山东省成武一中高中物理 第五章 交变电流课件+教案（打包10套）新人教版选修3-2.zip

1交变电流●本章概述本章讲述交变电流知识，是前面学过的电和磁的知识的发展和应用，并且与生产和生活有密切关系.本章重点内容是：交变电流的产生原理和变化规律，交变电流的性质和特点，变压器的工作原理，交变电流的传输及应用.这些知识点是高考命题率较高的知识点.与直流电相比，交变电流有许多优点，交变电流可以利用升压变压器升高或降低电压，便于远距离输送，可以驱动结构简单运行可靠的感应电动机。为了有利学生学习交流电的特点，更好的区分交流与直流，本章还介绍了电感和电容在交变电流中的作用，使学生了解感抗与容抗的有关知识.本章可分为三个单元：第一单元：第一节和第二节，讲交变电流的产生和描述.第二单元：第三节，讲电感和电容对交变电流的作用.第三单元：第四节和第五节，讲变压器和电能的输送.第一节 交变电流●本节教材分析为了适应学生的接受能力，教材采取从感性到理性、从定性到定量逐渐深入的方法讲述这个问题.教材先用教具演示矩形线圈在匀强磁场中匀速转动时产生交流电，以展示交流电是怎样产生的.并强调让学生观察教材图 17—2 所示线圈通过五个特殊位置时，电流表指针变化的情况，分析电动势和电流方向的变化，这样学生就会对电动势和电流的变化情况有个大致的了解.然后让学生用右手定则独立分析线圈中电动势和电流的方向.这样能充分调动学生的积极性,培养学生的观察和分析能力.关于交变电流的变化规律,教材利用上章学过的法拉第电磁感应定律引导学生进行推导,得出感应电动势的瞬时值和最大值的表达式,进而根据闭合电路欧姆定律和部分电路欧姆定律推出电流与电压瞬时值与最大值的表达式.用图表表示交流电的变化规律是一种重要的方法,这种方法直观、形象,学生容易接受.这样做也是为后面用图象表示三相交流电准备条件,在电磁波的教学中还要用到图象的方法.在介绍了交流电的周期和频率后,可通过练习巩固学生对交流电图象的认识.在本节学生第一次接触到许多新名词,如:交流电、正弦交流电、中性面、瞬时值、最大值等.要让学生搞清楚这些名词的准确含义.要使学生了解交流电有许多种,正弦交流电是其中简单的一种,在本章教材中常把正弦交流电简称交流电.要使学生明确中性面是指与磁场方向垂直的平面.中性面的特点是:线圈位于中性面时,电动势为零;线圈通过中性面时,电动势的方向要改变.要向学生指出,一般科技书中都用小写字母表示瞬时值,用大写字母并加脚标，m 表示最大值. ●教学目标一、知识目标1.使学生理解交变电流的产生原理，知道什么是中性面.2.掌握交变电流的变化规律及表示方法.3.理解交变电流的瞬时值和最大值及中性面的准确含义.二、技能目标1.掌握描述物理量的三种基本方法（文字法、公式法、图象法）.2.培养学生观察能力，空间想象能力以及将立体图转化为平面图形的能力.3.培养学生运用数学知识解决物理问题的能力.2三、情感态度目标培养学生理论联系实际的思想. ●教学重点交变电流产生的物理过程的分析. ●教学难点交变电流的变化规律及应用. ●教学方法演示法、分析法、归纳法. ●教学用具手摇单相发电机、小灯泡、示波器、多媒体教学课件、示教用大的电流表. ●课时安排1 课时 ●教学过程一、引入新课［师］出示单相交流发电机，引导学生首先观察它的主要构造.［演示］将手摇发电机模型与小灯泡组成闭合电路.当线框快速转动时，观察到什么现象?［生］小灯泡一闪一闪的.［师］再将手摇发电机模型与示教电流表组成闭合电路,当线框缓慢转动(或快速摆动)时,观察到什么?［生］电流表指针左右摆动.［师］线圈里产生的是什么样的电流？请同学们阅读教材后回答.［生］转动的线圈里产生了大小和方向都随时间做周期性变化的交变电流.［师］现代生产和生活中大都使用交流电.交流电有许多优点，今天我们学习交流电的产生和变化规律.二、新课教学1.交变电流的产生［师］为什么矩形线圈在匀强磁场中匀速转动时线圈里能产生交变电流？［生］对这个问题有浓厚的兴趣,讨论热烈.［师］多媒体课件打出下图.当 abcd 线圈在磁场中绕 OO′轴转动时,哪些边切割磁感线?［生］ ab 与 cd.［师］当 ab 边向右、 cd 边向左运动时,线圈中感应电流的方向如何?［生］感应电流是沿着 a→ b→ c→ d→ a 方向流动的.3［师］当 ab 边向左、 cd 边向右运动时,线圈中感应电流的方向如何?［生］感应电流是沿着 d→ c→ b→ a→ d 方向流动的.［师］正是这两种情况交替出现,在线圈中产生了交变电流.当线圈转到什么位置时,产生的感应电动势最大?［生］线圈平面与磁感线平行时, ab 边与 cd 边线速度方向都跟磁感线方向垂直,即两边都垂直切割磁感线,此时产生感应电动势最大.［师］线圈转到什么位置时,产生的感应电动势最小?［生］当线圈平面跟磁感线垂直时, ab 边和 cd 边线速度方向都跟磁感线平行,即不切割磁感线,此时感应电动势为零.［师］利用多媒体课件,屏幕上打出中性面概念:(1)中性面——线框平面与磁感线垂直位置.