高二物理人教版3-2-5.1交变电流教案

交变电流重/难点重点：交变电流产生的物理过程的分析。难点：交变电流的变化规律及应用。重/难点分析重点分析：课本上介绍的交变电流的产生，实际上是正弦交流电的产生。以矩形线框在匀强磁场中匀速转动为模型，以线框通过中性面为计时起点，得到电动势随时间满足正弦变化的交变电流。这里可以明确指出，电动势的最大值由线框的匝数、线框面积、转动角速度和磁感应强度共同决定。难点分析：在这一节中学生要第一次接受许多新名词，如交变电流、正弦电流、中性面、瞬时回值、最大值等等。要让学生明白这些名词的准确含义。特别是对中性面的理解，要让学生明确，中性面是指与磁场方向垂直的平面。当线圈位于中性面时，线圈中感应电动势为零，线圈转动过程中通过中性面时，其中感应电动势方向要改变。突破策略1.正弦交流电的产生当闭合矩形线圈在匀强磁场中，绕垂直于磁感线的轴线做匀角速转动时，闭合线圈中就有交流电产生。如图所示。设矩形线圈abcd以角速度ω绕oo'轴、从线圈平面跟磁感线垂直的位置开始做逆时针方向转动。此时，线圈都不切割磁感线，线圈中感应电动势等于零。经过时间t线圈转过ωt角，这时ab边的线速度v方向跟磁感线方向夹角等于ωt，设ab边的长度为l，bd边的长度为l'，线圈中感应电动势为2sin2leBltww¢=。当线圈平面转到跟磁感线平行的位置时，线圈转过T/4时间，ωt=π/2，ab边和cd边都垂直切割磁感线，sinωt=1，线圈中感应电动势最大，用mE来表示，mEBSw=。则meEsintw=。由上式知，在匀强磁场中，绕垂直于磁感线的轴做匀角速转动的线圈里产生的感应电动势是按正弦规律变化的．根据闭合电路欧姆定律：sinmEeitRRw==，令mmEIR=，则miIsintw=路端电压muiRIRsintw==，令mmUIR=，则muUsintw=如果线圈从如图所示位置开始转动，电路中感应电动势、感应电流和路端电压将按余弦规律变化coscoscosmmmeEtiItuUt===2．中性面当线圈转动至线圈平面垂直于磁感线位置时，各边都不切割磁感线，线圈中没有感应电流，这个特定位置叫做中性面。应注意：①中性面在垂直于磁场位置。②线圈通过中性面时，穿过线圈的磁通量最大。③线圈平面通过中性面时感应电动势为零。④线圈平面每转过中性面时，线圈中感应电流方向改变一次，转动一周线圈两次通过中性面，故一周里线圈中电流方向改变两次。3．正弦交流电的图象矩形线圈在匀强磁场中，绕垂直于磁感线的轴做匀角速转动，线圈里产生正弦交流电。当线圈从中性面开始转动，在一个周期中：在t（0，T/4）时间内，线圈中感应电动势从0达到最大值mE。在t（T/4，T/2）时间内，线圈中感应电动势从最大值mE减小到0。在t（T/2，3T/4）时间内，线圈中感应电动势从0增加到负的最大值-mE。在t（3T/4，T）时间内，线圈中感应电动势的值从负的最大值-mE减小到0。电路中的感应电流、路端电压与感应电动势的变化规律相同，如图所示。二、描述交变电流的物理量1、瞬时值：它是反映不同时刻交流电的大小和方向，正弦交流瞬时值表达式为：sinmetew=，sinmiItw=。应当注意必须从中性面开始。生活中用的市电电压为220V。其最大值为2202V=311V（有时写为310V），频率为50HZ，所以其电压瞬时值的表达式为u=311sin314t（V）。2、最大值：也叫峰值，它是瞬时值的最大者，它反映的是交流电大小的变化范围，当线圈平面跟磁感线平行时，交流电动势最大，mENBSw=（转轴垂直于磁感线）。电容器接在交流电路中，则交变电压的最大值不能超过电容器的耐压值。解题思路点拨：（1）明确正弦交流电的三要素，写出瞬时值表达式；（2）由瞬时值表达式求某时刻的值。例1.如图所示，有一闭合的正方形线圈，匝数N=100，边长为10cm，线圈总电阻为10Ω。线圈绕OO＇轴在B=0.5T的匀强磁场中匀速转动，每分钟转1500转，求线圈平面从图示位置转过30°时，感应电动势的值是多少？解析：n=1500r/min=25r/s，ω=2πn=50πrad/s最大值mE=NBSω=100×0.5×0.01×50×3.14V=78.5V线圈的初位置是中性面0=0f，所以其瞬时值表达式为：当线圈转过30°即ωt=30°时e=78.5×sin30°V=39.25V。瞬时感应电动势和平均感应电动势求法正弦交流电的产生过程是一个电磁感应现象发生的过程，皆遵守法拉第电磁感应定律。在高中阶段感应电动势的瞬时值由求得，平均感应电动势由求得。例2.一边长为l的正方形线圈abcd绕对称轴OO＇在匀强磁场中转动，转速为n=120r/min，若已知边长l=20cm，匝数N=20，磁感应强度B=0.2T，求：（1）转动中的最大电动势及位置。（2）从中性面开始计时的电动势瞬时值表达式。（3）从如图所示位置转过90°过程中的平均电动势。解析：（1）当线圈平面转到与磁场平行时，ab、cd两边均垂直切割磁感线，这时线圈中产生的感应电动势最大mE=NBSω=20×0.2×0.22×2π×2=2.0V；（2）电动势瞬时值表达式为e=mEsinωt=2sin（4πt）V；（3）可知：突破反思对于交变电流的产生，课本采取由感性到理性，由定性到定量，逐步深入的讲述方法。为了有利于学生理解和掌握，教学中要尽可能用示波器或模型配合讲解。教学中应注意让学生观察教材中的线圈通过4个特殊位置时电表指针的变化情况，分析电动势和电流方向的变化，使学生对线圈转动一周中电动势和电流的变化有比较清楚的了解。有条件的，还可以要求学生运用已学过的知识，自己进行分析和判断。