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1、名师精编精品教案第十七章交变电流一、 交变电流的产生和变化规律一、教学目标1.使学生理解交变电流的产生原理，知道什么是中性面2.掌握交变电流的变化规律及表示方法3.理解交变电流的瞬时值和最大值以及中性面的准确含义4.培养学生运用数学知识解决、处理物理问题的能力二、教学重点交变电流产生的物理过程分析和中性面的特点三、教学难点交变电流产生的物理过程分析四、教学方法讲练结合、演示实验五、课时安排1 课时六、教具手摇发电机模型、演示用电流计、导线、示波器等七、教学过程（一）引入新课教师：请同学们用电磁感应的知识，设计一个发电机的实验模型。引导学生发挥创造性思维，展开讨论，提出设计方案。教师通过参与学生
2、的讨论，提出两个典型的例子，并与学生一起讨论哪个更有实用价值。培养学生的创造性思维。结论：让矩形线圈在匀强磁场中匀速转动。演示实验1简单介绍交流发电机的构造2第一次发电机接入小灯泡，当转动线圈时，小灯泡亮了，但一闪一闪。第二次接入演示用电流计，慢慢转动线圈，可以看到线圈每转一周，电表指针左右摆动一次。问：刚才的实验表明线圈里产生的感应电流有何特征？答：感应电流的强度和方向都随时间作周期性变化。指出：我们把这种强度和方向都随时间作周期性变化的电流叫做交变电流。简称，交流。板书在现代工农业生产和日常生活中所用的电源，大都是交流电。 同直流电相比， 交流电有许多优点。交流电和直流电存在共同点，但是尤
3、其应注意的是交流电不同于直流电的特殊性，正是这些特殊性，构成了交流电优点的基础。（二）进行新课1交变电流的产生设问：矩形线圈在匀强磁场中匀速转动，为什么会产生交变电流呢？讨论课文图172，发电机的工作原理。问：线框逆时针匀速转动过程中，哪些边在切割磁感线？（ab 和 cd）ab 边和 cd 边在匀强磁场中做匀速圆周运动，切割磁感线，在线框中产生感应电动势，在电路中就产生感应电流。演示实验缓慢转动线框，当线框平面与磁感线平行时，就会发现此时感应电动势最大。继续转动线框，当学生发现指针偏角最小，即此时线框平面与磁感线垂直。我们把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，感应电
4、流、感应电动势为零。为了能更加方便地说明问题，我们将立体图转化为平面图来分析。甲图线框处于中性面，ab 边和 cd 边不切割磁感线，线框中E感0，I感0，乙图线框ab 边和 cd 边都在切割磁感线，线框中产生感应电流，根据右手定则可知，感应电流是沿 abcd 方向流动的。丙图（同甲图）丁图线框ab 边和 cd 边都在切割磁感线，线框中产生感应电流，根据右手定则可知，感应电流是沿 dcba 方向流动的。戊图（同甲图）可以看出，线框每经过一次中性面，感应电流的方向就改变一次，因此线框每转动一周，感应电流的方向改变两次。2交变电流的图像和变化规律定量分析线框转动一周过程中感应电动势大小随时间的变化关
5、系。设线框平面从中性面开始转动，角速度是，经时间 t 线框转过的角度是t，ab 边的线速度v 的方向跟磁感线方向的夹角也等于t，ab 边的长度为L，磁感强度为B，则 ab 边的感应电动势是EabBlvsin t Cd 边中的感应电动势跟ab 边中的感应电动势大小相同，且两边又是串联，所以这一瞬间整个线框中的感应电动势e2 Blvsint 令 Em 2 Blv 即 e Em sint ie/REm sint/R=Imsint 总结： 交变电流的大小和方向都随时间按正弦规律变化。因此，交变电流的规律也可以用图像来表示。a(b) d(c) 甲a(b) d(c) 戊a(b) d(c) 乙a(b) d(
