三相正弦交流电路教案

第一节交流电的产生

一、教材分析

1、教材的地位和作用

本节课容节选自高等教育出版的全国中等职业学校规划教材《电工基础》第七章第一节，前一章主要讲了电磁感应。在此基础上，本章学习正弦交流电路，而本节是讲解交流电的产生。因此，本节容既是前章的总结，又是后面学习三相交流电路、对称三相交流电路中电压、电流和功率的计算方法的基础。

2、教学目标

（1）、知识目标

a、了解交流电动势的产生。

b、理解正弦交流电的特征。

c、了解交流电的波形图。

（2）、能力目标

a、培养学生观察能力、实验能力，思维能力。

b、培养学生运用所学知识解决实际问题的能力。

（3）、德育目标

a、培养学生勤于动脑、大胆实践、勇于探索的良好习惯。

b、指导学生树立辩证唯物主义世界观。

3、教学重点、难点

重点：

（1）、交流电产生的物理过程．使同学了解线圈在磁场中旋转一周的时间，电流的大小及方向是怎样变化的。

难点：

（1）、分析交流电的大小及方向时，线圈运动方向(v)与磁感强度B．之间的角度关系。

二、教法设计

1、重视问题情景的创设

教师在导入、讲授新课时，注重创设一定的物理情景，以便于激发学生的学习兴趣，启发学生思考。

2、坚持以学生为中心

（1）、在得出交流电的波形图的教学过程中,我采用学生分组“引导探究性推理”的教学方法。

（2）、给学生提供多种机会应用他们所学的知识。

3、采用多种教学形式

在教学中，教师采用视频播放、课件展示及学生分组“引导探究性推理”

（利用多媒体教具学具）等教学方式，激发学生的兴趣，并利用多媒体辅助分析演示实验及学生分组“引导探究性推理”，使学生获得更多的理性认识。

三、学法指导

1、强调“协作性学习”

学生在教师的组织和引导下，分组进行实验操作，通过观察、讨论、交流、协商、辩论等多种形式，来促进学生认知结构的“稳定性”、“清晰性”和“可利用性”。

2、强调“引导探究性学习”

学生在教师的引导下，通过动手实验、动脑分析，总结出楞次定律，化“验证”为“探索”，使学生有了单独获取知识的能力。

四、教学过程

1、创设情景，导入新课

英国物理学家法拉第历经十年的潜心实验、研究，终于实现他的伟大梦想：“转磁为电”。多媒体视频播放。无论是各种形式的发电，还是磁悬浮列车等高科技产品的使用，都是法拉第电磁感应现象的重要应用。他的这一伟大发现，极解放了生产力，推动了人类社会的飞速发展。那么,在发电厂里的电到底怎么产生呢?我们在使用的电到底是怎么样的呢?现在我们一起来研究一下，教师利用实验器具展示给学生们创设物理情景一:磁场中线圈abcd，在U型磁铁中缓缓转动。并向学生提出问题：闭合回路中有感应电流产生吗？特征如何？学生通过观察、分析,回答出：闭合回路中有感应电流的产生，感应电流的方向可以利用右手定则判定得出。教师继续利用课件展示向学生创设物理情景二:闭合圆形线圈转速加快。接着，教师继续提出：线圈中的感应电流有什么特征吗？学生同样经过观察、分析,回答出：线圈中的感应电流会快速的来回。这时，教师设疑并引入新课：这个来回摆动的电流到底是什么呢？这节课我们就一起来摸索一个电流，来觉察一个电流的特征——交流电（板书课题）。

2、科学猜想，设计实验

首先立疑设问，提出有启发性、耐人寻味的疑难问题:如何设计发电机实验模型。依照认知规律顺序，从感性到理性，先用演示开路，引人新课，并留下悬念:为什么手摇发电机上安的小灯泡是一闪一闪的?这不仅能激发学生学习兴趣，还可调动学生主动探索的积极性。

