人教版高中物理《日光燈電路及其功率因素的提高》教學(xué)設(shè)計(jì)

1、教學(xué)設(shè)計(jì)： 實(shí)驗(yàn) 日光燈電路及其功率因素的提高 如何加強(qiáng)新課標(biāo)下物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐性【教材分析】 教育部制訂的普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）的課程目標(biāo)中明確寫到：“發(fā)展好奇心與求知欲，發(fā)展科學(xué)探索興趣，有堅(jiān)持真理、勇于創(chuàng)新、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神”，只有把物理學(xué)習(xí)和身邊的自然環(huán)境、社會(huì)環(huán)境及日常生活結(jié)合在一起，才能擴(kuò)展學(xué)生對(duì)自然的認(rèn)識(shí)，探尋科學(xué)的本質(zhì)，增進(jìn)其對(duì)科學(xué)探究性本質(zhì)的理解和探究能力，真正達(dá)到科學(xué)教育的核心目標(biāo)：提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。所以物理學(xué)習(xí)離不開實(shí)驗(yàn)，更離不開生活。本節(jié)教學(xué)旨在體現(xiàn)新課標(biāo)下物理實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐性?！緦W(xué)生分析】 我國(guó)目前的中學(xué)物理教學(xué)主要偏重于知識(shí)內(nèi)容和結(jié)論的學(xué)習(xí),學(xué)生在

2、學(xué)習(xí)過(guò)程中很少動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，從而缺乏對(duì)知識(shí)的本質(zhì)理解、對(duì)結(jié)論的推導(dǎo)過(guò)程、對(duì)問(wèn)題的推究思考，嚴(yán)重阻礙學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)和動(dòng)手能力的培養(yǎng)。【任務(wù)分析】 工作原理說(shuō)明工作線路安裝工作問(wèn)題提出工作問(wèn)題解決【教學(xué)目標(biāo)】1、知識(shí)與技能：理解正弦穩(wěn)態(tài)交流電路電壓、電流相量關(guān)系；掌握日光燈線路的安裝；理解改善電路功率因數(shù)的意義并掌握其方法。2、過(guò)程與方法：實(shí)驗(yàn)、分析、歸納的科學(xué)探究方法。3、態(tài)度情感與價(jià)值觀：采用實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法，旨在提高學(xué)生的動(dòng)手能力，發(fā)展學(xué)生的好奇心與求知欲，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探索興趣及堅(jiān)持真理、勇于創(chuàng)新、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神，適應(yīng)新課標(biāo)下的教學(xué)改革?！局攸c(diǎn)難點(diǎn)】重點(diǎn)：正弦穩(wěn)態(tài)交流電路電壓、

3、電流相量關(guān)系；日光燈線路的安裝；提高功率因數(shù)的方法。難點(diǎn)：如何根據(jù)正弦穩(wěn)態(tài)交流電路相量關(guān)系尋求日光燈線路中提高功率因數(shù)的方法?！驹O(shè)計(jì)思想】新課標(biāo)下如何體現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐性【教學(xué)過(guò)程】引課：前面，我們學(xué)習(xí)了由電阻r、電容c、電感l(wèi)等元件組成的正弦交流電路，那么，在實(shí)踐中，這種電路如何得以應(yīng)用呢？講授：一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?研究正弦穩(wěn)態(tài)交流電路中電壓、電流相量之間的關(guān)系。2. 掌握日光燈線路的接線。3. 理解改善電路功率因數(shù)的意義并掌握其方法。二、實(shí)驗(yàn)原理 （一）工作原理說(shuō)明1在單相正弦交流電路中，用交流電流表測(cè)得各支路的電流值， 用交流電壓表測(cè)得回路各元件兩端的電壓值，它們之間的關(guān)系滿足相量形式的基爾霍

4、夫定律，即 i0和u0 。2. 圖1所示的rc串聯(lián)電路，在正弦穩(wěn)態(tài)信號(hào)u的激勵(lì)下，ur與uc保持有90的相位差，即當(dāng)c值改變時(shí)，ur的相量軌跡是一個(gè)半圓。u、uc與ur三者形成一個(gè)直角形的電壓三角形，如圖2所示。c值改變時(shí)，可改變角的大小，從而達(dá)到移相的目的。圖2圖1（二）工作線路安裝常見的正弦穩(wěn)態(tài)交流電路的實(shí)際應(yīng)用日光燈線路（rl串聯(lián)電路）如圖3所示，圖中 a 是日光燈管，l 是鎮(zhèn)流器（日光燈的鎮(zhèn)流器就是利用線圈l自感的一個(gè)例子）， s是啟輝器。日光燈的工作原理：當(dāng)開關(guān)閉合后，電源把電壓加在起動(dòng)器的兩極之間，使氖氣放電而發(fā)出輝光，輝光產(chǎn)生的熱量使u形片膨脹伸長(zhǎng)，跟靜觸片接觸而使電路接通，于是

