8.1 谐波的概念（教案）-《电工技术基础与技能》同步精品课堂（机工版·第3版）

《非正弦周期电量的应用—谐波的概念》教案 课题 8.1 谐波的概念 课 型 理论 课 时 授课班级 授课时间 授课教师 教材分析 本节内容在《电工技术基础与技能》中占据重要地位。它以谐波为核心，先介绍谐波的产生，通过实验展示不同频率正弦电量叠加形成非正弦电量的过程，引出谐波概念，使抽象知识直观化。接着深入剖析谐波的分解，包括单方向脉动周期电量和交流周期电量分解，让学生理解其组成结构。还阐述了高次谐波的用途与危害，如在声音区分中的作用及对电网设备的不良影响，知识体系完整且紧密联系实际，有助于培养学生对复杂电路现象的分析和解决能力。 学情分析 中职学生在学习本节知识点时具有一定特点。他们思维活跃，对实际操作和新鲜事物充满兴趣，但可能在理论知识的理解和抽象思维方面存在不足。在面对谐波概念这种较为抽象的内容时，需要借助更多直观的实验和实例来帮助理解。部分学生可能对电子电路、电器设备有一定了解，这有助于他们联系实际学习高次谐波的用途和危害，但在数学分析和复杂电路原理推导上可能会感到吃力，教学中需注重引导和循序渐进，以适应他们的学习能力和知识基础。 学习目标 1. 理解谐波产生及分解原理。 2.掌握高次谐波的用途和危害。 3.学会分析非正弦电量波形。 学习重难点 学习重点 1. 掌握谐波产生与分解的具体过程，能清晰阐述其原理机制。 2.熟知高次谐波在不同场景下的用途及对设备的危害表现。 学习难点 1. 深入理解非正弦周期电量与正弦电量的复杂关系。 2.精准分析高次谐波在复杂电路中引发问题的内在逻辑。 教学方法 讲授法、讨论法、小组合作、任务驱动 课前准备 1.复习正弦交流电知识，打好理论基础。 2.准备笔记本和笔，便于记录关键内容。 教学媒体 PPT、微视频 教学过程 教学环节 教师活动设计 学生活动设计 设计意图 活动一： 创设情境 生成问题 教师通过多媒体展示如电子琴发出的不同声音对应的电压波形图、数字电路信号电压波形图等多种非正弦电量波形，引导学生观察这些波形与常见正弦波的差异，并提问学生是否知道这些非正弦波是如何产生的以及它们会对电路产生什么影响。 学生仔细观察波形图，积极思考教师提出的问题，在小组内交流讨论自己的初步想法和疑惑，如猜测非正弦波可能是由电路故障产生等。 利用直观的图形展示激发学生的好奇心和探究欲望，让学生快速进入学习状态，同时引导学生关注非正弦电量这一与实际联系紧密的主题，为后续学习谐波知识做好铺垫，引发学生的主动思考和小组合作交流。 活动二： 调动思维 探究新知 一、谐波的产生（讲授法） 1.定义 此波形是一非正弦电压波形，它是由50Hz和150Hz两个正弦交流电压叠加而成的。50Hz和 150Hz这两个正弦交流电压称为这个非正弦电压的谐波。 任何一个非正弦周期电量，都可以分解为多个不同频率正弦周期电量相加的形式，即任何一个非正弦周期电量都可以看作是由多个不同频率正弦周期电量相叠加的结果从而建立起非正弦周期电量和正弦周期电量之间的联系 由以上分析可知，除去标准的正弦波之外，其他任何波形都含有谐波。在现代的各个用电领域，真正的正弦波是很少的，更多的是含有谐波的非正弦波，因此，我们了解谐波的概念是非常有意义的。 二、谐波的分解（与实践相结合） 1.单方向脉动周期电量的分解 它在一个周期内只有半个正弦波形，是一个单方向脉动周期电量。它可以分解为直流分量(见图8-3b)和一系列不同频率正弦交流分量(见图8-3c、d、e)相叠加。其中直流分是半波整流电压波形的平均值(凡是单方向流动的周期电量，都含有直流分量)。 虽然一个非正弦波可以分解为无穷多项正弦量相叠加，但起主要作用的是分解后的前几项 2.结论总结 1)任何一个非正弦周期电量，都是由基频正弦波和多个高次谐波电量相叠加的结果 (2)单方向脉动周期电量含有直流分量和交流分量;而交流周期电量只含有正弦交流分量而不含有直流分量。 (3)非正弦周期电量的谐波频率越高，其幅度越小，即起主要作用的是谐波的前几项 (4)非正弦电量的波形和正弦电量的波形差别越大，这个非正弦电量的谐波越丰富. 学生全神贯注地观看实验过程，记录实验现象和数据，根据教师的提问积极思考并回答 在教师引导下逐步总结出谐波产生的原理，如两个或多个正弦电量可以叠加出非正弦周期电量。 通过实验演示让抽象的谐波产生知识变得直观易懂，增强学生的感性认识。 教师的提问引导可以调动学生的思维，培养学生的观察能力和逻辑推理能力，使学生在实践中探究新知识，更好地理解和掌握谐波产生的核心概念。 活动三： 调动思维 探究新知 三、高次谐波的用途和危害（增强与学生的互动） 1.高次谐波的用途 当两个图的基波频率相同时，就可以和弦演奏;当单独演奏时，钢琴的声音或长笛的声音我们是分得很清楚的，这就是因为两个波形的高次谐波不同 如果将高次谐波滤除，变成正弦信号，就会使电路出现误动作。 