趙謹（北京市育英學校，高階教師）
第一單元：「交變電流」主題教學研究
一、「交變電流」主題的知識結構與內容分析
（一）「交變電流」的知識框圖
（二）、「交變電流」主題的特點及在中學物理中的作用
「交變電流」包括三個部分：第一部分是交變電流，包括交變電流的概念、產生描述；第二部分是簡單交流電路，包括電感的概念、電感對交變電流的作用，電容的概念、電容對交變電流的作用；第三部分，是變壓器和電能的輸送，包括變壓器的工作原理，變壓器的電壓比和電流比跟變壓器線圈匝數的關係，輸電線上的電能損耗及輸電原理。
「交變電流」突出了3個特點： 第一注重學生的自主學習和**性學習；第二注意將直流與交變電流的特點進行比較；第三重視與實際生活的聯絡。
「交變電流」的知識是《電磁感應》知識的具體應用和延伸，是高中物理電磁學知識的收尾，也是《恆定電流》內容的進一步擴充套件。交變電流的概念多，空間關係複雜，推理能力和運用數學的能力要求比較高，同時還與生活實踐緊密聯絡，綜合性較強。
二、「交變電流」主題的教學策略
（一）「交變電流」主題的高考要求與課標要求
1.「交變電流」的高考要求
2.「交變電流」的課標要求
（1）內容標準
a.知道交變電流，能用函式表示式和圖象描述交變電流。
例1 用示波器觀察交變電流的波形，並測算其峰值和有效值。
b.通過實驗，了解電容器和電感器對交變電流的導通和阻礙作用。
例2 用燈泡或交流電流錶觀察電容器和電感器對交變電流的阻礙作用。
c.通過實驗，**變壓器電壓與匝數的關係。
例3 觀察生活中常見的變壓器，了解其作用。
d了解從變電站到住宅的輸電過程，知道遠距離輸電時應用高電壓的道理。
例4 查閱資料，了解直流輸電的原理，比較交流輸電和直流輸電的特點。
（2）重點
正弦交流電的產生原理分析；
正弦交流電的描述；
交流電有效值的意義；
變壓器工作原理及原副線圈電壓、功率、電流的關係。
（3）難點
交變電流的變化規律及應用和有效值意義。
（4）方法
描述交流電的兩種基本方法（公式法、圖象法），將立體圖轉化為平面圖形的方法。
3.「交變電流」的各部分具體教學要求
（1）交變電流產生的具體教學要求
教學目標:
a.會觀察電流（或電壓）的波形圖，理解交變電流、直流的概念。
b.分析線圈轉動一周中電動勢與電流方向的變化，能對交變電流的產生有比較清楚的了解，具有應用基本原理解決新情景下問題的能力。
c.知道交變電流的變化規律及方法，知道交變電流的峰值、瞬時值的物理含義。
重點、難點：
交變電流的變化規律。
（2）描述交變電流的物理量的的具體教學要求
教學目標：
a.知道交變電流的週期、頻率的含義，以及它們之間的相互關係知道我國生產和生活用電的週期（頻率）大小。
b.知道交變電流的峰值和有效值的意義，能利用有效值定義計算某些交變電流的有效值。
c.會運用正弦交流電有效值公式進行計算。
d.具有運用模擬、遷移的科學方法分析新問題的意識和能力。
重點：交變電流有效值概念。
難點：交變電流有效值概念及計算。
（3）電感和電容對交變電流的影響的具體教學要求
教學目標：
a.通過實驗，了解電感線圈和電容器對交變電流有阻礙和導通作用。
b.知道感抗和容抗的物理意義及其影響因素。
c.通過猜想、設想、實驗、交流合作與分析論證，體驗科學**過程。
重點：電感、電容對交變電流的阻礙作用，感抗、容抗的物理意義。
難點：感抗的概念及影響感抗大小的因素，容抗概念及影響容抗大小的因素。
（4）變壓器的具體教學要求
教學目標：
a.知道幾種常見變壓器的構造，理解變壓器的工作原理。
b.**理想變壓器的原、副線圈中電壓與匝數的關係。
c.了解變壓器在生活中的應用。
重點：通過實驗**理想變壓器的原、副線圈中電壓與匝數的關係。
難點：理想變壓器電壓與匝數的關係的分析推導。
（5）電能的輸送的具體教學要求
教學目標：
a.了解從發電站到變電所再到使用者的過程。知道遠距離輸電時採用高壓輸電的道理。
b.掌握輸電過程中的能量關係。
c.引導學生積極主動探索，發現問題，解決問題在學習知識的同時獲得一定的成就感。
重點：理解高壓輸電可減少功率與電壓損失的原理。
難點：理解高壓輸電原理，區別輸電電壓和損失電壓。
（二）、「交變電流」主題的教學策略
1. 交變電流的產生和描述的教學建議在實驗的基礎上讓學生自主**
（1）首先是重視演示實驗的教學，讓學生在觀察中不斷思考，理解交流電的產生原理。可以通過示波器觀察幾種典型的電流，如恆定電流、正弦交流電、脈衝訊號等，讓學生看到電流的大小和方向都有可能發生改變，引入交流電概念。然後利用交流發電機模型，演示交變變流的產生過程。
觀察到，矩形線圈在勻強磁場中，繞垂直於磁場的轉動軸勻速轉動時，閉合電路中可以產生電流，兩個二極體交替發光可以知道產生的電流是交變電流。注意：演示實驗用高亮度發光二極體效果更好，需要串聯300~500ω的保護電阻。
另外，交流發電機模型輸出的電流可以接入示波器，觀察產生的電流的變化情況。
在前面實驗的基礎上，可以改裝交流發電機模型，讓轉柄轉動一圈，線圈也只能轉動一圈，串入靈敏電流計。盡量慢速均勻的旋轉線圈，讓學生觀察**圈轉動一圈的時間內電流的變化規律。
在利用課件進行展示讓學生進行深入分析和思考，了解交流電的產生及變化規律。
（2）在建立空間模型的基礎上讓學生學會如何將立體圖轉化為平面圖。在交流電的產生的教學中對學生進行畫圖能力的訓練是個很好的素材。也為後面的分析奠定基礎，分散了難度。例如：
（3）在觀察演示實驗的基礎上，讓學生進行深入思考與討論，注重培養學生的自主學習和**性學習的習慣與能力。根據學生的基礎情況，可以提出適合學生的思考題。
例如，在分析交變電流產生原理時，可以提出以下問題：
a.矩形線圈轉動過程中,哪些邊會產生電動勢?