(2)线圈处于中性面位置时,穿过线圈 Φ 最大,但 =0.tΔ(3)线圈越过中性面,线圈中 I 感 方向要改变.线圈转一周,感应电流方向改变两次.2.交变电流的变化规律设线圈平面从中性面开始转动,角速度是 ω.经过时间 t,线圈转过的角度是 ωt, ab 边的线速度 v 的方向跟磁感线方向间的夹角也等于 ωt,如右图所示.设 ab 边长为 L1,bc 边长 L2,磁感应强度为 B,这时 ab 边产生的感应电动势多大?［生］ eab=BL1vsinωt =BL1· ω sinωt = BL1L2sinω t2L［师］ cd 边中产生的感应电动势跟 ab 边中产生的感应电动势大小相同,又是串联在一起,此时整个线框中感应电动势多大?［生］ e=eab+ecd=BL1L2ωsinωt［ 师 ］ 若 线 圈 有 N 匝 时 ,相 当 于 N 个 完 全 相 同 的 电 源 串 联 ,e=NBL1L2ω sinω t,令 Em=NBL1L2ω ,叫 做感应电动势的最大值, e 叫做感应电动势的瞬时值.请同学们阅读教材,了解感应电流的最大值和瞬时值.［ 生 ］ 根 据 闭 合 电 路 欧 姆 定 律 ,感 应 电 流 的 最 大 值 Im= ,感 应 电 流 的 瞬 时 值 i=Imsinω t.rRE［师］电路的某一段上电压的瞬时值与最大值等于什么?［生］根据部分电路欧姆定律,电压的最大值 Um=ImR,电压的瞬时值 U=Umsinωt .［师］电动势、电流与电压的瞬时值与时间的关系可以用正弦曲线来表示,如下图所示:43.几种常见的交变电波形三、小结本节课主要学习了以下几个问题：1.矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动时，线圈中产生正弦式交变电流.2.从中性面开始计时，感应电动势瞬时值的表达式为 e=NBSωs inω t,感应电动势的最大值为 Em=NBSω .3.中性面的特点：磁通量最大为 Φ m，但 e=0.四、作业（略）五、板书设计六、本节优化训练设计1.一矩形线圈，绕垂直于匀强磁场并位于线圈平面内的固定轴转动，线圈中的感应电动势E 随时间 t 的变化如图所示，则下列说法中正确的是A.t1时刻通过线圈的磁通量为零B.t2时刻通过线圈的磁通量的绝对值最大C.t3时刻通过线圈的磁通量变化率的绝对值最大D.每当电动势 E 变换方向时，通过线圈的磁通量的绝对值都为最大2.一台发电机产生的按正弦规律变化的感应电动势的最大值为 311 V，线圈在磁场中转动的角速度是 100π rad/s.5（1）写出感应电动势的瞬时值表达式.（2）若该发电机只与含电阻的负载组成闭合电路，电路中的总电阻为 100 Ω，试写出通过负载的电流强度的瞬时表达式.在 t= s 时电流强度的瞬时值为多少？1203.一个矩形线圈在匀强磁场中转动产生交流电压为 u=220 sin100πt V，则2A.它的频率是 50 HzB.当 t=0 时，线圈平面与中性面重合C.电压的平均值是 220 VD.当 t= s 时，电压达到最大值2014.交流发电机工作时的电动势的变化规律为 e=Emsinω t，如果转子的转速 n 提高 1 倍，其他条件不变，则电动势的变化规律将变化为A.e=Emsin2ω tB.e=2Emsin2ω tC.e=2Emsin4ω tD.e=2Emsinω t参考答案：1.D2.解析：因为电动势的最大值 Em=311 V，角速度 ω =100 π rad/s，所以电动势的瞬时值表达式是 e=311sin100π t V.根据欧姆定律，电路中电流强度的最大值为 Im= A=3.11 A，所以通过负载的电103RE流强度的瞬时值表达式是 i=3.11sin100π t A.当 t= s 时，电流的瞬时值为120i=3.11sin(100π · )=3.11× A=1.55 A.12013.ABD4.B ●备课资料1.抽水蓄能发电电被称为现代文明的血液.一天当中的不同时段,比如生产、生活最忙碌的时候,与夜晚夜深人静之际,对电的使用量往往相差十分悬殊.而电力又不能直接大量贮存.这就要求电网具有灵活的调节能力,在高峰时增加供电,而在低谷时又减少供电.否则电网的电压就会与标准不符,不仅用户无法正常用电,电网的运行安全也会受到威胁.水电、火电、核电是目前电网大规模发电的主要形式,也是电网调节的主要形式.其中水电机组开停机迅速,调节能力最强;而火电机组从开机到满负荷工作或反之运行的时间往往需要近 10 个小时,跟不上网内的负荷变化,调节能力很差;而核电机组由于技术和安全方面的原因,基本上没有调节能力.华北电网占装机容量 97%以上的是火电机组.华北属于缺电地区,用电高峰时全部机组满负荷运行也难以满足用电需求,所以不得不频繁地拉闸限电;而在低谷时电网内又有大量过剩的电能需要削减.那么,是否可以把低谷的剩余电量贮存起来,补充高峰时的供电不足,从而6提高华北电网的调节能力呢?