高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册2 交变电流的描述教案及反思

第3章　交变电流

第2节　交变电流的描述

本节课程是学生在了解交流电的产生过程及交流电瞬时值、峰值的基础上，以正弦式交变电流的瞬时值为载体引入了周期（T）、频率（）、角速度（）的概念，并明确了三者的相互关系，重点在于引出有效值的概念，要求学生理解什么是有效值，并学会常见交变电流有效值的计算方法。了解电感器和电容器对交变电流的作用。

【物理观念】知道交变电流的周期、频率、峰值、有效值、瞬时值等概念及其间的关系，能通过函数表达式和图像来描述交变电流，并通过图像信息求有关物理量。

【科学思维】经历推导有效值的过程，体会等效的科学方法。

【科学探究】通过演示实验了解电感器与电容器对交变电流的作用，了解家用电路的频率和电压的有效值。

【科学态度与责任】要勇于探索生活中的物理现象，勤于思考，体会物理知识在生活中的重要性。

【教学重点】瞬时值、峰值、有效值之间的关系

【教学难点】有效值的理解与计算

一、【引入新课】

引导学生回忆

矩形线框在匀强磁场中怎样匀速转动时，会在线框中产生             式交流电。

如果从中性面开始计时，是否会写通过线框的磁通量、电动势、电流、部分电路电压与时间的函数表达式？是否会画出相应的图像？观察图像，有何特征？(周期性、有最大值、有最小值)

二、【进行新课】

1、周期与频率（完成导学案【合作探究一】及教材52页思考与讨论）

周期(T)——交流电完成一次周期性变化所需时间

频率(f)——1秒内完成周期性变化的次数（55页练习1）

意义：描述周期性变化的快慢

关系：T＝1/f，T秒(s)，f赫兹(Hz)

转速n(转/秒)，角速度ω(弧度/秒)

引导学生体会交流电瞬时表达式中的周期、角速度、频率以及转速之间的关系：

T=2π/ω　 f＝ω/2πω＝2π/T＝2πf=2πn　

提示学生交流电瞬时表达式中的可以用来替代。

典例示范

一交变电流的电压随时间的变化图像如图所示，这个交变电流的周期是多少？频率是多少？

T=0.02s，

引导学生认识电磁式打点计时器的基本构造，并说明日常家用交流的频率为50HZ.

2. 峰值与有效值

1、结合交流电的瞬时表达式引导学生认识峰值电动势、峰值电压、峰值电流的概念

Em ＝NωBS

Im ＝ Em /R总

Um ＝ Im R外

2.知道电容器的击穿电压就是“峰值电压”。

有效值（完成导学案【合作探究二】）

3. 通过简单示例引入有效值的概念。

 如图所示是通过一个R为1Ω的电阻的电流 i 随时间变化的曲线。这个电流不是恒定电流。

1. 怎样计算通电1s内电阻R中产生的热量？

2. 如果有一个大小、方向都不变的恒定电流通过这个电阻R，也能在1s内产生同样的热，这个电流是多大？

计算过程：

（1）设0-0.2s内电路中产生的热量为Q1，则Q1=12×1×0.2=0.2J

设0.2-0.5s内电路中产生的热量为Q2，则Q2=22×1×0.3=1.2J

设0.5-0.8s内电路中产生的热量为Q3，则Q3=22×1×0.3=1.2J

设0.8s-1s内电路中产生的热量为Q4，则Q4=12×1×0.2=0.2J

故1s内产生的总热量Q=Q1+Q2+Q3+Q4=2.8J

（2）2.8=I2×1×12得出A=1.67A。

引入峰值和有效值的概念

让交变电流与恒定电流分别通过大小相同的电阻，如果在交变电流的一个周期内它们产生的热量相等，而这个恒定电流的电流与电压分别为 I、U，我们就把 I、U 叫 作这一交变电流的有效值。

