3.2 交变电流的描述（教学课件）物理人教版选择性必修第二册

第三章 交变电流 人教版（2019）选择性必修 第二册 2.交变电流的描述 目录 学习目标 重点难点 课堂导入 探究新知 课堂小结 课堂练习 布置作业 1 2 3 4 5 6 7 2 01 02 03 04 物理观念 理解周期、频率、角速度、峰值、有效值的物理意义，掌握它们之间的换算关系；知道有效值是根据电流的热效应定义的，明确正弦式交变电流峰值与有效值的数量关系；能区分瞬时值、峰值、有效值、平均值四个物理量的含义与适用场景；建立交变电流的定量描述观念，为变压器、交变电路的计算打下基础。 科学思维 能结合正弦式交变电流的图像、函数表达式，推理周期、峰值等物理量；能根据焦耳定律推导有效值，辨析有效值和平均值的区别；会运用数学函数、图像模型描述交变电流的变化规律；能在不同问题情境中，合理选择瞬时值、峰值、有效值、平均值进行分析计算，提升模型建构、推理论证能力。 科学探究 能利用示波器观察改变线圈转速、磁场强弱时交变电流波形的变化，探究周期、频率的变化规律；通过电热对比实验，探究交变电流有效值的定义方法；会记录波形信息、读取图像中的峰值、周期，通过对比、定量计算归纳规律，学会用热效应等效的思想设计探究方案。 科学态度与责任 感受用物理量定量描述交变电流的严谨性，体会等效思想在物理研究中的作用；了解周期、频率、有效值在电网、电器铭牌、用电安全中的实际应用；养成严谨规范、区分不同物理概念的习惯，认识精准描述交变电流对电力生产、用电设备设计的重要意义。 学习目标 周期和频率 01 教学内容 峰值和有效值 02 正弦式交变电流的公式和图像 03 电感器和电容器对交变电流的作用 04 教学重点 1 教学重点 2 教学难点 3 理解周期、频率、角速度的物理意义及换算关系；理解交变电流有效值的定义，掌握正弦式交变电流峰值与有效值的关系。 区分瞬时值、峰值、有效值、平均值，能结合交变电流图像、表达式分析、计算相关物理量。 有效值概念的理解；根据实际问题情景正确选用瞬时值、峰值、有效值、平均值解决问题。 重点难点 课堂导入——观察与思考 通过上一节的学习，我们已经知道坚实的钢架托着输电线输送的电流是由发电厂产生的交变电流，那么我们需要掌握哪些数据才能准确的将电输送到千家万户中？ 01 PART 01 第一部分 交流发电机 探究新知 7 探究新知——交流电的变化快慢 仔细观察下图中的交变电流变化规律，他们有什么异同？ e O 2 4 6 t/s 8 e O 2 4 6 t/s 8 交变电流的变化快慢情况不一样。 探究新知——交流电的周期和频率 我们可以利用周期和频率描述交变电流变化的快慢情况： 1.周期T： 交变电流完成一次周期性变化所需的时间，叫做交变流电的周期，单位s 2.频率f： 1s内完成周期性变化的次数，叫频率，单位Hz 周期和频率间有什么关系，它们和交流电发电机转子转动的角速ɷ度间又有什么关系？ 除此之外，交变电流还有哪些特性？ 探究新知——典例探究 【例1】(多选)(来自鲁科教材)一个矩形线圈在匀强磁场中转动，产生的感应电动势大小为e=220sin 100πt V，则 A.交变电流的频率是100π Hz B.t=0时，线圈位于中性面 C.交变电流的周期是0.02 s D.t=0.05 s时，e有最大值 探究新知——典例探究 【解析】由感应电动势的表达式可得ω=100π rad/s，则频率f==50 Hz，A项错误； t=0时，e=0，线圈位于中性面，B项正确； 周期T==0.02 s，C项正确； t=0.05 s时，e=0，D项错误。 02 PART 02 第二部分 峰值和有效值 探究新知 12 探究新知——峰值 上一节中，我们知道正弦式交变电流的变化规律是怎样的？ e=Emsinωt i=Imsinωt u=umsinωt 交变电流的峰值是交变电流在一个周期内所能达到的最大数值，可以用来表示交流电的电流或电压变化幅度。 Em ＝NωBS 峰值 Um ＝ Im R外 我国家用交变电流的电压为220V,这里的“220V”是怎么来的？ 探究新知——思考与讨论 如图是通过一个R=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）怎样计算通过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内产生同样的热量，这个电流是多大？ 