3.1认识交变电流 教学设计

《认识交变电流》教学设计
教学目标：
知道交变电流的特点；知道中性面及其特点；知道正弦式交变电流方向和大小在特殊位置的变化情况。
通过观察实验，明确交变电流大小和方向的特点，提高学生的科学探究能力。
经历建立正弦式交变电流模型，用右手定则和法拉第电磁感应定律推理得出正弦式交变电流方向和大小的规律的过程，体会建立模型与推理分析的思维方法，体验科学探究的过程。
了解发电机是将机械能转化为电能的装置，各种发电机的区别在于机械能产生的形式不同。
教学重点：
交流发电机产生交变电流的过程；
正弦式交变电流方向和大小变化的特点。
教学难点：
正弦式交变电流方向和大小变化的特点
教学方法：
演示实验，问题探究、讲授。
课时安排：1课时
问题引入：
如图所示，用学生电源把照明电路中220V的交变电压变成6V或3V的低压交变电压，给小灯泡供电。把小灯泡的两端接入示波器的输入端，观察示波器显示的波形图。
示波器显示出来的波形图是什么形状？需要引进哪些物理量进行描述？
新课教学：
交变电流的产生
交变电流的定义：强弱和方向都随时间做周期性变化的电流，称为交变电流，简称交流（AC）。
日常生活和生产中所使用的交变电流是按正弦规律变化的。
【观察与思考】如图所示，把电流计接入发电机模型的输出端，摇动发电机的手柄，使线圈在磁极之间转动，观察电流计指针的摆动情况。
问题1：观察电流计的指针有何变化，说明了什么？你能想到什么？
问题2：手柄摇得更快时，电流计的指针摆动的幅度有什么变化？说明了什么？
情境：如图是交流发电机的示意图。装置中两磁极之间产生的磁场可近似为匀强磁场，为了便于观察，图中只画出了其中的一匝线圈。线圈的边连在金属滑环L上，边连在滑环 K上；导体做的两个电刷A、B分别压在两个滑环上，线圈在转动时可以通过滑环和电刷保持与外电路的连接。
【思考问题】假定线圈沿逆时针方向匀速转动，如图所示。我们考虑下面几个问题。
矩形线圈转动过程中，哪些边会产生电动势？
只有、边产生电动势，怎样由立体图画出平面图？
（3）在线圈由(a)图转到(b)图所示位置的过程中，边中电流向哪个方向流动？
（4）在线圈由(c)图转到(d)图所示位置的过程中，边中电流向哪个方向流动？
（5）转到什么位置时线圈中没有电流，转到什么位置时线圈中的电流最大？这些位置磁通量及磁通量的变化率等物理量有什么特点？
（6）大致画出通过电流表的电流随时间变化的曲线，在横坐标上标出线圈到达（a）、（b）、（c）、（d）各位置时对应的时刻。
中性面：线圈垂直于磁感线时所处的位置称为中性面。
中性面的特点：
①线圈处于中性面时磁通量最大，磁通量的变化率为零，感应电动势为零，感应电流为零；
②线圈每经过中性面一次，感应电流的方向改变一次，线圈转动一周，两次经过中性面，电流方向改变两次。
（2）中性面的垂面的特点：线圈位于此位置时磁通量为零，磁通量的变化率最大，感应电动势最大，感应电流最大。
用公式描述交变电流
【讨论与交流】如图所示是交流发电机线圈截面示意图。标有的小圆圈表示线圈边的横截面，标有的小圆圈表示线圈边的横截面。设边的长度为，边的长度为，匀强磁场的磁感应强度为。线圈平面从中性面开始以角速度转动，经过时间后转到图示位置。
根据上述信息，推导此时感应电动势的表达式。
问题1：此时，线圈与中性面的夹角是多少？
问题2：边的速度是多少？
问题3：边速度的方向与磁场方向的夹角是多少？
问题4：边产生的感应电动势是多少？
问题5：线圈中的感应电动势是多少？
问题6：如果线圈不是从中性面开始旋转，线圈中感应电动势如何表述？
感应电动势的瞬时值：
感应电动势的峰值：
练习：一台发电机产生正弦式电流。如果发电机电动势的峰值＝400 V，线圈匀速转动的
角速度＝314 rad/s，试写出电动势瞬时值的表达式（设0时刻电动势瞬时值为0）。如果
这个发电机的外电路只有电阻元件，总电阻为2 kΩ，电路中电流的峰值为多少？写出电流瞬时值的表达式。
课堂小结：
能从定性和定量两个方面描述交变电流的感应电动势的大小和方向。
课后作业：
课后练习第3题