6、c) 丙a(b) d(c) 丁a(b) d(c) 戊v v t(s) e(i,u) 0 Em -Em （甲）（乙）（丙）（丁）（戊）精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 13 页名师精编精品教案在直角坐标系中，横轴表示线圈平面跟中性面的夹角（或者表示线圈转动经过的时间t） ，纵坐标表示感应电动势e（感应电流I） 。3、交流发电机（ 1）发电机的基本组成：用来产生感应电动势的线圈（叫电枢）用来产生磁场的磁极（ 2）发电机的基本种类旋转电枢式发电机（电枢动磁极不动）旋转磁极式发电机（磁极动电枢不动）无论哪种发电机，转动的部分叫转子
7、 ，不动的部分叫定子【例题】一矩形线圈，面积为s，匝数为N，在场强为B 的匀强磁场中绕着中轴oo 做匀速转动，角速度为 ，磁场方向与转轴垂直，当线圈转到中性面开始计时，求：（1）线圈中感应电动势的最大值？（ 2）线圈中感应电动势随时间变化的表达式？（3）若线圈中的电阻为R，则线圈中的电流的最大值为多少？（4）线圈中的电流瞬时表达式（三）课堂练习：1、交流电的电流-时间图像如图所示，电流为零的时刻是，这些时刻线圈与中性面的夹角为。电流最大的时，这时线圈平面于中性面的夹角为。2、对于正弦交流电，下列说法正确的是：（）（1）线圈转动一周，电流大小改变两次（2）线圈转动一周，电流大小不变。线圈转动一周
8、，电流大小随时改变线圈转动一周，电流大小改变四次3、手摇发电机转动时，小灯泡为何一闪一闪的呢？（1）灯泡发光需要一定的电压，当U定Um时，就能使灯泡发光。（2） 如图所示， 当 T1tT2时间内， 小灯泡亮了， 当 T2tT3时间内，小灯泡变暗了，在T3tn1时， U2U1升压变压器（2） 当 n2 n1时， U2 U1降压变压器三、巩固与练习练习 1 一台变压器原线圈的匝数为4400 匝,与 220V 的电源相连 ,当副线圈接入额定电压为36V 的灯泡时练习,能够正常发光.则变压器副线圈的匝数为( C ) A 36 匝B 72 匝C 720 匝D 1440 匝练习 2 变压器原、副线圈的匝数
9、比n1:n24：1，当导体棒在匀强磁场中向左做匀速直线运动切割磁感线时，图中电压表V1 的示数 12V，则电压表V2 的示数为（B ）A3V B0 C48V D与负载R 的值有关四、小结：1变压器的构造：由闭合铁芯和绕在闭合铁芯上的原,副线圈组成。或称初级、次级线圈。2电路符号；3变压器的作用：升高或降低交流电压，且2121NNUU4变压器的工作原理：电磁感应。五作业：1 课后练习1，2，3。2从能量的角度思考原副线圈匝数与原副线圈中的输入功率与输出功率有着什么样的关系？五、电能的输送教学目标一、知识目标1、知道 “ 便于远距离输送” 是电能的优点之一知道输电的过程了解远距离输电的原理2、理解
10、各个物理量的概念及相互关系3、充分理解；中的物理量的对应关系4、知道什么是输电导线上的功率和电压损失和如何减少功率和电压损失. 5、理解为什么远距离输电要用高压. 二、能力目标1、培养学生的阅读和自学能力2、通过例题板演使学生学会规范解题及解题后的思考3、通过远距离输电原理分析，具体计算及实验验证的过程，使学生学会分析解决实际问题的两种基本方法：理论分析、计算和实验三、情感目标1、通过对我国远距离输电挂图展示，结合我国行政村村村通电报导及个别违法分子偷盗电线造成严重后果的现象的介绍，教育 学生爱护公共设施，做一个合格公民2、教育 学生节约用电，养成勤俭节约的好习惯教学 建议教材分析及相应的教法
11、建议1、对于电路上的功率损失，可根据学生的实际情况，引导学生自己从已有的直流电路知识出发，进行分析，得出结论2、讲解电路上的电压损失，是本教材新增加的目的是希望学生对输电问题有更全面、更深人和更接近实际的认识，知道影响输电损失的因素不只一个，分析问题应综合考虑，抓住主要方面但真正的实际问题比较复杂，教学 中并不要求深人讨论输电中的这些实际问题，也不要求对输电过程中感抗和容抗的影响进行深入分析教学 中要注意掌握好分寸3、学生常常容易将导线上的电压损失面与输电电压混淆起来，甚至进而得出错误结论可引导学生进行讨论，澄清认识这里要注意，切不可单纯由教师 讲解，而代替了学生的思考，否则会事倍功半，形快而
