“电感和电容对交变电流的影响”教学案例

“电感和电容对交变电流的影响”教学案例 ──以普通高中《物理课程标准》的课程目标要求来设计 浙江东阳中学　韦国清 普通高中《物理课程标准》中从知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三个维度上，提出了高中物理课程的具体目标。在教学设计过程中，我们需要从这三个维度来构建教学内容和安排教学活动。下面是结合课程目标的要求，全日制普通高中教科书（试验修订本·必修加选修）物理第二册《电感和电容对交变电流的影响》一节的教学设计。 【教学目标】 1．知识与技能 知道电感线圈有“通直流阻交流”和电容器有“隔直流通交流”的作用；知道感抗、容抗的大小由哪些因素决定；能解释电感和电容对交变电流产生影响的原因；了解电感和电容器在电子技术等方面的应用。 2．过程与方法 观察演示实验，理解实验过程中控制变量的方法；通过研究感抗（容抗）与自感系数（电容）的定性关系，获得实验探究过程的体验；通过对电感和电容对交变电流影响的理论分析，体会理论解释实验的成功感受。 3．情感态度与价值观 通过实验的互动过程，诱发对探究物理规律的兴趣；简介电感和电容的应用，欣赏物理器件的美妙的应用；通过具实记录观察到的现象和数据，体验实事求是的科学态度。 【教学用具】 1．演示交直流电源、小灯泡(12v）、阻值15Ω的电阻、电感线圈（J2426小型变压器）、10μF电容器、低频信号发生器（J2462－1型）等供演示用； 2．各种不同型号的高频、低频扼流圈供演示用； 3．学生低压交直流电源（最小的输出电压大于16V）、15μF和200μF的电容器J2426小型变压器（将线圈匝数不同的两组线圈用不同颜色的导线接出）、小灯泡（6V）、导线等供学生实验用（以上器材每两人一组）。 【设计思路】 从教材的要求来看，本课题对知识与技能的要求均不高。一般的教法可以简单比较电感和电容对交变电流的阻碍作用，进行一些理性的讲解，配合若干验证性的实验，使学生了解感抗和容抗的大小与哪些因素有关。教材中对演示实验的要求很简单，更没有学生实验的要求。 本教学设计特别强调了对实验的挖掘。例如增加了学生互动的实验，不仅帮助学生理解感抗和容抗的概念，提高实验动手能力，更重要的是使学生在互动和探索的过程中，培养学生的合作精神、获得探究的成功体验；通过引入新课时设计的实验，培养学生的问题意识和激发学生的学习兴趣；通过教学中的若干个演示实验的设计，特别是用信号发生器替代变频电源来做实验，使学生感悟科学的探究方法和强化创新的意识。 【教学过程】 一、引入课题 请同学们先来观察一组实验，如图1所示。介绍有关器材：低压交直流电源，小灯泡，3个经过包装的电学元件（根据外面不能判断是何元件）。 演示1： （1）将小灯泡直接接到交变电流源上，调节电压使灯泡正常发光； （2）如果将1号电学元件串联入电路中，观察现象（灯泡变暗）； （3）再将2号电学元件串联入电路中，观察现象（灯泡变得更暗）； （4）然后将3号电学元件串联入电路中，观察现象（灯泡仍较暗）。 演示2： 门路1号元件接相同电压的直流上，观察现象［与演示1（1）情况相同亮度］； （2）将2号元件接相同电压的直流上，观察现象（比原来变亮）； （3）将3号元件接相同电压的直流上，观察现象（亮了一下不亮）。 小结：1号元件对交直流的影响几乎相同，2号元件对交变电流的影响较大，3号元件对直流电影响很大，且直流电不能通过3号元件。 根据现象进行猜想，然后经过学生的讨论分析，做出判断。将这三个元件从暗盒中拿出，分别得出1号元件为电阻、2号元件为电感线圈、3号元件为电容器。 从上面观察到的现象说明：除电阻外，电感、电容对直流和交变电流的影响程度是不同的，这是我们要来研究的问题。 二、研究电感线圈对突变电流的阻碍作用 电感对交变电流的阻碍作用的大小用感抗的大小来表示。那么，感抗的大小可能与哪些因素有关呢？ 启发学生：可能与自感系数、交变电流的频率和电压等有关。 1．研究感抗与自感系数的关系 提供低压交变电流源、小灯泡、学生实验用的变压器，若干导线，要求学生设计实验，研究感抗与自感系数的定性关系。 学生互动，教师巡回指导，纠正学生的差错在此过程可能出现的问题：（1）基本的连接不会；（2）线圈的连接不会等。 请一组学生简述实验的设计思路及实验现象和由此得到的结果：将灯泡与线圈串联接入交变电流，线圈的连接分两次，一次是线圈匝数较少，另一次线圈的匝数较多，灯泡出现由亮变暗的现象，说明线圈的自感系数大时，线圈对交变电流的阻碍作用大，感抗大。 提示：线圈的自感系数在其他条件不变的情况下，匝数越多自感系数越大。 2．研究感抗与交变电流的频率的关系 如果要研究感抗与交变电流频率的关系应该如何办？──在电压不变的情况下选用变频的交变电流源，为了研究方便，我们可选信号发生器来替代。 演示3：信号发生器可以输出电压一定且不同频率的交变电流。串联好电路，保持电压不变的条件下，使输出交变电流的频率升高，观察到灯泡变暗的现象。