5、鎮(zhèn)流器的線圈和燈管的燈絲中就有電流通過(guò)。電流接通后，啟動(dòng)器中的氖氣停止放電， u形觸片冷卻收縮，兩個(gè)觸片分離，電路自動(dòng)斷開。在電路突然斷開的瞬間，鎮(zhèn)流器的兩端產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)高壓，這個(gè)電壓和電源電壓都加在燈管兩端，使燈管中的水銀蒸汽開始導(dǎo)電，于是日光燈管成為電流的通路開始發(fā)光。在日光燈正常發(fā)光時(shí)，與燈管串聯(lián)的鎮(zhèn)流器就起著降壓限流的作用，保證日光燈的正常工作。220vlsa圖3 （三）工作問(wèn)題提出功率因數(shù)及提高功率因數(shù)的意義（1）功率因數(shù)電路的有功功率與視在功率的比值叫做功率因數(shù)，即：。功率因數(shù)的大小是表示電源功率被利用的程度。（2）提高功率因數(shù)的意義在交流電力系統(tǒng)中，負(fù)載多為感性負(fù)載。例如常用的感

6、應(yīng)電動(dòng)機(jī)，接上電源時(shí)要建立磁場(chǎng)，所以它除了需要從電源取得有功功率外，還要由電源取得磁場(chǎng)的能量，并與電源作周期性的能量交換。在交流電路中，負(fù)載從電源接受的有功功率，顯然與功率因數(shù)有關(guān)。功率因數(shù)低會(huì)引起下列不良后果。 a. 負(fù)載的功率因數(shù)低，使電源設(shè)備的容量不能充分利用。b. 在一定的電壓u下，向負(fù)載輸送一定的有功功率p時(shí)，負(fù)載的功率因數(shù)越低，輸電線路的電壓降和功率損失越大。這是因?yàn)檩旊娋€路電流，當(dāng) 較小時(shí)，i必然較大。從而輸電線路上的電壓降也要增加，因電源電壓一定，所以負(fù)載的端電壓將減少，這要影響負(fù)載的正常工作。從另一方面看，電流i增加，輸電線路中的功率損耗也要增加。因此，提高負(fù)載的功率因數(shù)對(duì)合

7、理科學(xué)地使用電能以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)都有著重要的意義。常用的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在空載時(shí)的功率因數(shù)約為0.2 0.3，而在額定負(fù)載時(shí)約為0.83 0.85，不裝電容器的日光燈，功率因數(shù)為0.45 0.6，應(yīng)設(shè)法提高這類感性負(fù)載的功率因數(shù)，以降低輸電線路電壓降和功率損耗。（四）工作問(wèn)題解決提問(wèn)：用電部門如何提高電路的功率因數(shù)呢？作為老百姓生活中最常見又最重要的照明元件日光燈，如何來(lái)提高其的功率因數(shù)呢？提高感性負(fù)載功率因數(shù)的最簡(jiǎn)便的方法，是用適當(dāng)容量的電容器與感性負(fù)載并聯(lián)（如圖4）。例如，收音機(jī)里的中頻變壓器，用以產(chǎn)生正弦波的lc振蕩器等，都是以電感線圈和電容器的并聯(lián)電路作為核心部分。提問(wèn)：為什么并聯(lián)電容器后能提高

8、電路的功率因數(shù)呢？從相量圖（圖5）上可以看到并聯(lián)電容器后，電源供給的電流i減小了，與電壓的相位差也減小了，因而，功率因數(shù)提高了。這樣就可以使電感中的磁場(chǎng)能量與電容器的電場(chǎng)能量進(jìn)行交換，從而減少電源與負(fù)載間能量的互換。圖5 圖4借助相量圖分析方法容易證明：對(duì)于額定電壓為u、額定功率為p、工作頻率為f的感性負(fù)載r-l來(lái)說(shuō)，將功率因數(shù)從 提高到，所需并聯(lián)的電容為其中，且 ， 。 圖5因此，日光燈電路可改進(jìn)為：其中，c 是補(bǔ)償電容器，用以改善電路的功率因數(shù)（cos值）。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備 序號(hào)名稱型號(hào)與規(guī)格數(shù)量備注1交流電壓表0500v12交流電流表5a13功率表1（dgj-07）4自耦調(diào)壓器15鎮(zhèn)流器、啟