向学生展示用电器的铭牌：

额定电压、功率都是指的有效值：

引出正弦交变电流的有效值与峰值的关系：并强调这两个关系式只适用于正弦式电流。

课堂练习巩固

A、B是两个完全相同的电热器，A通以图甲所示的方波交变电流，B通以图乙所示的正弦交变电流。两电热器的电功率之比 PA ∶ PB等于多少？

        甲                         乙

图甲有效值的计算：

得出：

3.正弦式交变电流的公式和图像

公式

图像：

 引入典例：

下图是一个正弦式交变电流的波形图。根据i-t图像求出它的周期、频率、电流的峰值、电流的有效值。

周期0.2s

频率5Hz

电流的峰值10A

电流的有效值 A

要求学生总结以下两幅图电流的表达式：

电流的表达式为：

电流的表达式为：

4.引导学生认识电感与电容器及其作用

按如图所示的电路连接实验器材，引导学生观察电感器与电容器对灯泡亮度的影响。

1.观察发现：甲图中的小灯泡更亮；

改变图乙中交流电的频率：继续观察小灯泡的亮度：

观察发现：当交流电的频率增大时，小灯泡变暗，频率减小时小灯泡变亮。

2.观察发现：闭合开关后发现甲图中的小灯泡不亮；乙图中的小灯泡变亮；

改变图乙中交流电的频率：继续观察小灯泡的亮度：

观察发现：当交流电的频率增大时，小灯泡变亮，频率减小时小灯泡变暗。

3. 总结出电感器与电容器对电流的作用，并引出感抗与容抗的感念。

电感器的作用：实验和理论分析都表明，线圈的自感越大、交流的频率越高，线圈的感抗就越大。

由于线圈与交变电流之间的电磁感应作用所引起的阻碍作用，这叫感抗。

电容器的作用：实验和理论分析都表明，电容器的电容越大，交流的频率越高，电容器对交流的阻碍作用就越小，即容抗越小。

电容器对交流阻碍作用的大小叫容抗

 扼流圈是电工技术和电子技术常用的元件，它利用了电感器对交流的阻碍作用，分为高频扼流圈和低频扼流圈。

老师引导学生课堂小结：

一、周期和频率

二、峰值和有效值

三、正弦式交变电流的公式和图像

四、电感器和电容器对交变电流的作用

课堂巩固提高

例1．已知某电阻元件在正常工作时，通过它的电流按如图所示的规律变化，今将这个电阻元件与一个多用电表串联(已调至交变电流电流挡)，则多用电表的读数为(　　)

A．5 A B．4 A

C．4 A D．5 A

【答案】　A

【解析】　多用电表的读数是有效值，设该电流的有效值为I，根据交变电流有效值的定义，有I2RT＝2R·＋(3 A)2R·，解得I＝5 A，所以多用电表的读数为5 A。故选A。匝数为100的线圈例2.通有如图所示的交变电流(图中曲线为余弦曲线的一部分)，单匝线圈电阻r＝0.02 Ω，则在0～10 s内线圈产生的焦耳热为(　　)

A．80 J B．85 J

C．90 J D．125 J

【答案】　B

【解析】　由交变电流的有效值定义知2R·＋(2 A)2R·＝I2RT，该交变电流的有效值I＝ A，线圈的总电阻R总＝100×0.02 Ω＝2 Ω，由Q＝I2R总t得Q＝85 J，选项B正确。

例3.试电笔上的氖管，起辉电压86.6V，若将其接在电压为70.7V（=50）频率为50Hz的交流电路，氖管能发光吗？在1秒内有多少时间发光？

引领思考：①70.7V是什么电压？　 该交流电压最大值为多少？周期又为多少？

②交变电流的图象如何？表达式如何？

解：①70.7V是有效值

氖管会发光（rad/s）

②

作出交变电流的U-t图　 U＝Umsinωt＝100sinl00πt伏

设电压为70.7V对应时刻为t1代入公式即70.7V＝100sin100πt1  t1＝0.0025s

由图象对称性知，1个周期氖管发光时间为Δt＝4(t1-0)＝0.01s

1s内有1/0.02=50个周期，则1s内发光时间0.01s×50=0.5s

例4.(多选)如图甲、乙两图是电子技术中的常用电路，a、b是各部分电路的输入端，其中输入的交流高频成分用“”表示，交流低频成分用“～”表示，直流成分用“－”表示。关于两图中负载电阻R上得到的电流特征是(　　)

A．图甲中R得到的是交流成分

B．图甲中R得到的是直流成分

C．图乙中R得到的是低频成分

D．图乙中R得到的是高频成分

【答案】　AC

【解析】　当交变电流加在电容器上时，有“通交流，隔直流；通高频，阻低频”的特性，甲图中电容器隔直流，R得到的是交流成分，A正确，B错误；乙图中电容器能通过交流高频成分，阻碍交流低频成分，R得到的是低频成分，C正确，D错误。