教师提出：如果你是世界上第一个研究线圈在磁场中旋转产生的感应电流人，猜想一下，这个感应电流会有哪些特征？

学生：在教师的引导下猜测、讨论、交流、辩论。

教师：根据学生猜测结果，归纳、总结出：这个感应电流的大小在一定围波动,波动的快慢与线圈转速的快慢有关。

教师：那交流电是什么样子的呢？

用示波器看正弦交流波形、锯齿波形及方波

波形。

指出：这些都属交流电。

对比提问：这是不是交流电？告诉同学这是脉动直流．电

流的强弱虽然变化，但方向没变。

板书：“强度和方向都随时间做周期性变化的电流叫做交流电”．

提出问题：这种交变电流是怎样产生的呢？

3、利用多媒体，探究电流的产生

（1）、首先对图做一些说明．

①线圈所在磁场为匀强磁场。由磁铁产生的。

②设线圈为矩形线圈。

线圈abcd 为图中线圈水平放置时的图景，线圈平面与磁感线垂直．图1

中abcd 所在位置为中性面。

规定t=0的时刻为图中线圈所在的位置为起始时刻，即由中性面开始，a

d b

c

逆时针方向转动。

现在再注意观察线圈转动时线圈中的电流特性。

1）首先观察线圈中电流方向，从这个位置（中性面）开始转动，注意观察线圈ab边、cd边及电路中的电流方向有什么特点？（注：观察到线圈中电流方向是变化的，这是计算机模拟的优点，任何实验都做不到这点。这是交流电特性之一，一定要使学生观察到）

再注意观察：线圈从什么位置开始改变电流方向？这个位置非常重要，常用它作为线圈位置的参照位置，给它起个名叫“中性面”，打开“中性面”。（注：这也只有计算机模拟才能实现。）

2）现在请观察电流强度。注意观察电流表指针位置有什么特点？（应观察到指针位置是在不断变化的。）这个特点反映了什么？（这个特点反映了交流电的第二个特性：交流电流的强度也是在不断变化的，要使学生观察到）。

再观察电流强度与线圈位置的关系：现在先观察线圈在什么位置电流最小？在什么位置电流最大？（要求学生观察到在中性面时电流最小，与中性面垂直时电流最大）。

在结合挂图及课本中插图引导学生总结规律。

总结：交流发电机产生的是交变电流，电流强度与电流方向都是随时间做周期性变化的。思考：当线圈在磁场中旋转一周时，交流电方向改变几次？电流强度改变几次？

角速度是ω，单位是rad/s 。经过时间t 后，线圈转过的角度是ωt 。这时

候ab 边在速度方向与磁感线方向间的夹角也等于ωt 。设ab 边长为l ，磁场的磁感应强度是B ，那么ab 边中的感应电动势为：Blvsin ωt ，cd 边的感应电动势跟ab 边中的大小相同，又是串联一起，所以，这一瞬间整个线圈的感应电动势：

e=2Blvsin ωt

当线圈平面转到与磁感线平行的位置时，ab 边和cd 边的线速度方向和

磁感线垂直，即ab 边和cd 边都垂直切割磁感线，由于ωt=π/2，sin ωt=1。所以，这时的感应电动势最大。用E m 表示，

E m =2Blv

e= E m sin ωt

用R 表示整个闭和电路的电阻，用i 表示电路中的感应电流，

i=

R e =R E m sin ωt 式中，R

E m 是电流的最大值，用I m 表示，则瞬间电流值： i=I m sin ωt

外电路上的电压同样也按照正弦规律变化的。

u=U m sin ωt

u 为瞬间电压，U m 为最大电压。

假如不是从线圈平面跟中性面重合的时刻开始计时，而是从线圈平面与

中性面有一个夹角φ0开始计时，那么经过t 时间后线圈平面和中性面间的角度是ωt+φ0。那么，感应电动势的公式就变成

i=I m sin （ωt+φ0）

u=U m sin （ωt+φ0）

4、利用多媒体，探究电流变化规律

从上面的观察知道，交流电

的电流强度与产生交流电

的线圈位置有关。那么电流

强度与线圈位置之间有什

么关系呢？首先我们用仪

器――示波器来观察一下

交流电是怎样变化的。（注：

接好电路进行观察）请注意观察屏幕上的图像。这是在这个仪器过交

流电时得到的一条图线。它的形状反映了

交流电的变化情况。请思考这是一条什么

图线？这是一条正弦函数曲线。即这种交

流电是按正弦规律变化的。所以这种交流

电叫正弦交流电。

为什么这种交流电是按正弦规律变化的？我们仍通过观察模拟实验来认识这种交流电的变化规律。（注：只有通过计算机的模拟演示才能观察到，这又说明这种模拟演示中的现象是任何实验无法替代的）打开“图像”进行观察。如图４。

