高中物理：交变电流教材分析课件.ppt

1、交变电流交变电流教材分析教材分析 一一.本章概述本章概述 本章是电磁感应的延续，是电磁感应理论知识的应用，跟科学技术和生活实际有密切的关系。涉及电工技术（交流发电机、变压器）、电子技术（电感元件）和电磁测量（传感器）等各个方面。新教材在结构上大体继承了原教材的基本结构和线索，对此，不会造成教学不适应的问题。但这一章概念多，空间关系复杂，推理能力和数学能力要求比较高。教学中一定要遵循循序渐进的原则。本章实验素材特别丰富，如何通过这一些实验，让学生提高物理学习的兴趣，这是值得我们去探索的问题。第一单元：第一单元：交变电流交变电流 一课时一课时第二单元：第二单元：电感、电容对交流电的影响电感、电容对

2、交流电的影响一课时一课时第三单元：第三单元：变压器变压器 一课时一课时 电能的输送电能的输送 一课时一课时 习题习题 一课时一课时 描述正弦交流电的物理量描述正弦交流电的物理量一课时一课时二二.知识结构与课时安排知识结构与课时安排一单元：一单元：交变电流交变电流1.实验导入实验导入手摇发电机模型手摇发电机模型小灯泡一闪一闪发光小灯泡一闪一闪发光(电流大小在变电流大小在变)直流电流表指针左右摆动（直流电流表指针左右摆动（电流方向在变电流方向在变）用示波器观察电压电流的波形用示波器观察电压电流的波形三三.教学建议教学建议2.强调物理模型强调物理模型 闭合线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的闭合线圈在

3、匀强磁场中绕垂直于磁场方向的转轴匀速转动，在线圈中就会产生正弦交流电。转轴匀速转动，在线圈中就会产生正弦交流电。O b B a d c O O b B a d c O一单元：一单元：交变电流交变电流3.电动势瞬时值的推导电动势瞬时值的推导导数推导法：导数推导法：t0et0=BScoste1 =BSsintN匝：匝：e =NBSsint常规推导方法：常规推导方法：一单元：一单元：交变电流交变电流4.交流发电机在不同位置的特点，以及与图象的对应交流发电机在不同位置的特点，以及与图象的对应0T/4T/23T/4Tet中性面平行面的特点：磁通量、感应电动势和磁通量的变化率et0e =Emsint4.由

4、于开始计由于开始计 时时(t=0),线圈位置线圈位置(初相位初相位)不同不同,出现正弦与余弦的表达式出现正弦与余弦的表达式 Em=nBSet0e =Emcost例例1 1、一矩形线圈绕垂直于匀、一矩形线圈绕垂直于匀强磁场并位于线圈平面内的固强磁场并位于线圈平面内的固定轴转动，线圈中的感应电动定轴转动，线圈中的感应电动势随时间的变化规律如图所示，势随时间的变化规律如图所示，下面说法中正确的是：下面说法中正确的是：A.A.t t1 1时刻通过线圈的磁通量为零；时刻通过线圈的磁通量为零；B.B.t t2 2时刻通过线圈的磁通量的绝对值最大；时刻通过线圈的磁通量的绝对值最大；C.C.t t3 3时刻通

5、过线圈的磁通量变化率的绝对值最时刻通过线圈的磁通量变化率的绝对值最大；大；D.D.每当每当e e变换方向时，通过线圈的磁通量的绝变换方向时，通过线圈的磁通量的绝对值都为最大。对值都为最大。例例2、交流发电机工作时的电动势的变化规律为交流发电机工作时的电动势的变化规律为e=EmSint，如果转子的转速，如果转子的转速n提高一倍，其它提高一倍，其它条件不变，则电动条件不变，则电动 势的变化规律将变化为：势的变化规律将变化为：A.e=EmSin2t B.e=2EmSin2t C.e=2EmSin4t D.e=2EmSint 甲、乙图中电炉烧水，设壶材料同、水质量相等、水甲、乙图中电炉烧水，设壶材料同