循着这样的思路,1992 年 9 月,十三陵抽水蓄能电站破土动工了.从工程结构上说,抽水蓄能电站包括两个具有水平垂直高差的水库,分别叫作上水库和下水库.十三陵抽水蓄能电站的下水库是早已建成的十三陵水库;上水库建在十三陵水库左岸蟒山后面的上寺沟内.上下水库间的落差有 480 m.上水库的总库容为 400 万立方米.上下水库之间的山体内建有地下厂房和附属洞室,装备了既可做水泵也可做水轮机运行的蓄能机组.十三陵抽水蓄能电站的地下厂房面积为 4000 m2,它装备的是 4 台 20 万 kW 的水泵水轮电动发电机组.连接上下水库和地下厂房的水道系统主要由进出水口、调压节隧洞以及隧洞内铺设的巨大的高压管道组成.抽水蓄能电站是依照能量转换原理工作的.在午夜之后的用电低谷蓄能机组做水泵运行,用电网内多余的电能把水库的水抽到上水库,把电能转换成势能贮存起来;在用电高峰时,机组又成为发电机,由上水库向下水库放水,像常规水电站一样,把水的势能转换成电能,返送回电网补充供电的不足.这样,在蓄水放水,耗电发电的循环过程中,电站对电网负荷的高峰和低谷起到调节作用.十三陵抽水蓄能电站建成后,每年可吸收 16.5 亿千瓦时的低谷剩余电量,提供 12 亿千瓦时的高峰电量.如果按 1 千瓦时高峰电量可创 4~6 元产值计算,每年可创社会产值 50~70 亿元.更重要的是抽水蓄能电站增强了华北电网的调节能力,保证了整个电网的安全经济运行.目前抽水蓄能发电在我国呈现出蓬勃发展的势头.除十三陵抽水蓄能电站外,全国还有好几个抽水蓄能电站,有的正在兴建中,有的已经投入运行.2.崛起的新能源——核电电力是国民经济发展的命脉.目前世界电力主要由火电、水电和核电构成.火电是靠燃烧煤、石油等化石燃料获得的.作为不可再生的自然资源,化石燃料储量有限,而且都是重要的化工和轻纺工业原料.化石燃料的燃烧还会对环境造成很大污染,是造成“酸雨” “温室效应”等环境问题的元凶.水电是可再生资源,而且不会污染环境,但它的限制条件较多,如水资源分布不均,水流量的季节变化会导致发电量的变化.只有核电能够既满足电力需求,又不污染环境.自 1954 年苏联建成世界上第一座核电站至今,全球已有 30 多个国家建起了 440 多台机组,总装机容量达到 3 亿多千瓦,其中法国、美国、日本、德国、英国等经济发达国家的核电都超过本国总发电量的 20%,法国甚至达到 70%以上.作为一个人口众多的发展中国家,我国的电力工业一直在稳步发展,装机容量和年发电量分别排世界第四位和第三位.但人均发电量排在世界第 80 位,仅为世界平均水平的 1/3.1996年全国电力缺口在 20%左右,远远不能满足快速增长的国民经济发展的需求.我国将近 70%的煤炭资源分布在华北和西北,工业发达和人口密集的东南沿海地区的煤炭和水力资源都很匮乏,国家每年都要投入巨资进行“北煤南运”.我国初步规划 2000~2020 年新增装机容量 5亿千瓦.如果全部建成火电站发电用煤需要 13 亿吨,这无论从煤的新增产量、远距离运输,还是从生态环境等各方面看,都存在巨大困难,可以说发展核电是中国解决能源问题的一条重要途径.有关部门预测,21 世纪将是中国核电大发展的时期.1991 年中国大陆实现了核电零的突破.现在已有两座核电站 3 台核电机组共 210 万千瓦装机容量,其发电量占全国发电总量的1.27%.国家“九五”计划和 2010 年远景规划目标纲要指出:贯彻因地制宜、水火并举,适当发展核电的方针.计划到 2010 年投运的核电站总装机容量达到 2000 万千瓦左右.目前,东南沿海地区都把建造核电站作为解决当地能源问题的重要途径,对发展核电有很高的积极性.秦山核电站和大亚湾核电站的安全稳定运行为中国的核电发展开了个好头，已充分显示了核电安全、清洁、经济的优越性.“九五”期间，我国计划建造的四座核电站八台机组共7660 万千瓦,现已全面开始建造.可以说，发展核电已成为我国能源政策的一部分，作为 20世纪中叶崛起的新能源，它在中国有着光明的发展前景.1第五节 电能的输送●本节教材分析这节教材是学生前面所学知识综合运用解决实际问题的一个典型例子.通过本节的学习，要注意培养和提高学生运用物理知识分析、解决实际问题的能力.教材写得比较详细、通俗，可让学生阅读课本，然后提出一些问题引导学生思考、讨论.在内容的处理上，应注意以下几个方面：1.对于电路上的功率损失，可引导学生自己从已有的直流电路知识出发，进行分析，得出结论.2.讲解电路上的电压损失，是本节教材新增加的.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，知道影响输电损失的因素不只一个，分析问题应综合考虑，抓住主要方面.但真正的实际问题比较复杂，教学中并不要求深入讨论输电中的这些实际问题，也不要求对输电过程中感抗和容抗的影响进行深入分析.3.学生常常容易将导线上的电压损失 Δ U=U-U′与输电电压混淆起来，甚至进而得出错误结论.