高中物理 選修二（人教版）《交變電流》第2課時 交變電流的規(guī)律及描述

7/7第2課時2、交變電流的規(guī)律及描述課時教材分析：交變電流的產(chǎn)生和變化規(guī)律是本章的重點，是電磁感應(yīng)、楞次定律、右手定則等知識的綜合運用，與生產(chǎn)生活有密切聯(lián)系，是對學(xué)生綜合應(yīng)用電磁學(xué)知識分析解決問題能力的一個檢驗。與直流電相比，交流電的最大特點就是變化，而學(xué)生對于變化的物理量往往感到困難，特別是第一次接觸許多新的概念，比如：交變電流、正弦式交流電、中性面、瞬時值、峰值等，如何讓學(xué)生透徹理解這些概念掌握交流電的變化規(guī)律，是處理好這節(jié)課的關(guān)鍵。2.課時學(xué)情分析：學(xué)生對交流電所知很少，而交流電因其產(chǎn)生過程及規(guī)律較為復(fù)雜，有效值概念較為抽象，因此本節(jié)內(nèi)容學(xué)習(xí)難度較大。3.課時學(xué)習(xí)重點：交流電的變化規(guī)律及表達(dá)式的推導(dǎo)交流電的有效值4.課時學(xué)習(xí)難點：對交流電規(guī)律的掌握和對有效值的理解5.開放性學(xué)習(xí)環(huán)境：探究—研討學(xué)習(xí)、討論法、啟發(fā)式教學(xué)6.課時學(xué)習(xí)目標(biāo)：（1）知道交流電變化規(guī)律（2）掌握并會推導(dǎo)交流電的瞬時值表達(dá)式（3）掌握描述交流電的幾個物理量，包括周期、頻率、有效值課時教學(xué)過程：課堂教學(xué)環(huán)節(jié)1:新課導(dǎo)入師：在上一節(jié)課中，我們初步了解了交變電流的產(chǎn)生過程，但交變電流在我們面前依然很陌生，為了完成我們點亮象征人類文明傳承的燈塔的任務(wù)，這節(jié)課我們深入來學(xué)習(xí)交變電流所包含的規(guī)律以及如何描述交變電流問題：在上一節(jié)課中，我們通過傳感器觀察到手搖發(fā)電機所發(fā)出的電流的波形，它像什么曲線？生：正弦曲線師：會不會是正弦函數(shù)曲線呢？生：很有可能，因為跟正弦曲線一樣有周期性。問題：如果真的是正弦曲線，有哪些原因可能導(dǎo)致圖像不平滑？生：磁場不一定是勻強的，搖動速度不穩(wěn)定。師：在我們周圍就存在著地磁場，地磁場雖然不是勻強磁場，但這是相對于巨大的地球而言的，在一個非常小的區(qū)域內(nèi)的磁場完全可以看成是勻強磁場【展示利用地磁場發(fā)電，微電流傳感器展示波形圖，波形非常像正弦曲線】師：是否是正弦曲線。不能僅憑觀察。需要經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)論證。如果是正弦曲線，我們?nèi)绾巫C明它呢？生：需要把感應(yīng)電動勢隨時間變化的關(guān)系式推導(dǎo)出來【設(shè)計意圖：通過上節(jié)課的手搖發(fā)電機波形圖引導(dǎo)學(xué)生思考，交變電流的變化規(guī)律，通過展示地磁場發(fā)電，使得學(xué)生進(jìn)一步相信自己的判斷。體現(xiàn)了知識學(xué)習(xí)都循序漸進(jìn)】環(huán)節(jié)2:交流電表達(dá)式推導(dǎo)【展示程序模擬發(fā)電過程】師：我們?nèi)匀皇褂蒙瞎?jié)課所使用的程序模擬發(fā)電過程，問題：導(dǎo)體棒切割磁感線時電動勢的大小跟哪些因素有關(guān)？生：磁場強弱，導(dǎo)線長度，切割速度。問題：磁場強弱不變，導(dǎo)線長度固定。線圈勻速旋轉(zhuǎn)。速度大小不變。為何電動勢會發(fā)生變化？