“交流電的產(chǎn)生”教學(xué)設(shè)計(jì)

鄒勤+代偉+王丹+王玉涵+彭鐘樊

摘 要：交流電的產(chǎn)生是高中電磁學(xué)的重要教學(xué)內(nèi)容，本節(jié)內(nèi)容旨在讓學(xué)生利用已學(xué)習(xí)的電磁感應(yīng)、楞次定律和右手定則等知識(shí)去解決生活中有關(guān)交流電的一些實(shí)際問(wèn)題，讓學(xué)生學(xué)會(huì)從生活走向物理，從物理走向社會(huì)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。

關(guān)鍵詞：交流電；教學(xué)設(shè)計(jì)；大小變化；方向變化

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2017）4-0028-4

物理教材選修3-1中對(duì)交流電的產(chǎn)生在編寫(xiě)時(shí)相對(duì)簡(jiǎn)單，大都是僅僅停留在理論分析階段，而對(duì)于自主學(xué)習(xí)能力還不強(qiáng)的高中生而言，對(duì)交流電大小和方向的變化規(guī)律理解起來(lái)有一定難度，大多數(shù)學(xué)生都只知道交流電的大小和方向會(huì)變，但對(duì)具體的變化規(guī)律的原理并沒(méi)完全理解。因此，如何讓學(xué)生自主地利用已學(xué)的電磁學(xué)知識(shí)解釋交流電的產(chǎn)生，并深刻理解交流電方向和大小的變化規(guī)律，這對(duì)于本節(jié)知識(shí)的教學(xué)來(lái)說(shuō)是重點(diǎn)，也是衡量本節(jié)知識(shí)教學(xué)效果的重要標(biāo)尺。為此，本文利用自制實(shí)驗(yàn)教具設(shè)計(jì)了“交流電的產(chǎn)生”的教學(xué)方案，通過(guò)本方案實(shí)施教學(xué)能很好地突破教學(xué)難點(diǎn)。

1 課前回顧

演示實(shí)驗(yàn)1：課前演示簡(jiǎn)易直流電動(dòng)機(jī)模型（如圖1所示）。向?qū)W生簡(jiǎn)單介紹，干電池為銅絲環(huán)提供了直流電，而通電的銅絲環(huán)在磁鐵提供的磁場(chǎng)中受到安培力的作用，銅絲環(huán)就可繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，構(gòu)成一簡(jiǎn)易直流電動(dòng)機(jī)。

教師提問(wèn)：（1）我們觀察到什么現(xiàn)象？（2）干電池為銅絲環(huán)提供的是什么電流？學(xué)生通過(guò)思考和回顧，得出干電池提供的是穩(wěn)恒直流電。

【設(shè)計(jì)意圖】 利用小實(shí)驗(yàn)，吸引學(xué)生的注意力，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，為接下的“交流電的產(chǎn)生”教學(xué)作鋪墊。

2 創(chuàng)設(shè)情境，新課引入

活動(dòng)：讓學(xué)生觀察圖2，讓學(xué)生自主列舉日常生活中有哪些家用電器使用的是交流電，即一種大小和方向都隨時(shí)間周期性變化的電流。

教師提問(wèn)：這種隨時(shí)間變化的“神奇”電流究竟是如何產(chǎn)生的呢？

【設(shè)計(jì)意圖】 引入生活情境，結(jié)合學(xué)生以往學(xué)習(xí)的知識(shí)， 幫助學(xué)生回顧交流電的定義。為新課“交流電的產(chǎn)生”作鋪墊。

3 新課教學(xué)

介紹圖3所示的交流發(fā)電機(jī)模型。講清楚什么是定子？什么是電樞？什么是集電環(huán)？什么是轉(zhuǎn)子和電刷？

【設(shè)計(jì)意圖】 當(dāng)學(xué)生了解交流發(fā)電機(jī)模型后，急切地想知道交流電究竟是如何產(chǎn)生的，為什么交流電的大小和方向是變化的？為下面介紹自制教具打下理論基礎(chǔ)。

【自制教具】介紹如圖4所示的自制交流發(fā)電機(jī)。教具是對(duì)照于圖3的模型制作，由兩組強(qiáng)磁鐵，一個(gè)多匝矩形線圈，一個(gè)集電環(huán)和一對(duì)電刷構(gòu)成。為了檢驗(yàn)和演示電流的方向，將兩組反向并聯(lián)的發(fā)光二極管接在了電刷兩端。在教具的一側(cè)放置一個(gè)滿天星激光筆，目的是用滿天星激光筆的光點(diǎn)模擬磁鐵的磁感線。為了便于描述線圈中電流的流動(dòng)方向，線圈四個(gè)角上標(biāo)注了A、B、C、D。