要通过具体的例子，可引导学生进行讨论，澄清认识.要注意，切不可单纯由教师讲解，而代替了学生的思考，否则会事倍功半，似快而实慢.4.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，也可以增加知识. ●教学目标一、知识目标1.知道“便于远距离输送”是电能的优点，知道输电过程.2.知道什么是输电线上的功率损失和如何减少功率损失.3.知道什么是输电导线上的电压损失和如何减少电压损失.4.理解远距离输电要用高压.二、技能目标培养学生阅读、分析、综合和应用能力.三、情感态度目标1.培养学生遇到问题要认真、全面分析的科学态度.2.介绍我国远距离输电概况，激发学生投身祖国建设的热情. ●教学重点找出影响远距离输电损失的因素，使学生理解高压输电可减少 P 与 U 损失. ●教学难点理解高压输电原理，区别导线上的输电电压 U 和损失电压 Δ U. ●教学方法自学讨论法. ●教学用具可拆变压器（2 台） 、长导线、学生电源、小灯泡、投影仪、CAI 课件. ●课时安排1 课时●教学过程一、引入新课［师］人们常把各种形式的能（如水流能、燃料化学能、核能）先转化为电能再进行传输，这是因为电能可以通过电网来传输，那么电能在由电厂传输给用户过程中要考虑什么问题？2这节课我们就来学习远距离输电的知识，请同学们认真仔细地阅读教材，回答老师提出的下列问题（屏幕上打出）［生］阅读并展开激烈的讨论.二、新课教学1.输电线上的功率损失［师］输送电能的基本要求是什么？［生］输送电能的基本要求是：可靠、保质、经济.可靠，是指保证供电线路可靠地工作，少有故障和停电.保质，就是保证电能的质量，即电压和频率稳定.经济是指输电线路建造和运行的费用低，电能损耗小，电价低.［师］远距离大功率输电面临的困难是什么？［生］在输电线上有功率损失和电压损失.［师］输电线上功率损失的原因是什么？功率损失的表达式是什么？如何减小输电线上的电压损失？［生 1］由于输电线有电阻，当有电流流过输电线时，有一部分电能转化为电热而损失掉了.这是输电线上功率损失的主要原因.［生 2］设输电电流为 I，输电线的电阻为 R，则功率损失为 Δ P=I2R.［生 3］根据功率损失的表达式 Δ P=I2R 可知，要减少输电线上的功率损失，有两种方法：其一是减小输电线的电阻；其二是减小输电电流.［师］如何减小输电线的电阻呢？［生］根据电阻定律可知 R 线 =ρ ，要减小输电线的电阻 R 线 ，可采用下述方法：S1①减小材料的电阻率 ρ .银的电阻率最小，但价格昂贵，目前选用电阻率较小的铜或铝作输电线.②减小输电线的长度 l 不可行，因为要保证输电距离.③增加导线的横截面积，可适当增大横截面积.太粗不可能，既不经济又架设困难.［师］如何减小输电线中的电流呢？［生］在输电功率一定的条件下，根据 P=UI 可知，要减小输电线中的电流 I，必须提高输电电压 U，这就是采用高压输电的道理.2.输电线上的电压损失［师］在直流输电时，输电线上电压损失的原因是什么？交流输电呢？［生 1］由于输电线有电阻，电流在输电线上有电压损失.［生 2］对交流输电线路来说，既有电阻造成的电压损失，也有感抗和容抗造成的电压损失.［师］在不计感抗和容抗的条件下，电压损失的表达式是什么？［生］电压损失 Δ U=U-U′= IR 线［师］如何减小电压损失，保证输电质量呢？［生］根据电压损失的表达式 Δ U=IR 线 可知，要减少输电线上的电压损失，有两种方法：其一是减小输电线的电阻 R 线 ；其二是减少输电电流.方法同减少功率损失.［师］为了减少功率损失和电压损失，都需要采用高压输电，但并不是电压越高越好.因为电压越高，对输电线绝缘的要求就越高，这样不经济.实际输电时，要综合考虑各种因素.3.几种输电模式［师］常用的输电模式有几种？各是什么？［生 1］低压输电：输电功率为 100 kW 以下，距离为几百米以内，一般采用 220 V 的电压输电.3［生 2］高压输电：输电功率为几千千瓦到几万千瓦，距离为几十千米到几百千米，一般采用 35 kV 或 110 kV 的电压输电.［生 3］超高压输电：输电功率为 10 万千瓦以上，距离为几百千米，必须采用 220 kV 或更高的电压输电.［师］我国远距离输电采用的电压有哪几种？［生］有 110 kV、220 kV、330 kV、500 kV.［师］大型发电机发出的电压不符合远距离输电的要求，怎么办？而到达目的地的电压也不符合用户的要求，怎么办？［生］在发电机处用升压变压器升高电压，在用户处用降压变压器降低电压.［师］用 CAI 课件展示我国远距离高压输电情况及远距离高压输电的原理.如下图所示.设发电机的输出功率为 P，则功率损失为Δ P=I22R用户得到的功率为 P 用 =P-Δ P.电压损失为 Δ U=I2R，则 U3=U2-Δ U.4.