在0.2-0.5s内电路中产生的热量为Q2，则 （1）在0-0.2s内电路中产生的热量为Q1，则 故1s内产生的总热量： Q交=2（Q1+Q2）=2.8J （2）Q直=Q交 带入数据得： 探究新知——有效值 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。 从有效值的定义看，“有效”指的是电流热效应的等效。 R R ~ 等 效 探究新知——有效值 理论计算表明，正弦交流电的峰值与有效值有以下关系： 对有效值的理解 (1)交变电流的有效值是根据电流的热效应来定义的．交变电流和恒定电流是一种等效替代关系． (2)注意“三同”：电阻相同，时间相同，产生的热量相同． 探究新知——有效值 怎样求一般交流电的有效值？ 交流 恒定电流ＩＵ 通过大小相同电阻R 在交流电的一个周期内 交流的有效值为ＩＵ Q交=Q直 探究新知——有效值与峰值的应用 1.峰值的应用 把电容器接在交流电路中，就需要知道电压的峰值。电容器所能承受的电压要高于交流电压的峰值，否则电容器就可能被击穿。 耐压值（最大值） 2.有效值的应用 交流用电设备上所标的额定电压和额定电流是指有效值 保险丝的熔断电流是指有效值 无特别说明时提到的交变电流的数值是指有效值 交流电压表、电流表测量的数值是指有效值 探究新知——交变电流的平均值 平均电动势： 平均电流： 电荷量： 计算电荷量用平均值 探究新知——典例探究 【例2】(2025·葫芦岛市高二期末)如图所示是某一交变电流的i-t图像，曲线部分为正弦函数的一部分，则该交变电流的有效值为 A.3 A B.3 A C. A D. A 【解析】设该交变电流的有效值为I，根据有效值定义可得I2RT=()2R·T+ 32·R·T，解得I=3 A，故选A。 探究新知——典例探究 【例3】 (来自教材)A、B是两个完全相同的电热器，A通以如图甲所示的方波交变电流，B通以如图乙所示的正弦交变电流。这两个电热器的电功率之比PA∶PB等于多少？ 【解析】根据有效值的定义，对A电热器，有R·+ (I0)2R·=RT 解得有效值IA=I0，对B电热器，电流的有效值IB= 根据电功率公式P=I2R可得PA∶PB=∶=5∶4。 03 PART 03 第三部分 正弦式交变电流的公式和图像 探究新知 22 探究新知——正弦式交变电流的公式和图像 我们可以采用哪些方法形象描述交变电流变化规律？ 详细描述交变电流 公式 图像 探究新知——正弦式交变电流的公式和图像 写出以下两种情况下交流电的表达式 探究新知——典例探究 【例4】(2024·广东卷)将阻值为50 Ω的电阻接在正弦式交流电源上。电阻两端电压随时间的变化规律如图所示。下列说法正确的是 A.该交流电的频率为100 Hz B.通过电阻电流的峰值为0.2 A C.电阻在1秒内消耗的电能为1 J D.电阻两端电压表达式为u=10sin (100πt) V 探究新知——典例探究 【解析】由题图可知交流电的周期为0.02 s，则频率为f==50 Hz，故A错误；根据题图可知电压的峰值为10 V， 根据欧姆定律，电流的峰值Im===0.2 A，故B错误； 电流的有效值为I==0.2 A 所以电阻在1秒内消耗的电能W=I2Rt=0.22×50×1 J=2 J，故C错误； 根据题图可知电阻两端电压表达式为 u=Umsin ωt=Umsin(t)=10sin (100πt) V，故D正确。 探究新知——典例探究 【例5】(来自鲁科教材)图(a)为风力发电的简易模型，在风力的作用下，风叶带动与其固定在一起的永磁体转动，转速与风速成正比。某一风速时，线圈中产生的正弦式交变电流如图(b)所示，则 A.电流的表达式为i=0.6sin 10πt A B.磁铁的转速为10 r/s C.风速加倍时，电流的表达式为 　i=1.2sin 10πt A D.风速加倍时，线圈中电流的有效值为1.2 A 探究新知——典例探究 【解析】由题图(b)可知，电流的最大值为0.6 A，周期T=0.2 s，故ω==10π rad/s，则电流的表达式为i=0.6sin 10πt A，A项正确； 电流的周期T=0.2 s，则磁铁的转速n转==5 r/s，B项错误； 风速加倍时，角速度加倍，根据Em=nBSω知，产生的最大感应电动势加倍，最大感应电流加倍，则电流的表达式为i=1.2sin 20πt A，C项错误； 风速加倍时，线圈中电流的有效值为I= A=0.6 A，D项错误。 