《交变电流》《电磁场和电磁波》教材分析和教学建议南京市金陵中学物理组一、教材分析这两章知识,是前面学过的电和磁的知识拓展及综合应用,其中电磁波部分也联系到机械振动和机械波的知识,与生活和生产有着极为密切的联系。
但在高中阶段,限于学生的思维特点和知识基础,只讲解最必要的基本知识,即:初步介绍交变电流的产生,性质和特点,它的传输和应用;浅显地介绍了麦克斯韦的电磁场理论,定性地介绍了电磁场与电磁波。
《交变电流》实际上是电磁感应现象研究的继续和其规律的具体应用。
从交变电流的产生、交变电流的规律、变压器的工作原理等都和楞次定律及法拉第电磁感应定律有密切的联系。
因此在本章教学时,既要注意本章知识所具有的新特点(如周期性、最大值和有效值等,还要时时注意本章知识与电磁感应规律的联系。
本章的重点内容:交变电流的产生原理和变化规律、交变电流的特点、变压器的工作原理及规律、电能远距离的输送。
由于学生的知识结构决定了本章难点在于:电感和电容对交变电流的影响,理想变压器的有关运算,以及远距离输电中损耗的有关讨论。
《电磁场和电磁波》是以前学过的电磁学以及振动和波的延续与补充,同时也为以后学习物理光学作好准备的,由于电磁场理论极为抽象,要求较低,只作科普性的定性介绍。
重点为LC 回路振荡过程的分析、电磁场概念、电磁波及波速。
二、教学建议(一交变电流第一单元:§1——§2交变电流的产生和描述第二单元:§3电感电容对交变电流的作用第三单元:§4——§5变压器和电能的输送单元复习:1课时第一节、交变电流的产生和变化规律基本内容:交变电流的产生原理、变化规律、图象教学建议:(1对于交变电流的产生,教材由感性到理性,由定性到定量,逐步深入的讲述,有利于难点的分散。
对于交变电流的产生,尽可能用模型配合讲解,引导学生运用电磁感应中所学的知识来分析线圈转动一周的过程中电动势和电流方向的变化的理解,加深对t∆∆Φ=ε的理解。
(2建议利用导线切割磁感线从理论上进行推导出交变电流的变化规律。
(3图象法是一种重要方法,它形象、直观,学生易于接受,让学生在已有的图象知识的基础上学会用图象法表示交变电流的变化规律,(4本节中学生第一次接触到很多新名词,如:中性面、交变电流、正弦交变电流、瞬时值、最大值等,让学生明确这些名词的确切的含义。
明确交变电流有很多种,正弦交变电流只是其中最简单、最基本的一种。
【例1】一个矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于匀强磁场并位于线圈平面内的固定轴匀速转动产生的电动势e-t 图像如图所示,则下列说法中正确的是( BDA 、t 1时刻通过线圈的磁通量为零B 、t 1时刻通过线圈的磁通量的绝对值最大C 、t 3时刻通过线圈的磁通量变化率的绝对值最大D 、每当e 变换方向时,通过线圈的磁通量的绝对值都为最大【例2】交流发电机在工作时的电动势t E e m ωsin =,若将其电枢的转速提高1倍,其它条件不变,则( DA 、2sin0tE ω B 、2sin20tE ω C 、t E ω2sin 0 D 、t E ω2sin 20【例3】有一交变电压的变化规律为(314sin 311V t u =,若将一个辉光电压为220V 的氖管接上此交流电压,则在1s 内氖管发光的时间为多少?(参考答案:0.5s第二节、表征交变电流的物理量基本内容:最大值、有效值、周期、频率教学建议:(1让学生明白为什么要引进有效值的概念?有效值的定义是如何定义的?(抓住三个“相同”(2明确2m I I =、2m E E =、2mU U =只有正弦交变电流才成立,对于非正弦交变电流的有效值只能通过有效值的定义来进行求解。
(3明确在实际应用中,交流电器铭牌上标明的额定电压、额定电流、交流电流表和交流电压表指示的电流、电压、保险丝的熔断电流都是有效值。
若没有特别说明,提到的电流、电压、电动势时,都是指有效值。
电容器的耐压值是交变电流的最大值。
(4学生灵活运用交变电流中的“四值”(以电动势为例最大值——在研究电容器的耐压值时只能应用最大值; 瞬时值e ——在研究某一时刻线圈受到的电磁力时,只能用瞬时值;有效值E ——在研究交变电流做功、电功率及产生的热量时,只能用有效值; 平均值E ——在研究交变电流通过导体横截面的电荷量时,只能用平均值。
【例4】下图所示是某种型号的电热毯的电路图,电热毯接在交变电源上,通过装置P 使加在电热丝上的电压的波形如右图所示,此时接在电热丝两端的交流电压表的读数为( BA 、110VB 、156VC 、220VD 、311Vt /10-2s【例5】有一个电子器件,当它两端的电压高于100V 时导电,等于或小于100V 时则不导电。
若把这个电子器件接到100V 、50Hz 的正弦交流电源上时,这个电子器件将( CDA 、不导电B 、每秒钟内导电50次C 、每秒钟导内电100次D 、每次导电的时间为0.005s【例6】如图所示,线圈abcd 的面积是0.05m 2,共100匝,线圈电阻为1Ω,外接电阻R=9Ω,匀强磁场的磁感应强度为T B π1=,当线圈以300r/min 的转速匀速转动时,求:(1若从线圈处于中性面开始计时,线圈转过1/30s 时电动势的瞬时值多大?(2电路中电压表和电流表的示数各是多少?(3从线圈处于中性面开始匀速转动90°的过程中,通过R 的电荷量q 为多少? R 上产生电热Q R 为多少?外力做的功W 为多少?第三节、电感和电容对交流电流的影响基本内容:电感、电容对交变电流有阻碍作用及影响感抗、容抗的因素教学建议:(1电感、电容对交变电流的影响只要求学生定性掌握,教学中应尽可能利用实验现象说明问题,既降低了难度,又符合物理教学的基本要求。