6、、水质量相等、水的初温相同同时加热，若在相同时间内使两壶水烧的初温相同同时加热，若在相同时间内使两壶水烧开即直流电在电阻上产生的焦耳热与交流电在相同开即直流电在电阻上产生的焦耳热与交流电在相同 电阻相同时间内产生的电阻相同时间内产生的 焦耳热相等时，称直流焦耳热相等时，称直流 电的电压电的电压(或电流强度或电流强度)为交流电电压为交流电电压(或电流或电流 强度强度)的有效值的有效值有效值：有效值：跟交流跟交流热效应相等热效应相等的恒定电流的值的恒定电流的值叫做交流的有效值。（叫做交流的有效值。（计算一个周期就行计算一个周期就行）1.有效值的引入与理解：有效值的引入与理解：2.通过例题强调：通过

7、例题强调：求热量时用有效值求热量时用有效值 求电荷量时用平均值求电荷量时用平均值2mEE 2mII 2mUU只适用于正弦式的交流电只适用于正弦式的交流电3.瞬时值、最大值、有效值的符号：瞬时值、最大值、有效值的符号：电动势电动势电压电压电流电流瞬时值瞬时值eui最大值最大值EmUmIm有效值有效值EUI例例1、如图表示一交流的电流随时间变化的图、如图表示一交流的电流随时间变化的图像，此交变电流的有效值是多大？像，此交变电流的有效值是多大？4 23 2例例2、图中两交变电流通过相同的电阻、图中两交变电流通过相同的电阻R。求：。求：（1）分别写出它们的有效值、周期和频率。）分别写出它们的有效值、周

8、期和频率。（2）计算它们在）计算它们在R上产生的功率之比。上产生的功率之比。例例3、如图所示，线圈的面积是、如图所示，线圈的面积是0.05，共有，共有100匝；匝；线圈电阻为线圈电阻为1，外接电阻，外接电阻R9，匀强磁场的磁感应，匀强磁场的磁感应强度为强度为B1T，当线圈以，当线圈以300r/min的转速匀速旋的转速匀速旋转时，求：转时，求：(1)若从线圈处于中性面开始计时，写出线若从线圈处于中性面开始计时，写出线圈中感应电动势的瞬时表达式；圈中感应电动势的瞬时表达式；(2)电路中电压表和电流电路中电压表和电流表示数各是多少。表示数各是多少。（4）从图示位置起转动）从图示位置起转动900的的

9、过程中通过过程中通过R的电荷量。的电荷量。（3）线圈每转过一周，外力所）线圈每转过一周，外力所 做的功。做的功。有关参考知识：有关参考知识：1.发电机模型一般是两个磁极发电机模型一般是两个磁极,每转一周，周期性变化一次每转一周，周期性变化一次实际发电机通常是四磁极（多极），每转一周周期性变化两实际发电机通常是四磁极（多极），每转一周周期性变化两次，得到相同频率的交流电时次，得到相同频率的交流电时,可以降低转子的角速度可以降低转子的角速度 50Hz交流电发电机交流电发电机 其转子其转子 3，000r/min50Hz交流电发电机其交流电发电机其转子转子 1，500r/min三峡电厂发电机的多极转子

10、三峡电厂发电机的多极转子 2.大型发电机线圈中电流很大，为了不使大的电流通大型发电机线圈中电流很大，为了不使大的电流通过电刷，实际发电机都是磁铁过电刷，实际发电机都是磁铁(电磁铁电磁铁)旋转（为转子）旋转（为转子）,而线圈是固定的（定子）而线圈是固定的（定子）.磁铁旋转式发磁铁旋转式发电机模型电机模型二单元二单元.电感、电容对交流电的影响电感、电容对交流电的影响教学注意点教学注意点:通过实验现象通过实验现象;分析本质分析本质;总结结论总结结论1.电感作用电感作用:实验实验:(1)电感对交流的阻碍作用电感对交流的阻碍作用 (2)频率越高、自感系数越大，感抗越大频率越高、自感系数越大，感抗越大 原