04 PART 04 第三部分 电感器和电容器对交变电流的作用像 探究新知 29 探究新知——电感器对交变电流的阻碍作用 问题1：直流电源电动势与交变电源电动势有效值相等，内阻相同。灯泡和电感器均相同。接交流电和直流电，灯泡的亮度是否相同？接直流电时，有电感器和无电感器灯泡的亮度是否相同？ L S E 图甲： 电感器对直流电作用 图乙： 电感器对交流电作用 L S u 操作1: 线圈 L 串联灯泡后接到直流电源 操作2: 用导线将线圈 L 短路 现 象 : 灯泡亮度基本不变化。实验说明什么 ? 操作1: 线圈 L 串联灯泡后接到交流电源 操作2: 用导线将线圈 L 短路 现 象 : 灯泡亮度变亮。实验说明什么 ? 探究新知——电感器对交变电流的阻碍作用 探究新知——电感器对交变电流的阻碍作用 结论：电感器对直流电几乎无影响，电感器对交流电有阻碍作用。 影响感抗大小的因素有哪些呢？ 1. 感抗：电感线圈对交变电流的阻碍作用。用字母X L 表示，单位是 欧 ( Ω )。 2. 意义：描述电感器对交变电流的阻碍作用大小的物理量。 L S u 探究新知——电感器对交变电流的阻碍作用 探究新知——电感器对交变电流的阻碍作用 通直流，阻交流。 通低频，阻高频。 阻碍原因 电感器有自感作用，自感电动势越大阻碍作用就越大 L S u 线圈的自感系数 L 交变电流的频率 f L 越大，f 越高，XL 越大 即：XL = 2πƒL 4. 实质：变流电不断变化，产生的自感电动势，阻碍磁通量变化 3. 因素： 5.电感器特点： 探究新知——电感器对交变电流的阻碍作用 6.电感器的应用 高频扼流圈 低频扼流圈 结构特点 作用 ——扼流圈 线圈绕在铁芯上,匝数多，自感系数大、感抗大 线圈绕在铁氧体上,匝数少，自感系数小、感抗小 通直流，阻交流 通直流，通低频，阻高频 探究新知——电容器对交变电流的阻碍作用 问题2：把小灯泡和电容器串联在电路中，分别接在交流电和直流电上，灯泡的亮度是否相同？接直流电时，有电容器和无电容器时灯泡的亮度是否相同？ 操作1: 电容器 C 串联灯泡后接到直流电源 操作2: 用导线将电容器 C 短路 现 象: 灯泡由不亮变为亮。实验说明什么 ? 操作1: 电容器 C 串联灯泡后接到交流电源 操作2: 用导线将电容器 C 短路 现 象: 灯泡都在亮。实验说明什么 ? 图甲： 电容器对直流电作用 C S E 图乙： 电容器对交流电作用 C S u 探究新知——电容器对交变电流的阻碍作用 探究新知——电容器对交变电流的阻碍作用 结论：直流电不能通过电容器，交流电能“通过”电容器 1. 容抗：电容器对交变电流的阻碍作用。用字母XC 表示，单位是 欧 ( Ω )。 2. 意义：描述电容器对交变电流的阻碍作用大小的物理量。 影响容抗大小的因素有哪些呢？ C S u 探究新知——电容器对交变电流的阻碍作用 3. 因素： 4. 实质：电容器两极板上积累的电荷对向这个方向定向移动的电荷的反抗作用 电容器的电容 C 交变电流的频率 f C 越大，f 越高，XC 越小 即： 通交流，隔直流。 通高频，阻低频。 阻碍原因 电容器两极板上累积的电荷对在这个方向上定向移动的电荷有反抗作用 C S u 5.电容器特点： 探究新知——电容器对交变电流的阻碍作用 6.电容器的应用 作 用 结构特点 隔直电容器 高频旁路电容器 电容器串联在电路中(C大) 电容器并联在电路中(C小) 通交流，隔直流 通高频，阻低频 电路图 课堂小结 交变电流的描述 周期和频率 正弦式交变电流的公式和图像 峰值和有效值 定义 相互关系 电感器和电容器对交变电流的作用像 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 布置作业 1.认真阅读课本本节内容，并完成课后“练习与应用”； 2.完成分层作业。 谢谢聆听 鼎力物理制作，盗版必究 谢谢聆听 Nero AAC codec / 1.3.3.0 mp4creator 1.5.0.1 Nero AAC codec / 1.3.3.0 mp4creator 1.5.0.1 Nero AAC codec / 1.3.3.0 mp4creator 1.5.0.1 $