12、实慢精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 13 页名师精编精品教案4、课本中讲了从减少损失考虑，要求提高输电电压；又讲了并不是输电电压越高越好希望帮助学生科学地、全面地认识问题，逐步树立正确地分析问题、认识问题的观点和方法教学 重点、难点、疑点及解决办法1、重点：（ l）理论分析如何减少输电过程的电能损失（2）远距离输电的原理2、难点：远距离输电原理图的理解3、疑点：；的对应关系理解4、解决办法通过自学、 教师 讲解例题分析、实验演示来逐步突破重点、难点、疑点教学 设计方案电能的输送教学 目的：1、了解电能输送的过程2、知道高
13、压输电的道理3、培养学生把物理规律应用于实际的能力和用公式分析实际问题的能力教学 重点：培养学生把物理规律应用于实际的能力和用公式分析实际问题的能力教学 难点：高压输电的道理教学 用具：电能输送过程的挂图一幅（带有透明胶），小黑板一块（写好题目）教学过程 ：一、引入新课讲述：前面我们学习了电磁感应现象和发电机，通过发电机我们可以大量地生产电能比如，葛洲坝电站通过发电机把水的机械能为电能，发电功率可达271.5 万千瓦，这么多的电能当然要输到用电的地方去，今天，我们就来学习输送电能的有关知识二、进行新课1、输送电能的过程提问：发电站发出的电能是怎样输送到远方的呢？如：葛洲坝电站发出的电是怎样输到
14、武汉、上海等地的呢？很多学生凭生活经验能回答：是通过电线输送的在教师 的启发下学生可以回答：是通过架设很高的、很粗的高压电线输送的出示：电能输送挂图，并结合学生生活经验作介绍板书 ：输送电能的过程：发电站升压变压器高压输电线降压变压器用电单位）2、远距离输电为什么要用高电压？提问：为什么远距离输电要用高电压呢？学生思考片刻之后，教师 说：这个实际问题就是我们今天要讨论的重点板书 ：（高压输电的道理）分析讨论的思路是：输电导线（电阻）发热损失电能减小损失讲解：输电要用导线，导线当然有电阻，如果导线很短，电阻很小可忽略，而远距离输电时，导线很长，电阻大不能忽略列举课本上的一组数据电流通过很长的导线
15、要发出大量的热，请学生计算：河南平顶山至湖北武昌的高压输电线电阻约400 欧，如果能的电流是1 安，每秒钟导线发热多少？学生计算之后，教师 讲述：这些热都散失到大气中，白白损失了电能所以，输电时，必须减小导线发热损失3、提问：如何减小导线发热呢？分析：由焦耳定律，减小发热, 有以下三种方法：一是减小输电时间，二是减小输电线电阻，三是减小输电电流4、提问：哪种方法更有效？第一种方法等于停电，没有实用价值第二种方法从材料、长度、粗细三方面来说都有实际困难适用的超导材料还没有研究出来排除了前面两种方法，就只能考虑第三种方法了从焦耳定律公式可以看出第三种办法是很有效的：电流减小一半，损失的电能就降为原
16、来的四分之一通过后面的学习，我们将会看到这种办法了也是很有效的板书 结论：（ A：要减小电能的损失，必须减小输电电流）讲解：另一方面，输电就是要输送电能，输送的功率必须足够大，才有实际意义板书 ：（ B：输电功率必须足够大）精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 13 页名师精编精品教案5、提问：怎样才能满足上述两个要求呢？分析：根据公式，要使输电电流减小，而输送功率不变（足够大），就必须提高输电电压板书 ：（高压输电可以保证在输送功率不变，减小输电电流来减小输送电的电能损失）变压器能把交流电的电压升高（或降低）讲解：在发电站都