b.怎樣畫出便於分析的平面圖?
c.甲圖所示時刻線圈中電流為多大？**圈由甲轉到乙的過程中，ab中電流向哪個方向流動？大小如何變化？到乙圖所示時刻，線圈中電流大小有何特點?
d.**圈由乙轉到丙的過程中，ab中電流向哪個方向流動？大小如何變化？到丙圖所示時刻，線圈中電流大小有何特點？
e.**圈由丙轉到丁的過程中，ab中電流向哪個方向流動？大小如何變化？到丁圖所示時刻，線圈中電流大小有何特點？
f.**圈由丁轉到甲的過程中，ab中電流向哪個方向流動？大小如何變化？
g.當線圈轉到什麼位置時線圈中沒有電流?轉到什麼位置時電流最大?這些位置磁通量和磁通量的變化率有什麼特點?
h.大致畫出通過電流錶的電流隨時間變化的圖線,從e流向f的電流為正,反之為負。
例如，在分析交變電流電動勢大小隨時間變化規律時，可以提出以下問題：
a.當線圈平面與磁感線垂直時，穿過線圈的磁通量φ的大小？線圈中感應電動勢的大小？感應電流的大小？磁通量變化率的大小？引出中性面的概念。
b.電動勢最大時線圈在哪個位置？此位置時穿過線圈的磁通量φ的大小？線圈的磁通量變化率多大？感應電動勢的最大值是多少？
c.線圈從中性面開始計時，以角速度ω勻速轉動，經時間t 線圈與中性面的夾角多大？ab邊的速度多大？ab邊的速度與磁場方向的夾角? ab邊垂直磁場方向的速度多大?
邊產生的感應電動勢多大? 一匝線圈中的感應電動勢多大? n匝線圈的電動勢多大?
e.線圈從中性面開始計時，以角速度ω勻速轉動，經時間t 線圈的電動勢的瞬時值表示式？
f.畫出線圈從中性面開始計時，以角速度ω勻速轉動，線圈的電動勢隨時間變化的影象。
g.感應電流方向何時改變？線圈轉一周，感應電流方向改變幾次？
h.畫出線圈從中性面開始計時，以角速度ω勻速轉動，穿過線圈的磁通量φ隨時間變化的圖象。
問題提到什麼程度要結合學生的情況，不要過於限制學生的思維，要給學生留有思考的空間，如果學生進行不下去才能提示這些問題。
2. 簡單交流電路，電感、電容對交變電流的作用的教學建議採取四步教學的方法：觀察實驗、分析原因、得出結論、了解應用
（1）電感對交變電流的阻礙作用
a.學生觀察演示實驗。實驗原理如圖所示。實驗現象：接通直流電源時，燈泡亮些；接通交變電流時，燈泡暗些。
b.學生分析原因：感抗是由於通過線圈的電流發生變化產生自感電動勢對電流的變化產生阻礙作用。
接通直流電流瞬間電感線圈也會產生自感現象，對電流的增大有一定的阻礙作用，當電流穩定下來後，線圈就相當於一段導線了，所以穩定時燈泡亮些；接通交變電流時，由於交變電流的大小和方向都在週期性的變化，電感線圈會不停的產生自感現象，阻礙作用電流的增大和減小，所以燈泡暗些。如果電流頻率越高，磁通量變化越快，l越大，產生的自感電動勢越大，阻礙作用越大，感抗也就越大。
c.學生得出結論：電感線圈有「通直流、阻交流，通低頻、阻高頻」特徵。電感對交變電流阻礙作用的大小用感抗表示。感抗的大小公式可以給出來。
d.了解感抗的應用：
(a). 低頻扼流圈：l大，幾十亨。對低頻交變電流有很大的阻礙作用。即「通直流、阻交流」。
(b). 高頻扼流圈：l小，幾毫亨。對低頻交變電流阻礙小，對高頻交變電流阻礙大。即「通低頻、通直流,阻高頻 」
（2）電容對交變電流的阻礙作用
a.學生觀察演示實驗。實驗原理如圖所示。
實驗現象1：接通直流電源時，燈泡亮一下就熄滅；接通交變電流時，燈泡一直亮著。
實驗現象2：觀察閉合電鍵前後，電路中不接電容器比接電容器時小燈泡亮得多。
b.學生分析原因1： 因電容器的兩個極板被絕緣介質隔開，故直流不能通過，交流電流「通過」電容器的過程實質是電容器充放電過程，而不是電流真正通過電容器的電介質。
分析原因2： 由於電容器的充放電，對電流也有一定的阻礙作用。電容越大,在同樣電壓下電容器容納電荷越多，因此充放電的電流越大，阻礙就越小；交變電流的頻率越高，充放電進行得越快，充放電電流越大，阻礙越小。
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