生：因為速度方向與磁場方向的夾角在不斷變化。師：在磁場強弱不變，導(dǎo)線長度固定的情況下，感應(yīng)電動勢的大小就只跟有效切割速度有關(guān)。只需找出有效切割速度隨時間的變化規(guī)律，就能得出感應(yīng)電動勢隨時間的變化規(guī)律。引導(dǎo)學(xué)生將三維視圖轉(zhuǎn)化為二維視圖，構(gòu)建物理模型，合作探究交變電流表達(dá)式。利用多媒體展示學(xué)生的探究結(jié)果，并總結(jié)最終得出結(jié)論。N匝線圈中感應(yīng)電動勢e=NBSω令Eme=可知線框的電動勢隨時間是按照正弦函數(shù)的規(guī)律變化的。式中的Em是交變電流所能達(dá)到的最大值稱之為峰值問題：發(fā)電機的電動勢按照正弦規(guī)律變化。那么負(fù)載電阻R的電流電壓會按照什么規(guī)律變化呢？生：也按正弦規(guī)律變化。師：由于發(fā)電機的電動勢按正弦規(guī)律變化，所以當(dāng)負(fù)載為電燈等純電阻用電器時，負(fù)載兩端的電壓u、流過的電流i，也按正弦規(guī)律變化，即u=Umsinωt，i=【設(shè)計意圖：通過制作的3D程序向?qū)W生展示模擬發(fā)點過程，使得難以理解的動態(tài)過程具體化，降低學(xué)生學(xué)習(xí)難度，通過啟發(fā)式提問使學(xué)生循序漸進(jìn)的認(rèn)識到導(dǎo)致電動勢變化的根本原因，最后讓學(xué)生自主合作討論并最終找到結(jié)論，體驗學(xué)習(xí)的樂趣，且有成就感】環(huán)節(jié)3:交流電的周期和頻率師：我們從理論上證明了交變電流是按照正弦函數(shù)的規(guī)律在變化，并且得出了交變電流變化的瞬時值表達(dá)式，交變電流的電動勢電流電壓隨時間的變化圖像是怎樣的呢？生：跟正弦函數(shù)圖像一樣【PPT展示正弦交變電流的變化圖像】師：正弦式電流是最簡單最基本的交變電流，電力系統(tǒng)中應(yīng)用的大多數(shù)是正弦式交流電。師：顯然，正弦式電流在不斷周期性變化，跟一切周期性變化的過程一樣，我們可以用周期和頻率來描述周期性變化的快慢。用程序展示線圈旋轉(zhuǎn)一周，可以看到交變電流也完成一個周期性變化。師：我們把交變電流完成一次周期性變化所用的時間叫交變電流的周期。周期長，則交變電流變化的慢，周期短則交變電流變化的快。師：還可以用什么物理量來描述交變電流變化的快慢呢？生：頻率師：把交變電流在單位時間內(nèi)完成周期性變化的次數(shù)叫做交流電的頻率，頻率是周期的倒數(shù)，頻率大，交變電流變化的快，頻率小，交變電流變化的慢。思考與討論問題：我國電網(wǎng)中交流電的頻率是50赫茲，一秒鐘內(nèi)交流電的方向會變化多少次？生：100次。師：在一個周期內(nèi)，線圈會兩次經(jīng)過中性面，電流的方向會變化兩次，一秒鐘內(nèi)有50個周期，因此一秒鐘內(nèi)電流方向會變化100次。【設(shè)計意圖：使學(xué)生正確認(rèn)識到交流電在一個周期內(nèi)方向變化的次數(shù)，并為后續(xù)有效值的學(xué)習(xí)做過度】環(huán)節(jié)4:交流電的峰值與有效值師：你們還知道哪些關(guān)于電網(wǎng)中電流的數(shù)據(jù)？【設(shè)計意圖：學(xué)生在未學(xué)習(xí)有效值之前會容易認(rèn)為220伏】生：電壓是220伏。師：我們都知道家用電的電壓是220伏，而正弦交流電的電壓是在隨時間不斷變化的，那么220伏是指什么電壓呢？生：可能是指最大值？【用電子示波器展示正弦式交流電的波形圖。