例题分析某交流发电机输出功率为 5×10.5 W，输出电压为 U=1.0×10.3 V，假如输电线的总电阻R=10 Ω，在输电线上损失的电功率等于输电功率的 5%，用户使用电压 U=380 V.（1）画出输电线路的示意图（下图）.（标明各部分的符号）（2）所用升压和降压变压器的原、副线圈的匝数比是多少？（使用的变压器是理想变压器）解析：引导学生画出电路.引导学生写出各部分关系式U∶ U1=n1∶ n2 I2∶ I1=n1∶ n2U2∶ U 用 =n1′∶ n2′ I3∶ I2=n1′∶ n2′U1=U 损 +U2P=P 损 +P 用户P 损 =I22·R4解： I1= =500 AUPP 损 =5%P=5%×5×105 W=2.5×104 WP 损 =I22RI2= =50 A损I3= = =用 户用 户U用 户 损380175.4所以 12In150387.42''1I三、小结通过本节学习，主要学习以下问题：1.远距离输电线路上， P 损 =I2R= ，其中（ I= ）.RU损 P总2.远距离高压输电中， P 损 和 U 损 都能减少.3.交流和直流输电有其各自的优点和不足.4.电站输出功率由用户消耗功率决定.四、布置作业（略 0五、板书设计六、本节优化训练设计1.单相交流发电机的路端电压为 220 V，输出的电功率为 4400 W，发电机到用户单根输电线的电阻为 2 Ω，求（1）用户得到的电压和电功率各是多少？（ 2） 如 果 用 变 压 比 为 1∶ 10 的 升 压 变 压 器 升 压 后 向 用 户 输 电 ， 用 户 处 再 用 变 压 比 为 10∶ 1 的 降压变压器降压后使用，那么用户得到的实际电压和电功率又是多少？2.一条河的流量为 Q=40 m3/s，落差为 h=5 m.利用它发电，单相交流发电机效率 η 1=50%，输出电压 U=400 V，输电线总电阻 R 线 =5 Ω，电线上允许损失的最大电功率为发电机输出5的电功率 η 2倍, η 2=5%，用户所需电压为 220 V，设计输电线两端变压器的原、副线圈匝数比各是多少？参考答案：1.解析（1）不用变压器，直接输电时：干线中电流： I= = A=20 A送送UP2014.3电线上损失的： U 损 =I·R 线 =20×2×2 V=80 VP 损 =I·U 损 =1600 W用户得到的： U 户 =220 V-80 V=140 VP 户 =P-P 损 =4400 W-1600 W=2800 W （2）用变压器时，电路如图所示.U1=10U=2200 VI 线 = = A=2 A1P204U2=U1-I 线 R=2200 V-2×4 V=2192 V所以 U 户 ′= =219.2 V02P 户 ′ =P-I 线 2×R=4400 W-4×4 W=4384 W2.解析：发电机将水机械能转换为电能，其中：P 输 =η 1ρQgh =50%×103×40×10×5 W=106 W输电线上损失：P 损 =η 2P 输 =5×104 W输电线上允许输送的最大电流I 线 = A=100 A510线损R而不用变压器直接输送时，输电线上电流大小：I= =2500 A 100 A406送输UP为减少电能损失，必须是先升压后降压，输电线路如图所示.6I1= =2500 A送输UPI2= =100 A线损RI3= A= A20195.6户 损UP203所以 512In 29503'2'1In14●备课资料求解输电问题的思路由于发电机本身的输出电压不可能提高，所以采用高压输电时，在发电站内需用升压变压器升压后再由输电线输出，到用电区再用降压变压器降到所需的电压，在解答有关远距离输电问题时，首先要将整个电路分成几段进行研究，找出跟各段电路相应的物理量；然后利用变压器工作原理和直流电路的基本定律分段列式，最后联立求解，进行计算.另外，还需注意以下几点：（1）因为输电距离不变，所以输电线长度一定.（2）发电机的输出功率通常认为是恒定的.（3）输电导线上的电能损失往往要求不能超过某一规定值.（4）记熟两个基本公式：电压关系： U 升 =U 降 +Δ U=IR 线 +U 降能量关系： P 出 =P 损 +P 降 =I2R 线 +IU 降 =IU 升●备课资料汽油机点火装置的工作原理汽车中汽油发动机的点火装置是利用感应圈的原理制成的.感应圈是互感现象的重要应用之一.它实际上就是一个小功率的升压变压器.它能将十几伏的直流低电压变成数万伏的高电压，是科学实验中经常用来取得高压的一种电源设备.感应圈的结构示意图如图 1 所示，主体部分是在一个用许多薄硅钢片叠合而成的直条形铁芯上套有两个线圈的变压器，初级线圈绕在里层，次级线圈绕在外层，层间有良好绝缘，整个变压器经过绝缘处理后放进胶木外套筒中，空隙处灌满了很厚的一层石蜡.7图 1我们知道，恒定直流电是不能变压的.但不断的接通与切断直流电路却可以产生互感电动势，这表明断续的脉动直流电可以进行电压变换.这里通断电流的机构是采用一个最简单的电磁式断续器.