17、要安装用来升压的变压器，实现高压输电但是我们用户使用的是低压电，所以在用户附近又要安装降压的变压器讨论：高压电输到用电区附近时，为什么要把电压降下来？（一是为了安全，二是用电器只能用低电压）板书 ：（ 3. 变压器能把交流电的电压升高或降低）三、引导学生看课本，了解我国输电电压，知道输送电能的优越性四、课堂小结：输电过程、高压输电的道理五、作业布置：某电站发电功率约271.5 万千瓦， 如果用 1000 伏的电压输电， 输电电流是多少？如果输电电阻是200 欧，每秒钟导线发热损失的电能是多少？如果采用100 千伏的高压输电呢？探究活动考察附近的变电站，学习日常生活中的电学知识和用电常识了解变压
18、器的工作原理调查生活中的有关电压变换情况调查：在电能的传输过程中，为了减小能量损耗而采用提高电压的方法，可是在提高电压后相应的对一些设备的要求也会提高，请调查在高压输电和低压输电过程中的投入产出比章末总结：交变电流一、复习要点1、交变电流的产生、变化规律及图象表达2、表征交变电的物理量、交变电的有效值3、电感和电容对交变电的影响4、变压器的构造、作用、原理5、理想变压器的理想化条件及规律6、远距离办理电二、难点剖析1、交变电流的几个基本问题（1）产生交变电流的基本原理交变电流的产生，一般都是借助于电磁感应现象得以实现的。因此，可以说，产生交变电流的基本原理，就是电磁感应现象中所遵循的规律法拉第
19、电磁感应定律。（2）产生交变电流的基本方式一般来说，利用电磁感应现象来产生交变电流的具体操作方式可以有很多种。例如，使图中所示的线圈在匀强磁场中往复振动，就可以在线圈中产生方向交替变化的交变电流。但这种产生交变电流的操作方式至少有如下两个方面的不足：第一，操纵线圈使之往复振动，相对而言是比较困难的；第二，使线圈往复振动而产生的交变电流，其规律相对而言是比较复杂的。正因为如此，尽管理论上产生交变电流的具体操作方式可以有很多种，但人们却往往都是选择了操作较为方便且产生的交变电流的规律较为简单的一种基本方式使线圈在匀强磁场中相对做匀速转动而切割磁感线来产生交变电流。这几乎是所有交流发电机的基本模型。
20、（3）交变电流的规律（以交变电动势为例）使线圈在匀强磁场中相对做匀速转动而切割磁感线所产生的交变电流是正弦交变电流，其规律的一般表达式为)sin(0tem。推导过程如下：如图2 所示，边长ab=l1，bc=l2的 N匝矩形线圈，绕其对称轴OO 在磁感强度为B 的匀强磁场中以角速度做匀速转动，当线圈平面转到与中性面（穿过线圈的磁通量达到最大值时线圈所在的平面）夹0角时为初始时刻，经过时间 t 线圈转至图 -3 所示位置（此图是在图7-2 的基础上俯视而得） ，则此时 bc 和 ab 两条边上各有N 条长为l2的导线以速率21lv沿图示方向做切割磁感线运动，于是此时线圈回路程中总的感应电动势可用法
21、拉第电磁感应定律求得，为精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 13 页名师精编精品教案)sin(22022tvBNlBvNle)sin()sin()sin(00021ttBNStBlNlm（ 4）把握交变电流规律的三个要素（以交变电动势为例）。m交变电动势最大值：当线圈转到穿过线圈的磁通量为0 的位置时， 取得此值。 应强调指出的是，m与线形状无关， 与转轴位置无关，其表达式为BNSm。交变电流圆频率：实际上就是交流发电机转子的转动角速度。它反映了交变电流变化的快慢程度，与交变电流的周期T 和频率 f 间的关系为fT22。0
22、交变电流初相：它由初始时线圈在磁场中的相对位置决定，实际上就是计时起点线圈平面与中性面间的夹角。（ 5）交变电流的有效值有效值是根据电流的热效应来规定的，在周期的整数倍时间内（一般交变电流周期较短，如市电周期仅为0.02s，因而对于我们所考察的较长时间来说，基本上均可视为周期的整数倍），如果交变电流与某恒定电流流过相同电阻时其热效应相同，则将该恒定电流的数值叫做该交变电流的有效值。一般交变电流表直接测出的是交变电流的有效值，一般用电器铭牌上直接标出的是交变电流的有效值，一般不作任何说明而指出的交变电流的数值都是指有效值。交变电流的有效值),(IU与其相应的最大值mmmIU,间的关系为IIUUm