觀察到正弦交流電的峰值遠(yuǎn)超過220伏】【設(shè)計意圖：通過詢問220V為什么電壓并和示波器數(shù)據(jù)對比引起矛盾，為順利引入有效值概念做鋪墊】師：如果讓正弦交流電通過一個電阻發(fā)熱。要計算在一段時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量。電壓應(yīng)取何值呢？用峰值計算可以嗎？生：不行，在一個周期內(nèi)只有兩個時刻達(dá)到了峰值，而其他時間都達(dá)不到峰值，這樣計算會使結(jié)果不準(zhǔn)確。師：回答很好，通過類比力的合成與分解，變力做功的計算方法，引導(dǎo)學(xué)生思考與討論，探尋描述交變電流通過電阻發(fā)熱的方法。生：可以把交變電流通過電阻所產(chǎn)生的熱量等效成直流電通過電阻所產(chǎn)生的熱量師：這位同學(xué)的想法很好，下面一起看演示實驗使用電子示波器展示直流電源和交流電源的輸出波形。實驗展示交變電流與恒定電流通過相同電阻產(chǎn)生相同的熱量師：同學(xué)們發(fā)現(xiàn)2個杯子中的水溫度上升的完全一致，這說明恒定電流和交變電流通過相同的電產(chǎn)生了相同的熱量，那么在產(chǎn)生熱量這個事情上恒定電流和這個交變電流是完全等效的，我們把這個恒定電流的電壓值叫做這個交變電流的電壓的有效值。給出有效值定義，并強調(diào)有效值的3個相同，所謂有效是指電流的熱效應(yīng)的等效。問：我們通常說的家庭電路的電壓是220伏，是指有效值。反問：老師是怎么做到讓兩個杯子的水溫度上升幾乎一致?師：理論計算表明正弦式交變電流的有效值與峰值之間有如下關(guān)系：利用之前測出的電網(wǎng)峰值數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證【設(shè)計意圖：通過設(shè)計實驗，使學(xué)生深刻認(rèn)識到交變電流的有效值是一種對電流熱效應(yīng)的等效替代，即用恒定電流值代替交變電流，同時通過啟發(fā)式提問，提高學(xué)生的實驗?zāi)芰?，以及解決實際問題的能力?！繌娬{(diào)：交流電表測量的數(shù)值是有效值交流電器設(shè)備上標(biāo)出的額定電壓額定電流是有效值，交變電流的數(shù)值在無特別說明時都是指有效值思考與討論1.一個電容器，當(dāng)它的兩個極板間的電壓超過10V時，其間的電介質(zhì)就可能被破壞而不再絕緣，這個現(xiàn)象叫作電介質(zhì)的擊穿，這個擊穿電壓叫作這個電容器的耐壓值。能否把這個電容器接在正弦式交流電壓是9V的電路兩端？為什么？2.保險絲的熔斷電流指的是有效值還是峰值？課堂小結(jié)課時教學(xué)反思本節(jié)內(nèi)容是交變電流這章的重點內(nèi)容，涵蓋了交變電流的規(guī)律、瞬時值、峰值、周期、頻率、有效值等等概念。其中難點在于交變電路瞬時值表達(dá)式的推導(dǎo)，有效值的理解。教學(xué)過程中為了突破這兩個難點，專門設(shè)計了程序模擬發(fā)電過程，并設(shè)計了實驗有效降低了有效值概念的理解難度，通過教學(xué)過程發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對規(guī)律的理解主要難在動態(tài)理解，即一個周期內(nèi)完整的變化規(guī)律，以往通過幾個特殊位置分析后進(jìn)入規(guī)律的推導(dǎo)，學(xué)生對整個過程為何按正弦規(guī)律變化還是理解的不透徹，通過程序模擬，能讓學(xué)生直觀的看出為何電動勢會按正弦規(guī)律周期性變化，另外學(xué)生也能更好的理解線圈的轉(zhuǎn)速是交變電流周期的決定因素