11、因原因:由于自感现象对交流的阻碍造成由于自感现象对交流的阻碍造成信号发生器信号发生器实验实验:(1)电容对直流的阻碍作用电容对直流的阻碍作用(2)频率越高、电容越大，容抗越小频率越高、电容越大，容抗越小原因原因:由于交流电对电容频繁充、放电造成由于交流电对电容频繁充、放电造成2.电容的作用电容的作用:信号发生器信号发生器3.总结总结电感电感(感抗感抗):通直流，阻交流通直流，阻交流;通低频，阻高频通低频，阻高频电容电容(容抗容抗):通交流，阻直流通交流，阻直流;通高频，阻低频通高频，阻低频4.应用举例应用举例:演示实验演示实验:实验名称、器材实验名称、器材 演示的章节演示的章节演示的目的演示的

12、目的感抗实验感抗实验:电感线电感线圈、灯泡、信号圈、灯泡、信号发生器发生器第三节第三节感抗的存在，感感抗的存在，感抗大小决定因素抗大小决定因素容抗实验容抗实验:电容器、电容器、灯泡、信号发生灯泡、信号发生器器 第三节第三节容抗的存在，容容抗的存在，容抗大小决定因素抗大小决定因素例题：如图所示，当交流电源的电压（有效值）例题：如图所示，当交流电源的电压（有效值）U200V、频率、频率f50Hz时，三只灯时，三只灯A、B、C的亮度相的亮度相同（同（L无直流电阻）。无直流电阻）。（1）将交流电源的频率变为）将交流电源的频率变为f100Hz，则，则（）（2）将电源改为）将电源改为U220V的直流电源，

13、则的直流电源，则（）AA灯比原来亮灯比原来亮 BB灯比原来亮灯比原来亮CC灯和原来一样亮灯和原来一样亮 DC灯比原来亮灯比原来亮有关参考知识有关参考知识1.交流电的趋肤效应交流电的趋肤效应 亦称为亦称为“集肤效应集肤效应”.交流电流通过导体时，由于感应交流电流通过导体时，由于感应作用引起导体截面上电流分布不均匀，愈近导体表面电作用引起导体截面上电流分布不均匀，愈近导体表面电流密度越大。这种现象称流密度越大。这种现象称“趋肤效应趋肤效应”。趋肤效应使导。趋肤效应使导体的有效电阻增加体的有效电阻增加,频率越高，趋肤效应越显著。频率越高，趋肤效应越显著。当频率当频率很高的电流通过导线时，可以认为电流

14、只在导线表面上很高的电流通过导线时，可以认为电流只在导线表面上很薄的一层中流过，这等效于导线的截面减小，电阻增很薄的一层中流过，这等效于导线的截面减小，电阻增大。大。既然导线的中心部分几乎没有电流通过，就可以把既然导线的中心部分几乎没有电流通过，就可以把这中心部分除去以节约材料。因此这中心部分除去以节约材料。因此,在高频电路中可以采在高频电路中可以采用空心导线代替实心导线用空心导线代替实心导线;此外此外,为了削弱趋肤效应使高为了削弱趋肤效应使高频电路中的电阻加大频电路中的电阻加大,也往往使用多股相互绝缘细导线编也往往使用多股相互绝缘细导线编织成束织成束,或在导线外镀上一层银或在导线外镀上一层银