23、mm2,2,2。上述关系式只适用于线圈在匀强磁场中相对做匀速转动时产生的正弦交变电流，对于用其他方式产生的其他交变电流，其有效值与最大值间的关系一般与此不同，京戏根据有效值的定义作具体分析。2、理想变压器的几个基本问题（ 1）理想变压器的构造、作用、原理及特征。构造：两组线圈（原、副线圈）绕在同一个闭合铁心上构成所谓的变压器。作用：在办理送电能的过程中改变电压。原理：其工作原理是利用了电磁感应现象。特征：正因为是利用电磁感应现象来工作的，所以变压器只能在输送交变电流的电能过程中改变交流电压。（2）理想变压器的理想化条件及规律如图 4 所示，在理想变压器的原线圈两端加交流电压U1后，由于电磁感应
24、的原因，原、副线圈中都将产生感应电动势。根据法拉第电磁感应定律，有222111,ntn忽略原、副线圈内阻，有2211,UU。另外，考虑到铁心的导磁作用而且忽略漏磁，即认为任意时刻穿过原、副线圈的磁感线条数都相同，于是又有21。由此便可得理想变压器的电压变化规律为2121nnUU。在此基础上再忽略变压器自身的能量损失（一般包括了线圈内能量损失和铁心内能量损失这两部分，分别俗称为“铜损”和“铁损”） ，有 P1=P2，而P1=I1U1，P2=I2U2。于是又得理想变压器的电流变化规律为1221nnII。由此可见：理想变压器的理想化条件一般指的是：忽略原、副线圈内阻上的分压，忽略原、副线圈磁通量的差
25、别，忽略变压器自身的能量损耗（实际上还忽略了变压器原、副线圈电路的功率因素的差别） 。理想变压器的规律实质上就是法拉第电磁感应定律和能的转化与守恒定律在上述理想化条件下的新的表现形式。（3）多组副线圈理想变压器的规律。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 13 页名师精编精品教案由法拉第电磁感应定律，并考虑到线圈无同阻等，有U1：U2：U3=n1:n2:n3。由能的转化和守恒定律，并考虑到为变压器自身无能量损耗，又有P入=P出，即I1U1=I2U2+I3U3+。（ 4）原副线圈的地位原（副）线圈在原（副）线圈回路中所处的地位
26、是充当负载（电源）。3、关于电感与电容对交变电的影响（ 1）电感和电容对交变电流均有阻碍。电感对交变电流的阻碍作用随着交变电流的频率升高而增大；电容对交变电流的阻碍作用随着交变电流的频率升高而减小。（ 2）电感和电容除了对交变电流有阻碍作用外，对其相位还将产生一定的影响。三、典型例题例 1 如图所示，矩形线圈边长为ab=20cm， ab=10cm， 匝数 N= 100 匝， 磁场的磁感强度B=0.01T。当线圈以50r/s 的转速从图示位置开始逆时针匀速转动，求：（ 1）线圈中交变电动势瞬时值表达式；（ 2）从线圈开始转起动，经0.01s 时感应电动势的瞬时值。分析： 只要搞清交变电的三个要素
27、、m、0，进而写出交变电的瞬时值表达式，这样就把握到交变电的变化规律了解答： （ 1）欲写出交变电动势的瞬时值，先求出、m、0三个要素。线圈旋转角速度为sradf/1002，感应电动势的最大值为VBNSm28.6，刚开始转动时线圈平面与中性夹角rad60。于是线圈中交变电动势的瞬时值表达式为Vte6100sin28. 6。（ 2）把 t= 0.01s 代入上式，可量，此时感应电动势的瞬时值VVe14.36sin28.6。例 2两个完全相同的电热器分别通以图中（a）和 (b)所示的电流最大值相等的正弦交变电流和方波交变电流，则这两个电热器的热功率之比P甲：P乙=_。分析： 对于正弦交变电，其最大