当螺旋调节器触点 Z 与带有铁头的弹簧片 P 接触时，合上电源开关 S，初级线圈中有直流电通过，于是铁芯被磁化吸引弹簧片，但此时却切断了电路；铁芯失去磁性便放开弹簧片，弹簧片又与触点 Z 接触，电路再度被接通.如此不断的重复下去，低压恒定直流电就变成了脉动直流电.由于初级线圈自感作用的结果，电流不能突然增大，也不能突然减小，因而变成上升被阻拦，下降被拖延的脉动直流.其波形如图 2（ a）所示.图中 Δ t1时间内的曲线表示电路接通时，电流上升的情形，而 Δ t2时间内的曲线则表示电路断开时，电流下降的情形，我们知道，由于初级线圈电流的变化，在初级和次级线圈中都会感应出电动势.电流的变化率越大，感应电动势也就越高.由图可见，由于电路断开时电流的变化率比电路接通时电流的变化率要大得多，所以电路断开时感应电动势也比接通时高得多.图2（ b）中画出了次级的电动势 e2的变化波形.由图可见，在电路接通时（Δ t1时间内） ，感应电动势较小，而电路断开时（Δ t2时间内） ，感应电动势上升至较大的数值.如果次级两端点 D、 D′相距较近，则感应电动势的正向与负向的值都可使 DD′间的空气击穿而发生强烈的火花放电.这时，次级线圈中就有交变电流通过，其电流变化的规律与电动势变化的规律相同，仍如图 2（ b）所示.但是如果 D、 D′相距较远，则当电路接通时，次级的感应电动势较小.不足以使空气击穿放电，此时次级线圈没有电流通过；只有当电路断开时，由于次级感应电动势很大， DD′间的空气被击穿放电，次级线圈中才有电流通过.所以这时次级的电流是脉冲的直流电，如图 2（ c）所示.图 2由于初级线圈的自感系数较大，当电路断开时，电流的变化率又很大，所以此时可产生约几百伏的自感电动势，比直流电源的电压要高得多.而且，因为次级线圈的匝数 N2约为初级线圈匝数 N1的 300 倍左右，次级线圈的电压将比初级线圈的电动势高约 300 倍，所以，次级线圈的电动势可以达到一万伏乃至几万伏的高压.因为学生已经知道自感电动势的大小与电流的变化率有关，所以上述内容可适当的进行补8充，以利于学生理解自感及变压器. 1变压器●本节教材分析变压器是交变电路中常见的一种电器设备，也是远距离输送交流电不可缺少的装置.在讲解变压器的原理时，要积极引导学生从电磁感应的角度说明：原线圈上加交流电压产生交流电流，铁芯中产生交变磁通量，副线圈中产生交变电动势，副线圈相当于交流电源对外界负载供电.要向学生强调，从能量转换的角度看，变压器是把电能通过磁场能转换成电能的装置，经过转换后一般电压、电流都发生了变化.有的学生认为变压器铁芯是带电的.针对这种错误认识，可让学生根据电磁感应原理，经过独立思考了解到变压器铁芯并不带电，铁芯内部有磁场（铁芯外部磁场很弱）.要让学生明白，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.因而，其中的感应电动势之比只与匝数有关.这样，原副线圈的匝数不同，就可以改变电压了.要使学生明白，理想变压器是忽略了变压器中的能量损耗，它的输出功率与输入功率相等，这样才得出原、副线圈的电压、电流与匝数的关系.在解决有两个副线圈的变压器的问题时，不做统一的要求，不必急于去分析这类问题，对学有余力的学生，可引导他们进行分析讨论.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、实物或参观，以开阔学生眼界，增加实际知识. ●教学目标一、知识目标1.知道变压器的构造.2.理解互感现象，理解变压器的工作原理.3.理解理想变压器原、副线圈中电压与匝数的关系，能应用它分析解决有关问题.4.理解理想变压器原、副线圈中电流与匝数的关系，能应用它分析解决有关问题.5.知道课本中介绍的几种常见的变压器.二、技能目标1.用电磁感应去理解变压的工作原理，培养学生综合应用所学知识的能力.2.讲解理想变压器使学生了解建立物理模型的意义.（抓主要因素，忽略次要因素，排除无关因素）三、情感态度目标1.使学生体会到能量守恒定律是普遍适用的.2.培养学生实事求是的科学态度. ●教学重点变压器工作原理. ●教学难点变压器是如何将原线圈的电能传输给副线圈的. ●教学方法实验探究、演绎推理. ●教学用具可拆变压器、交流电压表、交流电流表、灯泡、自耦变压器、调压器、导线等. ●课时安排1 课时2●教学过程一、引入新课［师］在实际应用中，常常需要改变交流的电压.大型发电机发出的交流，电压有几万伏，而远距离输电却需要高达几十万伏的电压.各种用电设备所需的电压也各不相同.电灯、电饭煲、洗衣机等家用电器需要 220 V 的电压，机床上的照明灯需要 36 V 的安全电压.一般半导体收音机的电源电压不超过 10 V，而电视机显像管却需要 10000 V 以上的高电压.交流便于改变电压，以适应各种不同需要.变压器就是改变交流电压的设备.这节课我们学习变压器的有关知识.二、新课教学1.变压器原理［师］出示可拆变压器，引导学生观察，变压器主要由哪几部分构成？