15、,以减小电阻。在工业应用以减小电阻。在工业应用方面，利用趋肤效应可以对金属进行表面淬火方面，利用趋肤效应可以对金属进行表面淬火,达到内柔达到内柔外坚。外坚。U1U2输入端输出端铁芯原线圈n1副线圈n2t交流交流电源电源负负载载三单元：三单元：变压器与电能的输送变压器与电能的输送1.1.变压器的构造和原理变压器的构造和原理2.理想变压器理想变压器忽略能忽略能量损失量损失(无铜损、无无铜损、无铁损、无磁损铁损、无磁损):认认为效率为效率100%(实际中实际中小型变压器在小型变压器在8090%)P原原=P副副I1I2n1n2U1U2E E1 1=n=n1 1/t t E E2 2=n=n2 2/t

16、tE1 1/n/n1 1=E2 2/n/n2 2原线圈回路有：原线圈回路有：U U1 1 E E1 1=I=I1 1r r1 1 0 0则则U U1 1=E E1 1副线圈回路有：副线圈回路有：E E2 2=U U2 2 +I+I2 2r r2 2 U U2 2则则U U2 2=E=E2 2若不考虑原副线圈的内阻，则若不考虑原副线圈的内阻，则U U1 1=E=E1 1；U U2 2=E=E2 2则：则：U U1 1/U/U2 2=n=n1 1/n/n2 23.电压比公式电压比公式建议由建议由理论探究理论探究得出得出:不计磁损，每一匝的/t相同相同得出公式：得出公式：U1U2=n1n2UxUy=

17、nxny多组副线圈推广多组副线圈推广:由功率推导电流比公式由功率推导电流比公式:（只适用于一组副圈）（只适用于一组副圈）I1I2=n2n1多个副线圈多个副线圈332211InInIn4.了解几种常用变压器了解几种常用变压器:(1)自耦变压器自耦变压器(2)电流互感器电流互感器(3)电压互感器电压互感器例例1 1、如图所示，一个变压器、如图所示，一个变压器(可视为理想变压器可视为理想变压器)的原线圈接在的原线圈接在220V的市电上，向额定电压为的市电上，向额定电压为1.80104V的霓虹灯供电，使它正常发光为了的霓虹灯供电，使它正常发光为了安全，需在原线圈回路中接入熔断器，使副线圈安全，需在原线

18、圈回路中接入熔断器，使副线圈电路中电流超过电路中电流超过12mA时，熔丝就熔断时，熔丝就熔断(1)熔丝的熔断电流是多大熔丝的熔断电流是多大?(2)当副线圈电路中电流为当副线圈电路中电流为10mA时变压器的输时变压器的输入功率是多大入功率是多大?098 A180 W例例2、如图所示，理想变压器原、如图所示，理想变压器原副线圈接有相同的灯泡副线圈接有相同的灯泡A、B且且都正常发光，原副线圈匝数比都正常发光，原副线圈匝数比为为2：1，交变电源电压是，交变电源电压是U，则，则B灯两端的电压是灯两端的电压是 （）A、U/2 B、2U C、U/5 D、2U/5DBAU问题：在远距离输电线路中，每根输电线电

19、阻为问题：在远距离输电线路中，每根输电线电阻为r=1，要输送，要输送400kw电功率，若用电功率，若用400V低压送电，低压送电，输电线上消耗多少功率？用户能得到多少功率？用输电线上消耗多少功率？用户能得到多少功率？用户能得到多大电压？户能得到多大电压？400Vrr用户用户用电器用电器若采用若采用10kv高压送电，用户得到的高压送电，用户得到的电功率、电功率、电压电压又是多大？又是多大？损损（送送送送）送送5.知道如何减少输电线上功率损失知道如何减少输电线上功率损失增加一个演示增加一个演示SS为减小导线的能量损失采用高压输电为减小导线的能量损失采用高压输电发电机发电机升压变压器升压变压器降压变