28、值恰等于有效值的2倍，但对于非正弦交变电，其最大值与有效值间的关系一般需要根据有效值的定义来确定。解答：通以正弦我变电流的电热器的热功率为Pa=I2R=(Im2)2R=Im2R/2；通以方波交变电流的电热器，尽管通电时电流方向不断变化，但线时刻流过的电流数值均为Im，且电流的热功率与电流方向无关，所以Pb=Im2R.。于是得Pa：Pb=1：2。交变电流的有效值与最大值间的关系Im=2I，只对正弦交变电流才成立。图21-6 所示的方波交变电流，有效值等于最大值。例 3 如图所示，理想自耦变压器1 与 2 间匝数为40 匝， 2 与 3 间匝数为160 匝，输入电压为 100V，电阻 R 上消耗的
29、功率为10W，则交流电流表的示数为（）A、0.125A B、0.100A C、0.225A D、0.025A 分析： 由于 2 与 3 之间流过的既有原线圈电流，又有副线圈电流，所以必须搞清原、副线圈电流的方向关系；而欲搞清原、副线圈电流的方向关系又必须明确原、副线圈在相应的回路里的地位。解答：由理想变压器的变压规律，有U1：U2=n1:n2，由此解得R 两端的电压为VUnnU80100160401601122。由功率公式P2=I2U2可解得流过R 的电流，即变压器副线圈电流为I2=P2/U2=10/80=0.125A 。再由理想变压器的变流规律I1：I2=n1:n2，解得原线圈电流为AInn
30、I1125.0160401602121考虑到 2 与 3 之间的一段线圈既是副线圈，又是原线圈的一部分，而副线圈在副线圈回路中是电源，其电流应从低电势流向高电势，原线圈在原线圈回路中是负载，其电流应从高电势流向精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 13 页名师精编精品教案低电势， 这就决定着同时流过2 与 3 间的电流I1与 I2始终是反向的， 所以， 图 21-7 中的交流电流表的示数应该为I1与 I2的差的绝对值，即IA= 0.025A 此例应选D。例 4在绕制变压器时，某人误将两个线圈绕在如图所示变压器铁心的左右两个臂
31、上，当通以交变电流时，每个线圈产生的磁通量都只有一半通过另一个线圈，另一半通过中间的臂，已知线圈1、2的匝数之比N1：N2=2：1，在不接负载的情况下（）A、当线圈 1 输入电压220V 时，线圈2 输出电压为110V B、当线圈1 输入电压220V 时，线圈2 输出电压为55V C、当线圈2 输入电压110V 时，线圈1输出电压为220V D、当线圈 2 输入电压110V 时，线圈1输出电压为110V 分析： 该题考查的是变压器的原理，若不去深入研究变压器的变压原理，只死记公式，很容易错选。解答： 该题给出的变压器的铁心为日字形，与考生熟知的口字形变压器不同，且通过交变电流时，每个线圈产生的
32、磁通量只有一半通过另一线圈，故电压比2121nnUU不再成立。所以只能利用电磁感应定律，从变压器的原理入手，才能解出该题。当线圈 1 作为输入端时，1412122211221121nntntnUU。因为 U1=220V ，所以 U2=55V ，所以选项B 对。当线圈 2 作为输入端时，11221122121nnUU。因为 U2 =110V，所以 U1 =110V，所以选项D 对。例 5如图所示，理想变压器的原、副线圈匝数之比为n1:n2= 4:1，原线圈回路中的电阻A 与副线圈回路中的负载电阻B 的阻值相等。 a、b 端加一定交变电流电压后，两电阻消耗的电功率之比PA：PB= _。分析：抓住理想变压器（图中的虚线框内的部分）原、副线圈的电流关系， A、B 两电阻消耗的电功率关系及电压关系均可求得解答：对理想变压器，有411221nnIIRIPRIPBA2221,1612212221IIIIPPBA又 UA=I1R，UB=I2R412121IIRIRIUUBA应依次填充：161和41图 21-8 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 13 页