说明：频率越高，线圈对交变电流的阻碍越大，感抗越大。 3．研究与交变电流电压的关系（将灯泡换成交变电流表） 演示4：在交变电流频率、线圈的自感系数不变的条件下，交流的电压加倍，电流加倍。可得出感抗与交变电流电压U无关。 结论：L越大感抗越大、越高感抗越大、感抗与U无关。 三、研究电容对突变电流的阻碍作用 电容对交变电流的阻碍作用用容抗来表示。从上面的研究，可以得到推论，容抗的大小可能与电容和交变电流的频率有关。 1．研究容抗与电容C的关系 学生互动：提供电容分别为150μF与200μF的电容器2只。巡回辅导学生做实验。 2．研究容抗与交变电流频率的关系 演示5：信号发生器可以输出不同频率的交变电流。串联好电路，保持电压不变的条件下，使输出交变电流的频率升高，观察到灯泡变亮的现象，说明：频率越高，电容器对交变电流的阻碍越小，容抗越小。 结论：C越大容抗越小、f越高容抗越小。 四、问题讨论 1．分析电感线圈在交直流电中的作用（学生互相议论后回答） 由于交变电流的频率越低感抗越小，而直流电的频率等于0，在直流电中电感对它的阻碍作用几乎没有。所以电感线圈有“通直流阻交流”的作用。 交变电流的频率越高，感抗越大，阻碍作用越大。所以电感有“通低频、阻高频”作用。 理论解释： （1）电感线圈：直流电通过电感线圈时，由于电流不发生变化，电感线圈对直流电没有阻碍作用；交变电流通过电感线圈时，在线圈中要产生自感现象（自感电流总要阻碍电路中原来电流的变化），所以电感线圈对交变电流有阻碍作用。 （2）为什么线圈的自感系数越大，感抗越大？ 自感系数越大，对一定的交变电流产生的自感现象越明显，阻碍作用越大，感抗也越大。 （3）为什么交变电流的频率越高，感抗越大？ 交变电流的频率越高，即电流的交化越快，产生的自感现象越明显，阻碍作用越大，感抗也越大。 2．分析电容器在交直流电中的作用（学生互相议论后回答） 由于交变电流的频率越低容抗越大，而直流电的频率为0，在直流电路中，电容对它的阻碍作用很大（无穷大），直流电不能通过电容器。所以电容器有“通交流、隔直流”作用。 交变电流的频率越高，容抗越小，阻碍作用越小，所以有“通高频、阻低频”作用。 理论解释： （1）电容器：因为电容器的两极板间是绝缘的电介质，直流电不能通过电容器。 （2）交变电流能真正通过电容器吗？ 当电容器接上交变电压时，实际上自由电行也没有通过电容两极板间的绝缘介质。p．194图8－10所示，只不过在交变电压的作用下，当电源的电压升高时，电容器充电，电荷向电容极板聚集，形成了充电电流；当电源电压降低时，电荷从电容器的极板上放出，形成了放电电流。电容器交替进行充电和放电，电路中就有了电流，表现为交变电流“通过”了电容器。（3）为什么电容越大，容抗越小？ 电容器的电容越大，表明电容器储存电荷的能力越大，在电压一定的条件下，单位时间内电路中充放电移动的电荷量越大，电流越大。所以电容对交变电流的阻碍作用越小，容抗越小。 （4）为什么交变电流的频率越高，容抗越小？ 在交变电流的电压一定时，交变电流的频率越高，电路中充放电越频繁，单位时间内电荷移动速率越大，电流越大。所以电容对交变电流的阻碍作用越小，容抗越小。 五、技术上的应用 （1）电工和电子技术中的扼流圈。利用电感对交变电流的阻碍作用制成的，有低频扼流圈和高频扼流圈两种（示意实物）。低频扼流圈匝数为几乎到超过一万，对低频交变电流有较大的阻碍作用，线圈本身电阻较小，对直流电阻碍作用较小；高频扼流圈匝数为几百匝，对低频交变电流的阻碍作用较小，对高频交变电流的阻碍作用很大。 （2）在电子技术中，从某一装置输出的电流常常既有交流成分，又有直流成分。如果只需要把交流成分输送到下一级装置，只要在两级电路之间接入一个电容器（称为隔直电容器）就可以了。如图2所示，电流通过电容器，只能是交流部分通过电容器到达后一级装置，直流电隔在前一级装置。 （3）在电子技术中，从某一装置输出的交流常常既有高频成分，又有低频成分。如果只需把低频成分送到下一级装置，只要在下一级电路的输入端并联一个电容器就可以达到目的，如图3所示。具有这种用途的电容器叫做高频旁路电容器。说明它的工作原理。 说明：频率越高的交流部分容抗越小，易通过电容器。高频部分电流通过电容器分流了，低频部分电流，由于容抗大不易通过电容器而输入到下一级。 （4）电容电感不仅在制造的现成电容器和电感线圈中存在。在导线之间。电子元件及机壳之间，有时会造成较大的影响，这是我们应该注意到的。 【教学体会】 通过本节课的教学实践，尝试了教学方式的多样化。教学中在体现了教师的主导作用的前提下，充分调动了学生的主体活动对教学效果带来了积极的影响。课中的学生实验的互动探究、课题引出时设置的有趣的实验演示以及课堂中学生的相互讨论，从课内的表现来看，对调动学生学习兴趣起到了良好的作用，学生参与积极，促进了学生的自主学习；从课后的反馈来看，对学生深入理解所学的物理知识与技能有帮助。同时体会到，在新课程体系下，尽管我们要用新的理念去改革传统的物理教学，但是物理教学重视实验教学这一传统的做法是我们应该坚持的。