2.高次谐波的危害 这些交流电器都是由电路三大元件(电阻、电感、电容)组成的，电感的感抗和电容的容抗都是频率的函数，都对高次谐波很敏感，当电路中的高次谐波达到一定值时，感性设备和容性设备就会工作不正常。 高次谐波会使电动机铁心中的磁偶极子振动加剧而发热，绕组中电流出现趋肤效应使绕组发热加剧:电容器中流过的电流增加，引起电容发热鼓包，严重时发生爆炸。高次谐波对电子电器干扰更为严重，会造成动作失误、死机或控制精度下降等。三相交流电网中的高次谐波成分不能超过 5%，超过了就要采取措施将其滤除。 3.分析结论 （1)自然界中的交流周期电量除了单一的正弦周期电量之外，更多的是非正弦周期电量。非正弦周期电量是由基波和高次谐波组成的，高次谐波表示非正弦周期电量的性质。 （2)三相交流电是国民经济建设的动力源，输出的是标准正弦交流电。随着科技的发展和社会的需要，很大一部分电能是通过二次处理再供给用电设备的，如变频器和各种充电器等，它们将交流电整流为直流电，整流时电网中产生了大量的高次谐波。 由于电网中的谐波产生的负面影响很大，于是催生了一个新的产业--电磁滤波和无谐波整流技术。凡是对电网产生高次谐波的设备，都要加装滤波器或者采用无谐波整流，从而确保电网的谐波含量不超过 5%。 小组合作依案例需求研讨设计，借鉴资料创新；展示成果时自信讲解、互评学习； 依点评反思完善，强化工程思维、创新能力与规范意识，为职业发展积经验、提素养。 任务驱动激发创新潜能，实践提升协作与工程实践力，展示互评培养表达审美与学习能力 点评完善提升设计水平与规范素养，顺应中职生职业发展需求，培育高素质电气技术 人才。 活动四： 巩固练习 素质提升 总结和复习阶段： 本节主要围绕非正弦周期电量中的谐波展开。从谐波的产生入手，通过实验揭示其由不同频率正弦电量叠加而成，进而阐述了谐波的分解，包括单方向脉动周期电量和交流周期电量的分解特点。同时，分析了高次谐波的用途，如区分不同声音、保证信号逼真等，以及其对三相交流电网设备的危害，像使电动机、电容器等出现故障。这部分知识体系完整，让我们对非正弦周期电量和谐波有了全面深入的认识，在电工技术领域具有重要意义。 学生跟随教师的总结回顾，对照自己的笔记，对重点知识进行再次梳理和记忆，加深对知识的理解。对于自己仍然存在疑问的地方，及时向教师提问，确保对本节课知识的全面掌握。 帮助学生梳理本节课的知识框架，强化重点知识的记忆，解决学生在学习过程中存在的疑惑，使学生对所学知识有更清晰、更深入的理解，为后续的学习和实践打下坚实的基础。 课堂小结 作业布置 1.简述谐波产生的实验过程及结论，不少于 150 字。 2.举例说明高次谐波在生活中的两种用途，详细阐述。 3.分析电网中高次谐波对某一设备的危害原理，150 字左右。 板书设计 一、谐波的产生 1.定义：非正弦电压由不同频率正弦交流电压叠加 2.示例：如 50Hz 与 150Hz 正弦电压叠加成非正弦电压 3.联系：非正弦周期电量可分解为多个正弦周期电量相加 二、谐波的分解 （一）单方向脉动周期电量分解 1.特点：半正弦波形，含直流与交流分量 2.分解：直流分量（平均值）+ 正弦交流分量 3.要点：前几项起主要作用 （二）结论总结 1.构成：基频正弦波 + 高次谐波电量叠加 2.分量区别：单方向脉动有直流与交流，交流周期电量无直流 3.谐波特性：频率越高幅度越小，波形差异大则谐波丰富 三、高次谐波的用途和危害 （一）用途 1.声音区分：基波同频时，高次谐波不同可区分乐器声 2.电路作用：滤除高次谐波会使电路误动作 （二）危害 1.设备影响：感性（如电动机）、容性（如电容器）设备因谐波工作不正常 2.具体表现：电动机铁心、绕组发热，电容器发热鼓包甚至爆炸，电子电器干扰致动作失误等 3.标准限制：三相交流电网谐波成分不超 5% （三）分析结论 1.电量构成：自然交流周期电量多为非正弦，含基波与高次谐波 2.电网谐波源：变频器、充电器等整流产生大量谐波 3.应对措施：加装滤波器或无谐波整流，确保电网谐波达标 副板书 1.重要公式：如非正弦周期电量分解相关公式（如有） 2.典型案例：如 B 超、助听器等案例中谐波应用简单记录（若有涉及） 3.学生提问与解答要点：记录学生课堂提问及简要解答思路 教学反思 在本次教学中，利用实验和实例讲解谐波知识有成效，学生对谐波产生和分解有了一定理解。但部分学生在理解高次谐波用途和危害的深层原理时仍有困难，反映出教学中复杂概念的剖析深度不足。今后应多引入生活中更常见的案例，如音响设备中的谐波现象，增强学生的感性认识。同时，在讲解抽象原理时，要进一步放慢节奏，增加互动提问环节，确保学生跟上教学思路，提升教学效果。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $$