“交流电的产生”教学设计

邹勤+代伟+王丹+王玉涵+彭钟樊

摘 要：交流电的产生是高中电磁学的重要教学内容，本节内容旨在让学生利用已学习的电磁感应、楞次定律和右手定则等知识去解决生活中有关交流电的一些实际问题，让学生学会从生活走向物理，从物理走向社会，激发学生学习物理的兴趣。

关键词：交流电；教学设计；大小变化；方向变化

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）4-0028-4

物理教材选修3-1中对交流电的产生在编写时相对简单，大都是仅仅停留在理论分析阶段，而对于自主学习能力还不强的高中生而言，对交流电大小和方向的变化规律理解起来有一定难度，大多数学生都只知道交流电的大小和方向会变，但对具体的变化规律的原理并没完全理解。因此，如何让学生自主地利用已学的电磁学知识解释交流电的产生，并深刻理解交流电方向和大小的变化规律，这对于本节知识的教学来说是重点，也是衡量本节知识教学效果的重要标尺。为此，本文利用自制实验教具设计了“交流电的产生”的教学方案，通过本方案实施教学能很好地突破教学难点。

1 课前回顾

演示实验1：课前演示简易直流电动机模型（如图1所示）。向学生简单介绍，干电池为铜丝环提供了直流电，而通电的铜丝环在磁铁提供的磁场中受到安培力的作用，铜丝环就可绕轴转动，构成一简易直流电动机。

教师提问：（1）我们观察到什么现象？（2）干电池为铜丝环提供的是什么电流？学生通过思考和回顾，得出干电池提供的是稳恒直流电。

【设计意图】 利用小实验，吸引学生的注意力，调动学生的积极性，为接下的“交流电的产生”教学作铺垫。

2 创设情境，新课引入

活动：让学生观察图2，让学生自主列举日常生活中有哪些家用电器使用的是交流电，即一种大小和方向都随时间周期性变化的电流。

教师提问：这种随时间变化的“神奇”电流究竟是如何产生的呢？

【设计意图】 引入生活情境，结合学生以往学习的知识， 帮助学生回顾交流电的定义。为新课“交流电的产生”作铺垫。

3 新课教学

介绍图3所示的交流发电机模型。讲清楚什么是定子？什么是电枢？什么是集电环？什么是转子和电刷？

【设计意图】 当学生了解交流发电机模型后，急切地想知道交流电究竟是如何产生的，为什么交流电的大小和方向是变化的？为下面介绍自制教具打下理论基础。

【自制教具】介绍如图4所示的自制交流发电机。教具是对照于图3的模型制作，由两组强磁铁，一个多匝矩形线圈，一个集电环和一对电刷构成。为了检验和演示电流的方向，将两组反向并联的发光二极管接在了电刷两端。在教具的一侧放置一个满天星激光笔，目的是用满天星激光笔的光点模拟磁铁的磁感线。为了便于描述线圈中电流的流动方向，线圈四个角上标注了A、B、C、D。

演示实验1：打开满天星激光笔，线圈平面中出现许多模拟磁感线的光点。打开电动机开关，让它带动线圈开始转动。叫学生观察两组二极管的发光情况。

教师提问：

（1）两组二极管的发光规律是什么？

（2）运用前面所学的电磁感应知识，思考两组二极管为什么会发光以及出现交替发光的现象可以说明什么？

学生通过思考和教师的点拨可以总结出，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）