9、輝器與40w燈管配用各1dgj-046日光燈燈管40w1屏內(nèi)7電容器1f,2.2f,4.7f/500v各1dgj-058白熾燈及燈座220v，15w13dgj-049電流插座3dgj-04四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 按圖1接線。r為220v、15w的白熾燈泡，電容器為4.7f/500v。 經(jīng)指導(dǎo)教師檢查后，接通實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源， 將自耦調(diào)壓器輸出( 即u)調(diào)至220v。記錄u、ur、uc值，驗(yàn)證電壓三角形關(guān)系。測(cè) 量 值計(jì) 算 值u（v）ur（v）uc（v）u（與ur，uc組成rt）（u=）u=uu（v）u/u（%）2. 日光燈線路接線與測(cè)量。圖 6 按圖6接線。經(jīng)指導(dǎo)教師檢查后接通實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源，調(diào)節(jié)自耦調(diào)壓器

10、的輸出，使其輸出電壓緩慢增大，直到日光燈剛啟輝點(diǎn)亮為止，記下三表的指示值。然后將電壓調(diào)至220v，測(cè)量功率p， 電流i， 電壓u，ul，ua等值，驗(yàn)證電壓、電流相量關(guān)系。測(cè) 量 數(shù) 值計(jì)算值p(w)cosi(a)u(v)ul(v)ua(v)r()cos啟輝值正常工作值3. 并聯(lián)電路電路功率因數(shù)的改善。按圖7組成實(shí)驗(yàn)線路。經(jīng)指導(dǎo)老師檢查后，接通實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源，將自耦調(diào)壓器的輸出調(diào)至220v，記錄功率表、電壓表讀數(shù)。通過(guò)一只電流表和三個(gè)電流插座分別測(cè)得三條支路的電流，改變電容值，進(jìn)行三次重復(fù)測(cè)量。數(shù)據(jù)記入下頁(yè)表中。ic圖 7 電容值測(cè) 量 數(shù) 值計(jì) 算 值(f)p(w)cosu(v)i（a）il(a)

11、ic(a)i(a)cos012.24.7五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1. 本實(shí)驗(yàn)用交流市電220v，務(wù)必注意用電和人身安全。 2. 功率表要正確接入電路。 3. 線路接線正確，日光燈不能啟輝時(shí)， 應(yīng)檢查啟輝器及其接觸是否良好。六、思考題1. 參閱課外資料，了解日光燈的啟輝原理。 2. 在日常生活中，當(dāng)日光燈上缺少了啟輝器時(shí)， 人們常用一根導(dǎo)線將啟輝器的兩端短接一下，然后迅速斷開，使日光燈點(diǎn)亮（dgj-04實(shí)驗(yàn)掛箱上有短接按鈕，可用它代替啟輝器做試驗(yàn)。）；或用一只啟輝器去點(diǎn)亮多只同類型的日光燈，這是為什么？ 3. 為了改善電路的功率因數(shù)，常在感性負(fù)載上并聯(lián)電容器， 此時(shí)增加了一條電流支路，試問(wèn)電路的總電流是增大還是減小，此時(shí)感性元件上的電流和功率是否改變？4. 提高線路功率因數(shù)為什么只采用并聯(lián)電容器法， 而不用串聯(lián)法？所并的電容器是否越大越好？七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1. 完成數(shù)據(jù)表格中的計(jì)算，進(jìn)行必要的誤差分析。 2. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別繪出電壓、電流相量圖， 驗(yàn)證相量形式的基爾霍夫定律。 3. 討論改善電路功率因數(shù)的意義和方法。4. 裝接日光燈線路的心得體會(huì)及其他?！窘虒W(xué)總結(jié)】結(jié)合對(duì)正弦穩(wěn)態(tài)交流電路相量的研究，通過(guò)日光燈電路的安裝，提高學(xué)生的動(dòng)手能力，體現(xiàn)知識(shí)的實(shí)用性；通過(guò)日光燈功率因數(shù)提高方法的討論，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考能力，提高知識(shí)的運(yùn)用性?！窘虒W(xué)后記】物理學(xué)習(xí)離不開實(shí)驗(yàn)，更離不開生活。