高中物理选修3-2第五章交流电

高中物理选修3-2第五章《交流电》青岛十七中高二物理集备组2007.9.26教材分析与教学建议第五章交流电1交变电流2描述交变电流的物理量3电感和电容对交变电流的影响4变压器5电能的输送2007考试说明1交变电流.交变电流的图像Ⅰ2正弦交变电流的函数表达式、峰值和有效值Ⅰ3理想变压器Ⅰ4远距离输电Ⅰ一教学的思考•1教学的难点•2教学的重点•3考试的热点有效值的概念,远距离输电过程的有关计算.交流电的变化规律及其应用,理想变压器的应用.交流电的变化规律及其应用.教学的时间安排第1单元§5.1交变电流（1学时）§5.2描述交变电流的物理量（1学时）习题课（1学时）第2单元§5.3电感和电容对交变电流的影响（1学时）第3单元§5.4变压器（2学时）§5.5电能的输送（1学时）二、教学设计思路及教学建议1、交变电流2、描述交变电流的物理量3、电感和电流对交变电流的影响4、变压器5、电能的输送教学目标（一）知识与技能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及中性面的准确含义。（二）过程与方法1．掌握描述物理量的三种基本方法（文字法、公式法、图象法）。2．培养学生观察能力，空间想象能力以及将立体图转化为平面图形的能力。3．培养学生运用数学知识解决物理问题的能力。（三）情感、态度与价值观通过实验观察，激发学习兴趣，培养良好的学习习惯，体会运用数学知识解决物理问题的重要性重点：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。第一节、交变电流5.1交变电流一.交变电流的产生过程教材并没有直接给出线圈在各个位置时电流的方向,而是以问题的方式引导学生自己分析.1.理论探究建议:将一个周期内的四个位置和四个过程的电流大小、方向从中性面起依次以问题的形式展现,让学生对交变电流的产生过程有一个完整的认识（1）图5.1-3中，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？（2）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？（3）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？（4）在线圈由丁转到甲的过程中，AB中电流向哪个方向流动？大小如何变化？2.实验验证(1)(2)二.交变电流的变化规律教材中未对交变电流的瞬时值表达式作理论推导，建议在实际教学中对交变电流的瞬时值表达式进行推导。给出交流电和直流电的概念.(强调方向的区别)在课后的问题与练习中有两道题用到Em==NBSω(1)定义:与磁感线垂直的平面。(2)强调:①线圈处于中性面位置时，穿过线圈Φ最大，但I=0。②线圈越过中性面，线圈中感应电流方向要改变。线圈转一周，感应电流方向改变两次。1.中性面2．交变电流的变化规律(1)若线圈有N匝时，相当于N个完全相同的电源串联，e=NBL1L2ωsinωt，令Em=NBL1L2ω=NBSω=NΦmω，叫做感应电动势的峰值，e叫做感应电动势的瞬时值。(2)根据闭合电路欧姆定律，电流的最Im=Em/(r+R)，电压的瞬时值i=Imsinωt(3)根据部分电路欧姆定律，电压的最大值Um=ImR，电压的瞬时值U=Umsinωt。电动势、电流与电压的瞬时值与时间关系图像3.交流电的图像此处可与Φ－t图相比较．三．几种常见的交变电波形第二节.描述交变电流的物理量（一）知识与技能1．理解什么是交变电流的峰值和有效值，知道它们之间的关系。2．理解交变电流的周期、频率以及它们之间的关系。知道我国生产和生活用电的周期（频率）的大小。（二）过程与方法能应用数学工具描述和分析处理物理问题。（三）情感、态度与价值观让学生了解多种电器铭牌，介绍现代科技的突飞猛进，激发学生的学习热情重点：交变电流有效值概念。难点：交变电流有效值概念及计算。一．周期和频率：fT1二．