注意观察：图中直角坐标的横轴代表什么？纵轴代表什么？线圈此刻在什么位置？

进行演示，并观察思考：线圈位置与电流变化之间有什么关系？当线圈停在如图5所示的某位置时此时线圈中的电流是多大？

请思考：这种交流电的变化规律怎样用数学公式表示？

为此，我们将它改成平面图来研究，见图6。请注意观察：

（１）磁极间的磁场是一种什么磁场？线圈在转动过程中

那段导线切割磁感线而能产生感应电流的？（２）线圈a

边的运动速度是什么？切割速度是什么？（３）线圈位置

如何表示？（４）如果线圈以做匀速圆周运动，线圈位

置用角表示，当随时间t变化时，与是什么关

系？＝ωt（５）线圈a边中产生的感应电动势是什么？（６）线圈中的感应电动势是什么？写出电动势公式。e=Em Sinωt，其中Em=2BLV=2BL L /2ω=BωS（７）闭合电路中的感应电流是什么？写出电流公式。i=Im Sinωt其

i

中Im＝2BLV／Ｒ=2BL L /2ωＲ=BωSＲ

I m

ωt

O

5、延伸知识

发电机的基本组成部分是磁极和线圈(线圈匝数很多，嵌在硅钢片制成的铁心上，通常叫电枢)。电枢转动、而磁极不动的发电机，叫做旋转电枢式发电机。磁极转动、而电枢不动，线圈依然切割磁感线，电枢中同样会产生感应电动势，这种发电机叫做旋转磁极式发电机。不论哪种发电机，转动的部分都叫转子，不动的部分都叫定子。

旋转电枢式发电机，转子产生的电流必须经过裸露着的滑环和电刷引到外电路，如果电压很高，就容易发生火花放电，有可能烧毁电机。这种发电机提供的电压一般不超过500 V。旋转磁极式发电机克服了上述缺点，能够提供几千伏到几十千伏的电压，输出功率可达几十万千瓦。所以，大型发电机都是旋转磁极式的。

发电机的转子是由蒸汽机、水轮机或其他动力机带动的。动力机将机械能传递给发电机，发电机把机械能转化为电能传送给外电路。

6、教学总结

1、电流强度与电流方向都是随时间做周期性变化的。

2、交流电的图象是一条正弦函数曲线。

附：板书设计

1．产生原理线框在匀强磁场中匀速转动

2．过程分析甲S⊥B Φmax＝BS εmin=0中性面

乙S∥B Φmin=0 εm=2Blv=BωS 电流方向a→b→c→d

甲→乙与中性面夹角ωt Φ= BSεωt e＝εmsinωt

电流方向a→b→c→d εmsinωt

3．规律公式e＝εωmsinωt i＝εm/R sinωt

教学后记

交流电的产生和变化规律是“交流电”这章的重点，又是电磁感应、楞次定律、左右手定则等知识的进一步具体应用。理论分析是教学难点，而紧密联系实际又是它的特点。怎样在教学中突出特点，强调重点，分散难点是教案设计成败的关键。

引导学生观察教学挂图中线框五个特殊位置及电流计指针变化情况，并对照手摇发电机实物位置，结合课件讲解使学生实现从平面到立体，从理论到实践的转化。教材上插图还展现了表示交流电变化规律的一个重要方法——图象法。这对理解交流电变化规律的难点，起到了铺路、架桥作用。同时，还可培养学生观察和分析能力。课件的运用更好的帮助学生获取感性知识。