演示實(shí)驗(yàn)1：打開(kāi)滿天星激光筆，線圈平面中出現(xiàn)許多模擬磁感線的光點(diǎn)。打開(kāi)電動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)，讓它帶動(dòng)線圈開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。叫學(xué)生觀察兩組二極管的發(fā)光情況。

教師提問(wèn)：

（1）兩組二極管的發(fā)光規(guī)律是什么？

（2）運(yùn)用前面所學(xué)的電磁感應(yīng)知識(shí)，思考兩組二極管為什么會(huì)發(fā)光以及出現(xiàn)交替發(fā)光的現(xiàn)象可以說(shuō)明什么？

學(xué)生通過(guò)思考和教師的點(diǎn)撥可以總結(jié)出，線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)切割磁感線會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，而線圈處于閉合回路中，那么回路中就會(huì)有感應(yīng)電流，兩組二極管就能交替發(fā)光。而二極管具有單向?qū)щ娦裕瑑山M二極管又是反向并聯(lián)的，因此兩組二極管的交替發(fā)光可以說(shuō)明回路中電流的方向在發(fā)生變化。

（3）為什么電流方向會(huì)發(fā)生改變？電流方向的變化有什么規(guī)律嗎？

【設(shè)計(jì)意圖】利用自制教具進(jìn)行演示激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生觀察并利用已學(xué)的電磁感應(yīng)知識(shí)自主解釋相關(guān)現(xiàn)象，從而增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)信心。進(jìn)一步提問(wèn)設(shè)置懸念，激發(fā)學(xué)生的探究欲望。

（一）探究交流電方向的變化規(guī)律

利用自制教具引導(dǎo)學(xué)生探究交流電方向的變化規(guī)律。為了方便描述，將線圈轉(zhuǎn)一周分為：區(qū)域一、區(qū)域二、區(qū)域三和區(qū)域四，如圖5所示。

以線圈藍(lán)邊在上端作為起點(diǎn)讓線圈順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)， 當(dāng)線圈由豎直位置開(kāi)始在區(qū)域一轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，線圈平面的光點(diǎn)數(shù)在減少，即線圈的磁通量減小，根據(jù)楞次定律可以判定，此時(shí)感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)方向相同。通過(guò)右手螺旋定則可以判定電流沿ABCD流向；當(dāng)線圈藍(lán)邊轉(zhuǎn)向區(qū)域二時(shí)，此時(shí)線圈平面的光點(diǎn)數(shù)在增多，即磁通量在增大，同樣根據(jù)楞次定律、右手螺旋定則可以判定電流仍沿ABCD流向。

教師讓線圈藍(lán)邊在區(qū)域一、二運(yùn)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生觀察二極管的發(fā)光情況。（學(xué)生：紅色二極管發(fā)光）

當(dāng)線圈轉(zhuǎn)至區(qū)域三、區(qū)域四時(shí)，讓學(xué)生運(yùn)用前面老師使用的方法，自主進(jìn)行判斷線圈中感應(yīng)電流的方向。此時(shí)，學(xué)生可以得出：當(dāng)線圈轉(zhuǎn)至區(qū)域三、區(qū)域四時(shí)，感應(yīng)電流的方向均為DCBA流向。教師將線圈藍(lán)邊在三、四區(qū)域轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，同學(xué)觀察到此時(shí)藍(lán)色二極管發(fā)光。

引導(dǎo)學(xué)生觀察總結(jié)表格（如表1），當(dāng)線圈藍(lán)邊在一、二區(qū)域轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電流為ABCD流向，紅色二極管發(fā)光；當(dāng)轉(zhuǎn)向三、四區(qū)域時(shí)電流反向，為DCBA流向，此時(shí)藍(lán)色二極管發(fā)光。如果用ABCD表示電流的正方向，則電流便是以豎直平面為界正、負(fù)交替變化。而豎直平面這個(gè)位置稱為中性面，交流電方向便是以中性面為界周期性變化的。

【設(shè)計(jì)意圖】 對(duì)高二學(xué)生來(lái)說(shuō)理解交流電方向變化規(guī)律抽象度較高，有一定困難。因此，教師利用自制教具線圈平面中激光點(diǎn)的變化來(lái)幫助學(xué)生理解穿過(guò)線圈磁通量的變化規(guī)律，讓學(xué)生對(duì)交流電方向變化規(guī)律的理解變得容易。