［生］变压器是由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成.一个线圈跟电源连接，叫原线圈（初级线圈） ，另一个线圈跟负载连接，叫副线圈（次级线圈）.两个线圈都是绝缘导线绕制成的.铁芯由涂有绝缘漆的硅钢片叠合而成.［师］画出变压器的结构示意图和符号，如下图所示：［演示］将原线圈接照明电源，交流电压表接到不同的副线圈上，观察交流电压表是否有示数？［生］电压表有示数且示数不同.［师］变压器原、副线圈的电路并不相同，副线圈两端的交流电压是如何产生的？请同学们从电磁感应的角度去思考.［生］在原线圈上加交变电压 U1，原线圈中就有交变电流，它在铁芯中产生交变的磁通量.这个交变磁通量既穿过原线圈，也穿过副线圈，在原、副线圈中都要引起感应电动势.如副线圈是闭合的，在副线圈中就产生交变电流，它也在铁芯中产生交变的磁通量，在原、副线圈中同样引起感应电动势.副线圈两端的电压就是这样产生的.［师］物理上把原副线圈中由于有交变电流而发生的互相感应现象，叫做互感现象.互感现象是变压器工作的基础.［生］变压器的铁芯起什么作用？［师］如果无铁芯，并排放置的原副线圈也发生互感现象，但原副线圈所激发的交变磁场的磁感线只有一小部分穿过对方，漏失的磁感线不会在原副线圈中传送电能.如有铁芯，由于磁化，绝大部分磁感线集中在铁芯内部，大大提高了变压器的效率.［生］原副线圈中，感应电动势大小跟什么有关系？［师］与线圈中磁通量变化率及线圈匝数成正比.师生共同活动：实验探究得出理想变压器得变比关系推导理想变压器的变压比公式.设原线圈的匝数为 N1，副线圈的匝数为 N2，穿过铁芯的磁通量为 Φ，则原副线圈中产生的感应电动势分别为3E1=N1 ΔtE2=N2 t在忽略漏磁的情况下，Δ Φ 1=Δ Φ 2，由此可得21在忽略线圈电阻的情况下，原线圈两端的电压 U1与感应电动势 E1相等，则有 U1=E1；副线圈两端的电压 U2与感应电动势 E2相等，则有 U2=E2.于是得到21N［师］请同学们阅读教材，回答下列问题：（1）什么叫理想变压器？（2）什么叫升压变压器？（3）什么叫降压变压器？（4）电视机里的变压器和复读机里的变压器各属于哪一类变压器？［生 1］忽略原、副线圈的电阻和各种电磁能量损失的变压器，叫做理想变压器.［生 2］当 N2＞ N1时， U2＞ U1，这样的变压器叫升压变压器.［生 3］当 N2＜ N1时， U2＜ U1，这样的变压器叫降压变压器.［生 4］电视机里的变压器将 220 V 电压升高到 10000 V 以上属升压变压器；复读机的变压器将 220 V 电压降到 6 V，属于降压变压器.［师］理想变压器原线圈的输入功率与副线圈的输出功率有什么关系？［生］ P 出 =P 入［师］若理想变压器只有一个副线圈，则原副线圈中的电流 I1与 I2有什么关系？［生］据 P 出 =U2I2， P 入 =U1I1及 P 出 =P 入 得：U2I2=U1I1则： 122N［师］绕制原副线圈的导线粗细一样吗？［生］粗细不一样.高压线圈匝数多而通过的电流小，用较细的导线；低压线圈匝数少而通过的电流大，用较粗的导线.2.几种常见的变压器［师］变压器的种类很多，请同学们阅读教材，了解几种常见的变压器，并回答下列问题：（1）自耦变压器有何特点？（2）自耦变压器如何作升压变压器？又如何作降压变压器？（3）互感器分为哪几类？（4）电压互感器的作用是什么？（5）电流互感器的作用是什么？4［生 1］自耦变压器只有一个线圈，滑动头位置变化时，输出电压会连续发生变化.［生 2］若把整个线圈作副线圈，线圈的一部分作原线圈，为升压变压器；若把线圈的一部分作副线圈，整个线圈作原线圈，为降压变压器.［生 3］互感器分为两类，即电压互感器和电流互感器.［生 4］电压互感器用来把高电压变成低电压.它的原线圈并联在高压电路中，副线圈上接入交流电压表，根据电压表测得的电压 U2和变压比，就可以算出高压电路中的电压.［生 5］电流互感器用来把大电流变成小电流.它的原线圈串联在被测电路中，副线圈上接入交流电流表.根据电流表测得的电流 I2和变流比，可以算出被测电路中的电流.三、小结本节课主要学习了以下内容：1.变压器主要由铁芯和线圈组成.2.变压器可改变交变电的电压和电流，利用了原副线圈的互感现象.3.理想变压器：忽略一切电磁损耗，有P 输出 =P 输入 21NU12NI4.日常生活和生产中使用各种类型的变压器，但它们遵循同样的原理.四、作业（略）五、板书设计六、本节优化训练设计1.理想变压器原、副线圈匝数比为 n1∶ n2=10∶1, 如图所示.在原线圈中输入交变电压，其瞬时表达式为 U1=220 sin(100πt ) V，在副线圈两端接入一灯泡和一只交流电压表，下2面说法正确的是5A.电压表的示数 220 VB.电压表的指针周期性左右偏转C.输出交变电压频率减为 5 HzD.灯泡承受电压的最大值是 220 V2.