20、压器降压变压器用户用电器用户用电器远程输电线远程输电线演示实验演示实验:实验名称、器材实验名称、器材章节章节实验目的实验目的 变压器原理：变压器、低变压器原理：变压器、低压交、直流电源、小灯泡、压交、直流电源、小灯泡、交流电压表交流电压表第四节第四节 变压器可改变交变压器可改变交流电压的高低流电压的高低 可拆变压器、低压交流电可拆变压器、低压交流电源、小灯泡、交流电压表源、小灯泡、交流电压表第四节第四节电压比公式电压比公式 变压器、交流电源、小灯变压器、交流电源、小灯泡、交流电压表、电流表泡、交流电压表、电流表第四节第四节 原、副线圈的电原、副线圈的电压、电流的变化关系压、电流的变化关系 互感

21、器、自耦调压器、钳互感器、自耦调压器、钳形电流表形电流表 变压器、交流电源、灯变压器、交流电源、灯泡、输电线（电阻丝）泡、输电线（电阻丝）第四节第四节第五节第五节 简介分析它们工作简介分析它们工作原理原理 输电的能量损失与输电的能量损失与高压输电的意义高压输电的意义有关参考知识有关参考知识(一一)交流输电交流输电存在的问题存在的问题电缆输电时电缆输电时,心线与地间有较小的容抗心线与地间有较小的容抗并网供电各个电站相位要同相并网供电各个电站相位要同相 1.直流输电技术难点直流输电技术难点:换流换流(交、直流电的互换）交、直流电的互换）(1).输电前要将交流变为直流输电前要将交流变为直流 整流整流

22、(2).输电后要将直流再还原为交流输电后要将直流再还原为交流 逆变逆变 2.直流输电首先应用在海底电缆输电问题直流输电首先应用在海底电缆输电问题(二二).有关变压器有关变压器:1.理想变压器的线圈看作一个电感元件理想变压器的线圈看作一个电感元件,忽略其导线的电忽略其导线的电阻阻,就要使其感抗远大于线圈电阻就要使其感抗远大于线圈电阻.感抗与电流的频率、自感感抗与电流的频率、自感系数有关系数有关.加大交流电的频率加大交流电的频率;加大电感（铁心截面积加大、加大电感（铁心截面积加大、匝数增多），都可使变压器线圈获得足够大的感抗匝数增多），都可使变压器线圈获得足够大的感抗.因此大型变压器每伏匝数较少因

23、此大型变压器每伏匝数较少(例如例如:3kW的调压器初的调压器初级输入电压为级输入电压为220V,线圈为线圈为220匝匝,1V1匝匝;实验室用的变压器实验室用的变压器初级线圈为初级线圈为1100匝匝,1V5匝匝);铁心质量越好匝数也可适当减铁心质量越好匝数也可适当减少少;飞机上为减小变压器尺寸飞机上为减小变压器尺寸,用提高交流电频率的办法用提高交流电频率的办法,同同理在收音机中高频变压器的匝数很少理在收音机中高频变压器的匝数很少.变压器每伏匝数若太少变压器每伏匝数若太少,相对导线的电阻的作用将明显相对导线的电阻的作用将明显增加增加(将有较大的铜损将有较大的铜损),就要消耗功率就要消耗功率,使变压器发热使变压器发热,甚至烧甚至烧毁变压器毁变压器,所以设计变压器时不仅要考虑匝数比所以设计变压器时不仅要考虑匝数比,还要考虑每还要考虑每1V绕多少匝绕多少匝 2.变压器铁心为防止涡流通常由相互间绝缘的硅钢片变压器铁心为防止涡流通常由相互间绝缘的硅钢片穿插成穿插成,为防止漏磁形状有为防止漏磁形状有“口口”形、形、“日日”形、形、“”形形,为提高变压器的效率铁心用导磁率高的硅钢片为提高变压器的效率铁心用导磁率高的硅钢片;半导体半导体收音机中，小变压器使用收音机中，小变压器使用“坡莫坡莫”合金片合金片(一种铁镍合金一种铁镍合金);高频变压器则使用铁淦氧高频变压器则使用铁淦氧(俗称俗称“磁心磁心”)