（二）探究交流電大小變化規(guī)律

通過(guò)上一章電磁感應(yīng)的學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生從線圈切割磁感線的角度來(lái)對(duì)交流電的大小進(jìn)行分析。如圖6所示，讓線圈以ω的角速度做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，同樣以線圈藍(lán)邊為研究對(duì)象，可以知道在t時(shí)間內(nèi)線圈藍(lán)邊轉(zhuǎn)過(guò)的角度θ=ωt。令A(yù)B、CD邊長(zhǎng)為L(zhǎng)1，BC、AD邊長(zhǎng)為L(zhǎng)2。線圈藍(lán)邊在任意時(shí)刻的線速度v=ω·。但只有當(dāng)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)線切割磁感線時(shí)才會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，因此，引導(dǎo)學(xué)生將線速度v分解為垂直于磁感線方向的v1和平行于磁感線方向的v2。那么，AB邊的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)由電磁感應(yīng)定律可知為eAB=BL1v1，即eAB=BL1ωsinωt。

教師提問(wèn)：知道了線圈AB邊的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，那整個(gè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)又是多少呢？

引導(dǎo)學(xué)生觀察AD、BC邊始終平行于磁感線，不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。因此，線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是由AB、CD兩邊來(lái)提供。由于AB、CD兩邊線速度大小相等，因此產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小也是相等的。運(yùn)用右手定則可知，兩邊電動(dòng)勢(shì)屬于串聯(lián)。而又考慮到一個(gè)實(shí)際線圈的匝數(shù)為N匝，因此一個(gè)N匝線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e=2N·eAB。將AB邊的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)代入可以得到線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式，即e=NBL1L2ωsinωt=NBSωsinωt=Emsinωt。S為矩形線圈的面積，Em為最大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

根據(jù)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)表達(dá)式作出線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和時(shí)間的關(guān)系圖像（如圖7所示）。

線圈中產(chǎn)生的交流電大小和時(shí)間的關(guān)系圖像如圖8所示。

（三）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)以上的理論分析，學(xué)生知道了線圈在磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生大小和方向隨時(shí)間周期性改變的交流電，那實(shí)際是否真如此呢？

演示實(shí)驗(yàn)2：將檢流計(jì)與線圈回路串聯(lián)，打開(kāi)電動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)，線圈在磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，讓學(xué)生觀察檢流計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)情況。

老師提問(wèn)：檢流計(jì)指針有什么變化？學(xué)生通過(guò)觀察可以得出，檢流計(jì)指針在零刻度線左右來(lái)回?cái)[動(dòng)，且左右兩邊偏轉(zhuǎn)的角度大致相等，從而通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論分析正確。

（四）知識(shí)拓展

介紹生活中其他種類的交流電，如圖9所示。生活中的交流發(fā)電機(jī)，如圖10所示。

通過(guò)圖片讓學(xué)生了解，實(shí)際生活中的交流發(fā)電機(jī)其實(shí)是線圈不動(dòng)而磁極轉(zhuǎn)動(dòng)的，其動(dòng)力來(lái)源主要是火力、水力和風(fēng)能等。

【設(shè)計(jì)意圖】 拓展知識(shí)，讓物理知識(shí)與生活相聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生對(duì)物理學(xué)習(xí)的興趣。

4 結(jié)束語(yǔ)

物理源于生活，交流電與人們的日常生活息息相關(guān)，但高二學(xué)生對(duì)交流電變化規(guī)律的理解還是有一定難度。本節(jié)課借助自制教具讓學(xué)生通過(guò)觀察線圈平面滿天星激光器的光點(diǎn)數(shù)和二極管的發(fā)光情況輕松理解交流電方向的變化規(guī)律，通過(guò)觀察檢流計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)情況理解交流電的大小變化規(guī)律就容易得多。所以，利用自制教具開(kāi)展“交流電的產(chǎn)生”教學(xué)就能很好地突出教學(xué)重點(diǎn)，突破教學(xué)難點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]傅明峰.以課程目標(biāo)為導(dǎo)向的課例設(shè)計(jì)新探——談《交變電流的產(chǎn)生和描述》一節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)[J].物理教學(xué)探討，2013，31（11）：74-80.

[2]向容德.《交流電的產(chǎn)生》教學(xué)設(shè)計(jì)[J].電化教育，1994（9）：26-27.

（欄目編輯 鄧 磊）