交变电流的峰值（Em，Im，Um）交变电流的峰值是交变电流在一个周期内所能达到的最大数值，可以用来表示交变电流的电流或电压变化幅度。电容器的耐压值是指能够加在它两端的最大电压，若电源电压的最大值超过耐压值，电容器可能被击穿。但是交变电流的最大值不适于表示交变电流产生的效果，在实际中通常用有效值表示交变电流的大小。fT22注意对转速与频率的理解问题情景三.有效值（E、I、U）2mII2mUU１、定义：让交变电流和直流电通过同样的电阻，如果它们在相同时间内产生热量相等，把直流电的值叫做交变电流的有效值。通常用大写字母U、I、E表示有效值。［强调］（１）上面三式仅适用于正弦（或余弦）交流电．（２）各种使用交变电流的电器设备上所示值为有效值。（３）交变电流表（电压表或电流表）所测值为有效值。（４）计算交变电流的功、功率、热量等用有效值。（５）仅在热效应上等效，并非在所有方面都等效．2mEE2．正弦交流电有效值和最大值的关系注意区分交流电的“四值”１、最大值２、有效值３、平均值４、瞬时值第三节.电感和电容对交变电流的影响（一）知识与技能1．理解为什么电感对交变电流有阻碍作用。2．知道用感抗来表示电感对交变电流阻碍作用的大小，知道感抗与哪些因素有关。3．知道交变电流能通过电容器.知道为什么电容器对交变电流有阻碍作用。4．知道用容抗来表示电容对交变电流的阻碍作用的大小.知道容抗与哪些因素有关。（二）过程与方法1．培养学生独立思考的思维习惯。2．培养学生用学过的知识去理解、分析新问题的习惯。（三）情感、态度与价值观培养学生有志于把所学的物理知识应用到实际中去的学习习惯。重点1．电感、电容对交变电流的阻碍作用。2．感抗、容抗的物理意义。难点1．感抗的概念及影响感抗大小的因素。2．容抗概念及影响容抗大小的因素。一．电感对交变电流的阻碍作用［演示］电阻、电感对交、直流的影响。实验电路如下图甲、乙所示：说明：由于电感线圈中通过交变电流时产生自感电动势，阻碍电流变化，对交变电流有阻碍作用.电感对交变电流阻碍作用大小用感抗来表示.线圈自感系数越大，交变电流的频率越高，感抗越大.４、感抗的利用（1）低频扼流圈自感系数很大。对低频交变电流有很大的阻碍作用。即“通直流、阻交流”。（2）高频扼流圈自感系数小。对低频交变电流阻碍小，对高频交变电流阻碍大。即“通低频、阻高频３、线圈的作用：线圈有“通直流、阻交流”或“通低频，阻高频”特征１、感抗：电感对交流电的阻碍作用的大小２、影响感抗的因素：自感系数，交流电频率。线圈自感系数越大，交变电流的频率越高，感抗越大。二、．交变电流能够通过电容器［演示］电容对交、直流的影响。实验电路如图所示：电容器交替进行充电和放电，电路中就有了流，表现为交流通过了电容器。３、电容器的作用：电容器具有“通交流、隔直流”“通高频、阻低频”的特点１、容抗：电容对交流电的阻碍作用的大小２、影响容抗的因素：电容，交流电频率。电容器的电容越大，交变电流频率越高，容抗越小三.电容器对交变电流的阻碍作用本节内容不用做太多的应用训练．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，容抗就越小；交变电流的频率越高，充放电进行得越快，充放电电流越大，容抗越小.四.变压器（一）知识与技能1．知道变压器的构造，了解变压器的工作原理。2．理解理想变压器原、副线圈中电压与匝数的关系和电流与匝数的关系，能应用它分析解决有关问题。（二）过程与方法在探究变压比、电流比和匝数比的关系中培养学生运用物理理想化模型分析问题、解决问题的能力。（三）情感、态度与价值观1．使学生体会到能量守恒定律是普遍适用的。2．培养学生实事求是的科学态度。重点：探究变压比和匝数比的关系。难点：探究变压比和匝数比的关系。一.变压器的原理１、构造：变压器就是由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈构成的。一个线圈跟电源连接，叫原线圈（初级线圈），另一个线圈跟负载连接，叫副线圈（次级线圈）。两个线圈都是绝缘导线绕制成的。