“交流电的产生”教学设计

总结出，线圈在磁场中转动切割磁感线会产生感应电动势，而线圈处于闭合回路中，那么回路中就会有感应电流，两组二极管就能交替发光。而二极管具有单向导电性，两组二极管又是反向并联的，因此两组二极管的交替发光可以说明回路中电流的方向在发生变化。

（3）为什么电流方向会发生改变？电流方向的变化有什么规律吗？

【設计意图】利用自制教具进行演示激发学生的学习兴趣，引导学生观察并利用已学的电磁感应知识自主解释相关现象，从而增强学生的学习信心。进一步提问设置悬念，激发学生的探究欲望。

（一）探究交流电方向的变化规律

利用自制教具引导学生探究交流电方向的变化规律。为了方便描述，将线圈转一周分为：区域一、区域二、区域三和区域四，如图5所示。

以线圈蓝边在上端作为起点让线圈顺时针转动， 当线圈由竖直位置开始在区域一转动时，线圈平面的光点数在减少，即线圈的磁通量减小，根据楞次定律可以判定，此时感应电流的磁场方向与原磁场方向相同。通过右手螺旋定则可以判定电流沿ABCD流向；当线圈蓝边转向区域二时，此时线圈平面的光点数在增多，即磁通量在增大，同样根据楞次定律、右手螺旋定则可以判定电流仍沿ABCD流向。

教师让线圈蓝边在区域一、二运动，引导学生观察二极管的发光情况。（学生：红色二极管发光）

当线圈转至区域三、区域四时，让学生运用前面老师使用的方法，自主进行判断线圈中感应电流的方向。此时，学生可以得出：当线圈转至区域三、区域四时，感应电流的方向均为DCBA流向。教师将线圈蓝边在三、四区域转动时，同学观察到此时蓝色二极管发光。

引导学生观察总结表格（如表1），当线圈蓝边在一、二区域转动时，电流为ABCD流向，红色二极管发光；当转向三、四区域时电流反向，为DCBA流向，此时蓝色二极管发光。如果用ABCD表示电流的正方向，则电流便是以竖直平面为界正、负交替变化。而竖直平面这个位置称为中性面，交流电方向便是以中性面为界周期性变化的。

【设计意图】 对高二学生来说理解交流电方向变化规律抽象度较高，有一定困难。因此，教师利用自制教具线圈平面中激光点的变化来帮助学生理解穿过线圈磁通量的变化规律，让学生对交流电方向变化规律的理解变得容易。

（二）探究交流电大小变化规律

通过上一章电磁感应的学习，引导学生从线圈切割磁感线的角度来对交流电的大小进行分析。如图6所示，让线圈以ω的角速度做匀速转动，同样以线圈蓝边为研究对象，可以知道在t时间内线圈蓝边转过的角度θ=ωt。令AB、CD边长为L1，BC、AD边长为L2。线圈蓝边在任意时刻的线速度v=ω·。但只有当运动导线切割磁感线时才会产生感应电动势，因此，引导学生将线速度v分解为垂直于磁感线方向的v1和平行于磁感线方向的v2。那么，AB边的感应电动势由电磁感应定律可知为eAB=BL1v1，即eAB=BL1ωsinωt。

教师提问：知道了线圈AB边的感应电动势，那整个线圈的感应电动势又是多少呢？

引导学生观察AD、BC边始终平行于磁感线，不会产生感应电动势。因此，线圈的感应电动势是由AB、CD两边来提供。由于AB、CD两边线速度大小相等，因此产生的感应电动势大小也是相等的。运用右手定则可知，两边电动势属于串联。而又考虑到一个实际线圈的匝数为N匝，因此一个N匝线圈的感应电动势e=2N·eAB。将AB边的感应电动势代入可以得到线圈感应电动势的表达式，即e=NBL1L2ωsinωt=NBSωsinωt=Emsinωt。S为矩形线圈的面积，Em为最大感应电动势。

根据线圈感应电动势表达式作出线圈感应电动势和时间的关系图像（如图7所示）。

线圈中产生的交流电大小和时间的关系图像如图8所示。

（三）实验验证

通过以上的理论分析，学生知道了线圈在磁场中匀速转动时就会产生大小和方向随时间周期性改变的交流电，那实际是否真如此呢？

演示实验2：将检流计与线圈回路串联，打开电动机开关，线圈在磁场中匀速转动，让学生观察检流计指针的偏转情况。

老师提问：检流计指针有什么变化？学生通过观察可以得出，检流计指针在零刻度线左右来回摆动，且左右两边偏转的角度大致相等，从而通过实验验证理论分析正确。

（四）知识拓展

介绍生活中其他种类的交流电，如图9所示。生活中的交流发电机，如图10所示。

通过图片讓学生了解，实际生活中的交流发电机其实是线圈不动而磁极转动的，其动力来源主要是火力、水力和风能等。

【设计意图】 拓展知识，让物理知识与生活相联系，激发学生对物理学习的兴趣。

4 结束语

物理源于生活，交流电与人们的日常生活息息相关，但高二学生对交流电变化规律的理解还是有一定难度。本节课借助自制教具让学生通过观察线圈平面满天星激光器的光点数和二极管的发光情况轻松理解交流电方向的变化规律，通过观察检流计指针的偏转情况理解交流电的大小变化规律就容易得多。所以，利用自制教具开展“交流电的产生”教学就能很好地突出教学重点，突破教学难点。

参考文献：

[1]傅明峰.以课程目标为导向的课例设计新探——谈《交变电流的产生和描述》一节教学设计[J].物理教学探讨，2013，31（11）：74-80.

[2]向容德.《交流电的产生》教学设计[J].电化教育，1994（9）：26-27.

（栏目编辑 邓 磊）

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