惯与能力。根据学生的基础情况，可以提出适合学生的思考题。例如，在分析交变电流产生原理时，可以提出以下问题：a.矩形线圈转动过程中,哪些边会产生电动势?b.怎样画出便于分析的平面图?c.甲图所示时刻线圈中电流为多大？在线圈由甲转到乙的过程中，AB中电流向哪个方向流动？大小如何变化？到乙图所示时刻，线圈中电流大小有何特点?d.在线圈由乙转到丙的过程中，AB中电流向哪个方向流动？大小如何变化？到丙图所示时刻，线圈中电流大小有何特点？e.在线圈由丙转到丁的过程中，AB中电流向哪个方向流动？大小如何变化？到丁图所示时刻，线圈中电流大小有何特点？f.在线圈由丁转到甲的过程中，AB中电流向哪个方向流动
10、？大小如何变化？g.当线圈转到什么位置时线圈中没有电流?转到什么位置时电流最大?这些位置磁通量和磁通量的变化率有什么特点?h.大致画出通过电流表的电流随时间变化的图线,从E流向F的电流为正,反之为负。例如，在分析交变电流电动势大小随时间变化规律时，可以提出以下问题：a.当线圈平面与磁感线垂直时，穿过线圈的磁通量的大小？线圈中感应电动势的大小？感应电流的大小？磁通量变化率的大小？引出中性面的概念。b.电动势最大时线圈在哪个位置？此位置时穿过线圈的磁通量的大小？线圈的磁通量变化率多大？感应电动势的最大值是多少？c.线圈从中性面开始计时，以角速度匀速转动，经时间t 线圈与中性面的夹角多大？ab边的速
11、度多大？ab边的速度与磁场方向的夹角? ab边垂直磁场方向的速度多大? d.ab边产生的感应电动势多大? 一匝线圈中的感应电动势多大? N匝线圈的电动势多大?e.线圈从中性面开始计时，以角速度匀速转动，经时间t 线圈的电动势的瞬时值表达式？f.画出线圈从中性面开始计时，以角速度匀速转动，线圈的电动势随时间变化的图像。g.感应电流方向何时改变？线圈转一周，感应电流方向改变几次？h.画出线圈从中性面开始计时，以角速度匀速转动，穿过线圈的磁通量随时间变化的图象。问题提到什么程度要结合学生的情况，不要过于限制学生的思维，要给学生留有思考的空间，如果学生进行不下去才能提示这些问题。2. 简单交流电路，电
12、感、电容对交变电流的作用的教学建议采取四步教学的方法：观察实验、分析原因、得出结论、了解应用（1）电感对交变电流的阻碍作用a.学生观察演示实验。实验原理如图所示。实验现象：接通直流电源时，灯泡亮些；接通交变电流时，灯泡暗些。b.学生分析原因：感抗是由于通过线圈的电流发生变化产生自感电动势对电流的变化产生阻碍作用。接通直流电流瞬间电感线圈也会产生自感现象，对电流的增大有一定的阻碍作用，当电流稳定下来后，线圈就相当于一段导线了，所以稳定时灯泡亮些；接通交变电流时，由于交变电流的大小和方向都在周期性的变化，电感线圈会不停的产生自感现象，阻碍作用电流的增大和减小，所以灯泡暗些。如果电流频率越高，磁通量
13、变化越快，L越大，产生的自感电动势越大，阻碍作用越大，感抗也就越大。c.学生得出结论：电感线圈有“通直流、阻交流，通低频、阻高频”特征。电感对交变电流阻碍作用的大小用感抗表示。感抗的大小公式可以给出来。d.了解感抗的应用：(a). 低频扼流圈：L大，几十亨。对低频交变电流有很大的阻碍作用。即“通直流、阻交流”。(b). 高频扼流圈：L小，几毫亨。对低频交变电流阻碍小，对高频交变电流阻碍大。即“通低频、通直流,阻高频 ”（2）电容对交变电流的阻碍作用a.学生观察演示实验。实验原理如图所示。实验现象1：接通直流电源时，灯泡亮一下就熄灭；接通交变电流时，灯泡一直亮着。实验现象2：观察闭合电键前后，电
14、路中不接电容器比接电容器时小灯泡亮得多。b.学生分析原因1： 因电容器的两个极板被绝缘介质隔开，故直流不能通过，交流电流“通过”电容器的过程实质是电容器充放电过程，而不是电流真正通过电容器的电介质。分析原因2： 由于电容器的充放电，对电流也有一定的阻碍作用。电容越大,在同样电压下电容器容纳电荷越多，因此充放电的电流越大，阻碍就越小；交变电流的频率越高，充放电进行得越快，充放电电流越大，阻碍越小。c.学生得出结论：电容器的作用“通交流、隔直流，通高频、阻低频”。 同时电容器对交流电有阻碍作用。反映电容对交流的阻碍作用大小的物理量为容抗。公式为d.了解电容的简单应用：(a). 隔直电容：C大时，容
15、抗较小，让交流信号通过电容，而将直流信号隔断。“隔直流，通交流”(b). 高频旁路电容：C小时，容抗较大，让高频交流信号通过电容，而将低频信号送到下一级。“通高频，阻低频”。3. 变压器可采取学生实验探究的教学建议通过学生实验，培养学生的探究能力（1）实验仪器：利用可拆变压器，学生低压交流电源，多用电表或交流电压表，导线若干。（2）注意事项：a.连接好电路后，同组同学分别独立检查，然后由老师确认，电路连接无误才能接通电源。b.注意人身安全。只能用低压交流电源，可使用电源交流电压为V。c.使用多用电表交流电压档测电压时，先用最大量程测试，然后再用适当的挡位进行测量。（3）实验过程：a.用可拆变压器使小灯泡发光，提出问题：灯为什么发光？b.两端加电压表观察电压与匝数关系。思考副线圈没有与电源相连，为什么两端会有电压？c.移动上面铁芯，从闭合到打开，观察灯泡亮度。d.拆开可拆变压器，了解变压器的结构。e.探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系，实验纪录表格：实验次数12
