高二物理5.1《交變電流》學(xué)案（人教版選修3-2）

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111 5．1 交變電流 教學(xué)目標(biāo) （一）知識(shí)與技能 1．使學(xué)生理解交變電流的產(chǎn)生原理，知道什么是中性面。 2．掌握交變電流的變化規(guī)律及表示方法。 3．理解交變電流的瞬時(shí)值和最大值及中性面的準(zhǔn)確含義。 （二）過(guò)程與方法 1．掌握描述物理量的三種基本方法（文字法、公式法、圖象法）。 2．培養(yǎng)學(xué)生觀察能力，空間想象能力以及將立體圖轉(zhuǎn)化為平面圖形的能力。 3．培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)解決物理問(wèn)題的能力。 （三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀 通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，體會(huì)運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)解決物理問(wèn)題的重要性 教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn) 重點(diǎn) 交變電流產(chǎn)生的物理過(guò)程的分析。 難點(diǎn) 交變電流的變化規(guī)律及應(yīng)用。 教學(xué)方法 演示法、分析法、歸納法。 教學(xué)手段 手搖單相發(fā)電機(jī)、小燈泡、示波器、多媒體教學(xué)課件、示教用大的電流表 教學(xué)過(guò)程 （一）引入新課 出示單相交流發(fā)電機(jī)，引導(dǎo)學(xué)生首先觀察它的主要構(gòu)造。 演示：將手搖發(fā)電機(jī)模型與小燈泡組成閉合電路。當(dāng)線框快速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，觀察到什么現(xiàn)象? 這種大小和方向都隨時(shí)間做周期性變化電流，叫做交變電流。 （二）進(jìn)行新課 1、交變電流的產(chǎn)生 為什么矩形線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)線圈里能產(chǎn)生交變電流？ 多媒體課件打出下圖。當(dāng)abcd線圈在磁場(chǎng)中繞OO′軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，哪些邊切割磁感線? ab與cd。 當(dāng)ab邊向右、cd邊向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈中感應(yīng)電流的方向 沿著a→b→c→d→a方向流動(dòng)的。 當(dāng)ab邊向左、cd邊向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈中感應(yīng)電流的方向如何? 感應(yīng)電流是沿著d→c→b→a→d方向流動(dòng)的。 線圈平面與磁感線平行時(shí)，ab邊與cd邊線速度方向都跟磁感線方向垂直，即兩邊都垂直切割磁感線，此時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大。 線圈轉(zhuǎn)到什么位置時(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最小? 當(dāng)線圈平面跟磁感線垂直時(shí)，ab邊和cd邊線速度方向都跟磁感線平行，即不切割磁感線，此時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零。 利用多媒體課件，屏幕上打出中性面概念： （1）中性面——線框平面與磁感線垂直的位置。 （2）線圈處于中性面位置時(shí)，穿過(guò)線圈Φ最大，但=0。 （3）線圈越過(guò)中性面，線圈中I感方向要改變。線圈轉(zhuǎn)一周，感應(yīng)電流方向改變兩次。 2．交變電流的變化規(guī)律 設(shè)線圈平面從中性面開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，角速度是ω。經(jīng)過(guò)時(shí)間t，線圈轉(zhuǎn)過(guò)的角度是ωt，ab邊的線速度v的方向跟磁感線方向間的夾角也等于ωt，如右圖所示。設(shè)ab邊長(zhǎng)為L(zhǎng)1，bc邊長(zhǎng)L2，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，這時(shí)ab邊產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)多大? eab=BL1vsinωt = BL1ωsinωt =BL1L2sinωt 此時(shí)整個(gè)線框中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)多大? e=eab+ecd=BL1L2ωsinωt 若線圈有N匝時(shí)，相當(dāng)于N個(gè)完全相同的電源串聯(lián)，e=NBL1L2ωsinωt，令Em=NBL1L2ω，叫做感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的峰值，e叫做感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值。 根據(jù)部分電路歐姆定律，電壓的最大值Um=ImR，電壓的瞬時(shí)值U=Umsinωt。 電動(dòng)勢(shì)、電流與電壓的瞬時(shí)值與時(shí)間的關(guān)系可以用正弦曲線來(lái)表示，如下圖所示： 3．幾種常見(jiàn)的交變電波形 （三）課堂總結(jié)、點(diǎn)評(píng) 本節(jié)課主要學(xué)習(xí)了以下幾個(gè)問(wèn)題： 1．矩形線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞垂直于磁場(chǎng)方向的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，線圈中產(chǎn)生正弦式交變電流。 2．從中性面開(kāi)始計(jì)時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)值的表達(dá)式為e=NBSωsinωt，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值為Em=NBSω。 3．中性面的特點(diǎn)：磁通量最大為Φm，但e=0。 （四）實(shí)例探究 交變電流的圖象、交變電流的產(chǎn)生過(guò)程 【例1】一矩形線圈，繞垂直于勻強(qiáng)磁場(chǎng)并位于線圈平面內(nèi)的固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e隨時(shí)間t的變化如圖所示。下面說(shuō)法中正確的是 （ ） A．t1時(shí)刻通過(guò)線圈的磁通量為零 B．t2時(shí)刻通過(guò)線圈的磁通量的絕對(duì)值最大 C．t3時(shí)刻通過(guò)線圈的磁通量變化率的絕對(duì)值最大 D．每當(dāng)e轉(zhuǎn)換方向時(shí)，通過(guò)線圈的磁通量的絕對(duì)值都為最大 交變電流的變化規(guī)律 【例2】在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中有一矩形線圈，從中性面開(kāi)始繞垂直于磁感線的軸以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢(shì)可以表示為e=Emsinωt?，F(xiàn)在把線圈的轉(zhuǎn)速增為原來(lái)的2倍，試分析并寫(xiě)出現(xiàn)在的交變電動(dòng)勢(shì)的峰值、交變電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值表達(dá)式，畫(huà)出與其相對(duì)應(yīng)的交變電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間變化的圖象。 分析物理圖象的要點(diǎn)： 一看：看“軸”、看“線”、看“斜率”、看“點(diǎn)”、看“截距”、看“面積”、看“拐點(diǎn)”，并理解其物理意義。 二變：掌握“圖與圖”“圖與式”和“圖與物”之間的變通關(guān)系。 三判：在此基礎(chǔ)上進(jìn)行正確的分析和判斷。 綜合應(yīng)用 【例3】 如圖所示，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B=2 T，匝數(shù)n=6的矩形線圈abcd繞中心軸OO′勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，角速度ω=200 rad/s。已知ab=0.1 m，bc=0.2 m，線圈的總電阻R=40Ω，試求： （1）感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值，感應(yīng)電流的最大值； （2）設(shè)時(shí)間t=0時(shí)線圈平面與磁感線垂直，寫(xiě)出線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值表達(dá)式；（3）畫(huà)出感應(yīng)電流的瞬時(shí)值i隨ωt變化的圖象； （4）當(dāng)ωt=30時(shí)，穿過(guò)線圈的磁通量和線圈中的電流的瞬時(shí)值各是多大？ （5）線圈從圖示位置轉(zhuǎn)過(guò)的過(guò)程中，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的平均值是多大？ 解析： 111