铁芯由涂有绝缘漆的硅钢片叠合而成。２、画出变压器的结构示意图和符号，如下图示：用可拆变压器向学生展示变压器的构造．３、变压器的原理：互感现象时变压器工作的基础。通过互感现象，电源的能量可以从一个线圈传输给另一个线圈。二、电压与匝数的关系１、利用可拆变压器，学生电源，多用电表，导线若干，探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系．注意事项：（1）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。（2）注意人身安全。只能用低压交流电源，可使用电源电压为６V（3）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。2121实验次数123456原线圈匝数n1n1n1n1n2n2n2副线圈匝数n2n1n12n1n2n22n2副线圈输出电压U2结论取U1＝6V2．电压与匝数的关系2121nnUU2121nnUU让学生实验分析数据，归纳结论．３、理想变压器：没有能量损失的变压器叫做理想变压器。只适用于理想变压器。实际上变压器的工作效率都很高，可近似当成理想变压器处理。2121nnUU三、理想变压器原线圈的输入功率与副线圈的输出功率相等：P出=P入四、电流与匝数的关系理想变压器只有一个副线圈，则原副线圈中的电流I1与I2，据P出=U2I2，P入=U1I1及P出=P入得：121221nnUUII学生在教师的引导下进行理论探究．思考一：升压变压器，n2＞n1，降压变压器，n2＜n1。升压变压器，I2I1，降压变压器，I2I1。思考二：在绕制升压变压器原副线圈时，副线圈导线应比原线圈导线粗一些好，还是细一些好？降压变压器呢？因为升压变压器，I2I1，所以副线圈导线可以比原线圈导线细一些。降压变压器，I2I1，所以副线圈导线要比原线圈导线粗一些。自学了解：电压互感器和电流互感器的作用和原理五．应用第五节.电能的输送（一）知识与技能1．知道“便于远距离输送”是电能的优点，知道输电过程。2．知道降低输电损耗的两个途径，会进行远距离输电的有关计算．3．了解电网供电的优点和意义。（二）过程与方法通过思考、讨论、阅读，培养学生阅读、分析、综合和应用能力（三）情感、态度与价值观1．培养学生遇到问题要认真、全面分析的科学态度。2．介绍我国远距离输电概况，激发学生投身祖国建设的热情。重点：找出影响远距离输电损失的因素，使学生理解高压输电可减少功率与电压损失。难点：理解高压输电原理，区别导线上的输电电压U和损失电压ΔU。一、降低输电损耗的两个途径1.减小输电线的电阻根据电阻定律电阻定律可知r=ρ，要减小输电线的电阻r，可采用下述方法：①减小材料的电阻率ρ.银的电阻率最小，但价格昂贵，目前选用电阻率较小的铜或铝作输电线.②减小输电线的长度L不可行，因为要保证输电距离.③增加导线的横截面积.近距离输电可适当增大横截面积。对于远距离输电，若增加导线的横截面积，不仅不经济，而且架线困难。2.减小输电电流在输电功率一定的条件下，根据P=UI可知，要减小输电线中的电流I，必须提高输电电压U，这就是采用高压输电的道理。根据功率损失的表达式ΔP=I2r可知，要减少输电线上的功率损失，有两种方法：其一是减小输电线的电阻；其二是减小输电电流。Sl在输电电流一定的情况下，线路电阻减为原来的一半，线路中损耗的功率减为原来的１／２。在线路电阻一定的情况下，电压提高一倍，线路中的电流减为一半，而损耗的功率减为原来的１／４。３、两种途径比较二、远距离高压输电的原理设发电机的输出功率为P，I2=P／U2，则功率损失为ΔP=I22R用户得到的功率为P用=P-ΔP输电线路上的电压损失为：ΔU=I2R，则U3=U2-ΔU１．远距离高压输电示意图远距离输电问题解题思路：（１）画好远距离输电示意图（２）将有关物理量字母标在图上（３）认真分析输电过程的各个环节，列出物理方程式求解。该过程一般有五个环节：发电机回路；升压变压器；远距离输电部分；降压变压器；用户。2．电网