（1993 年全国）如图所示，一理想变压器的原、副线圈分别由双线 ab 和 cd（匝数都为n1） ， ef 和 gh（匝数都为 n2）组成，用 I1和 U1表示输入电流和电压， I2和 U2表示输出电流和电压.在下列四种连接中，符合 的是122,nA.b 与 c 连接，以 a、 d 为输入端； f 与 g 相连，以 e、h 为输出端B.b 与 c 相连，以 a、 d 为输入端； e 与 g 相连， f 与 h 相连为输出端C.a 与 c 相连， b 与 d 相连为输入端； f 与 g 相连，以 e、 h 为输出端D.a 与 c 相连， b 与 d 相连为输入端； e 与 g 相连， f、 h 相连为输出端3.如图所示的理想变压器供电线路中，若将开关 S 闭合，电流表 A1的示数将_______，电流表 A2的示数将_______，电流表 A3的示数将_______，电压表 V1的示数将_______，电压表 V2将_______.（不考虑输电线电压损耗）4.如图，在 a、 b 两端与 e、 f 两端分别加上 220 V 交流电压时，测得 c、 d 间与 g、 h 间电压均为 110 V，若分别在 c、 d 间与 g、 h 间加 110 V 电压，则 a、 b 间与 e、 f 间电压分别为6A.220 V，220 V B.220 V，110 VC.110 V，110 V D.220 V，05.在绕制变压器时，将两个线圈绕在如图变压器铁芯的左右两臂上，当通以交流电时，每个线圈产生的磁通量都只有一半通过另一个线圈，另一半通过中间的臂.已知线圈 1、2 的匝数比 N1∶ N2=2∶1，在不接负载情况下A.当线圈 1 输入电压 220 V 时，线圈 2 输出 110 VB.当线圈 1 输入电压 220 V 时，线圈 2 输出电压 55 VC.当线圈 2 输入电压 110 V 时，线圈 1 输出电压 220 VD.当线圈 2 输入电压 110 V 时，线圈 1 输出电压 110 V参考答案：1.A 2.AD 3.V1、 V2均不变， A1变大， A2不变， A3变大4.B 5.D ●备课资料理想变压器与实际变压器理想变压器是对实际变压器作理想化处理后得到的结果.中学物理教材对变压器的讨论，都是在理想化基础上进行的，即认为变压器线圈电阻为零，磁通量全部集中在铁芯中以及变压器运行时内部损耗忽略不计.由此导出原、副绕组的电压平衡方程： U1=E1， U2=E2；电压关系： ;电流关系： 和功率传输关系： P1=P2.21NU12NI上述关系基本上反映了变压器的运行规律，但理想变压器与实际变压器存在一定的差距，在某些条件下，这种差距还相当大，以致个别公式并不适用.下面从四个方面作进一步分析.（1）原、副绕组的电压平衡方程实际变压器考虑了线圈电阻以及漏磁通的影响，因此其电压平衡方程为：空载时；负载运行时.式中 R1、 X1和 R2、 X2分别为原副绕组的电阻和漏电抗， 为空载电流， 为副0I20U边开路电压.7由于电流 （ I0）在 R1、X 1上的压降与主磁感应电动势 相比数值很小，可以忽略，故1 1E有 =- .同理，如将 在 R2和 X2上产生的压降忽略，则在空载和负载下，均有 =UEI 2U.仅考虑数值大小，我们就得到了理想变压器的电压平衡方程： = ， = .不2 1E过从下面的分析可知， U2=E2的处理是近似的.（2）原、副绕组的电压关系式对于实际变压器，空载时有 U1 E1,U20=E2，因此 = .负载时从图所示的20121EN外特性曲线可知，当负载为电阻性及电感性时， U2随 I2的增大而下降，并且功率因数cosφ 2愈小， U2下降愈厉害；当负载为电容性时， U2随 I2的增大而升高， U2≠ E2,故 ≠1.不过由于电压变动率一般在 5%左右，所以近似认为 = ，即理想变压器21NE 21N的电压关系成立.（3）原、副绕组的电流关系由磁势平衡方程，可得到实际变压器原、副绕组的电流关系： .因为变压2101II器运行在额定负载时， 只占 的百分之几，故可略去，即有 .如只考虑数0I1 21INI值关系，则有 ，这就是理想变压器的电流关系式.12NI这里我们要指出，当变压器运行在轻载或空载状态时， I1/I2=N2/N1不成立，原因是此时与 相比，绝对不可以忽略.0I1（4）功率传输关系及效率8效率曲线实际变压器输入、输出功率关系为 P1=PFe+PCu+P2，式中 PFe为铁损，包括磁滞损耗和涡流损耗； PCu为铜损，即电流在线圈电阻上消耗的功率.变压器的效率 η =P1/P2×100%,效率 η与输出功率的关系如图所示.如忽略 PFe和 PCu，则得到理想变压器功率传输关系： P1=P2和 η =100%.由于大型变压器运行在额定值附近时，效率可达 97%~99.5%，故此时理想变压的关系式均成立.不过请注意，当变压器在轻载和空载条件下运行，其效率是比较低的，也就是此时 P1=P2、 η =100%均不成立.