(2“感抗”的教学,可以引导学生复习、回忆已学过的电磁感应知识,进行讨论,由学生独立获得这部分知识,有利于培养能力,也有利于巩固原有的知识结构。
(3“交变电流通过电容器”教学的,适当利用教材给出的模拟图(P220,结合电容的充、放电加以说明。
(4充分重视教材“旁批”,启发学生解释生活现象(例如:用电器接地的必要性。
【例7】下列各图是电子技术中的常用电路,其中乙图中的电容器的电容C 较小,丙图中的电容器的电容C 较大。
a 、b 是部分电路的输入端,其中输入的高频成份用“∽∽”表示,低频成分用“∽”表示,直流成分电路用“—”表示,关于负载电阻R 中得到的电流特征,下列说法中正确的是( ACDA 、图甲中R 得到的是交流成分B 、图乙中R 得到的是高频成分C 、图乙中R 得到的是低频成分D 、图丙中R 得到的是直流成分第四节、变压器基本内容:变压器的构造、变压器的工作原理及规律、常见变压器教学建议:(1关于变压器铁芯的作用可以通过实验演示,以强化信息对学生的刺激程度,可以用可拆卸的变压器在正常工作时断开铁芯,观察副线圈的电压或负载电灯的亮度的变化。
(2互感现象是变压器工作的基础,要让学生在学习电磁感应的基础上理解互感现象。
这里的关键是明白原线圈和副线圈有共同的铁芯,穿过它们的磁通量和磁通量变化时刻都是相同的。
(3讲清楚理想变压器的概念:①无漏磁②无铜损③无铁损,在此基础上推导出变压器的功率、电压及电流关系。
推导电流关系时,一定要从理想变压器的输入功率等于输出功率这个角度,防止学生乱套公式。
1221n n I I =(一原一副、 ++=332211n I n I n I (一原多副。
(4学生对变压器原理和变压器中原、副线圈的电压、电流的关系常有一些似是而非的模糊认识,建议引导学生认真讨论章后A 组习题第4题,对学生澄清认识会有所帮助。
学生能应用理想变压器的电压、电流、功率的基本关系分析解决基本问题。
(5变压器在生产和生活中有十分广泛的应用,课本中介绍了一些,教学中可根据实际情况向学生进行介绍,或看挂图、照片、实物、网络资料等信息,以开阔学生眼界,增加实际知识。
【例8】如图所示,理想变压器原副线圈匝数比n 1:n 2=4:1,当导体棒向右匀速切割磁感线时,电流表A 1的读数是12mA ,则副线圈中电流表A 2的读数应该为( C 。
A 、3mAB 、48mAC 、0D 、与R 阻值有关【例9】(2004年江苏高考如图所示,一个变压器(可视为理想变压器的原线圈接在220V 的市电上,向额定电压为1.80×104V 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,使副线圈电路中电流超过12mA 时,熔丝就熔断。
(1熔丝的熔断电流是多大?(2当副线圈电路中电流为10mA 时.变压器的输入功率是多大?(参考答案:0.98 A 、180 W【例10】如图所示,理想变压器原线圈中输入电压U 1=3300V ,副线圈两端电压U 2为220V ,输出端连有完全相同的两个灯泡L 1和L 2,绕过铁芯的导线所接的电压表V 的示数U =2V ,求:(1原线圈n 1等于多少匝?(2当开关S 断开时,表A 2的示数I 2=5A,则表A 1的示数I 1为多少?(3当开关S 闭合时,表A 1的示数I 1/等于多少? (参考答案:1650V 、0 .33A 、 0.67A【例11】理想变压器初级线圈和两个次级线圈的匝数分别为n 1=1760匝、n 2=288匝、n 3=8000匝,电源电压为U 1=220V 。
RL 220Vn 1n 2上连接的灯泡的实际功率为36W ,测得初级线圈的电流为I 1=0.3A ,求通过n 3的负载R 的电流I 3。
第五节、远距离输电基本内容:输电导线上的功率损失及减少功率损失的方法、输电导线上的电压损失及减少电压损失的方法教学建议:(1对于输电导线上的功率的损失,可以引导学生自己从已有的直流电路知识出发,根据线线=(R UP R I P 22=∆进行分析,得出结论。
(2电路上的电压损失,是本教材新增加的,目的是希望学生对输电问题有更全面、更深入和更接近实际的认识,知道影响输电电压损失的因素不只一个,分析问题应综合考虑,抓住主要方面。
不必将实际问题进行深入讨论,只要求了解。
(3学生在有关输电问题的计算时,会将输电线的上电压损失△U =U -U ‘与输电电压U 混淆(比如:有的学生会提出P 损=RU2,压越高,损耗越大!问题就在于此。
这一部分内容学生完全有能力自己分析,教师应该引导而不是单纯讲解,否则事倍功半。
(4处理远距离输电为时,一定要画出远距离输电的示意图,包括发电机、两台变压器、输电线等效电阻和负载电阻,并按照规范在图中标出相应的物理量符号。
运用功率关系、电压关系、电流关系,电流之间的关系最简单,因此求输电线上的电流往往是这类问题的突破口。
(5课本中讲了从减少损失考虑,要求提高输电电压;又讲了并不是输电电压越高越好.希望帮助学生科学地、全面地认识问题,逐步树立正确地分析问题、认识问题的观点和方法.节后设的阅读材料《直流输电》既可以开阔学生眼界,增加知识,也是对上述观点的实际的补充和说明。