“正弦交流電路”的內容結構及教法探究
2008-04-29 00:00:00任萍
物理教學探討 2008年15期
摘要：本文是對《電工學》(或《電工技術基礎》)中“正弦交流電路”章節內容的分析，通過充分認識其內容、結構特點及章節前后聯系，從而在教學中運用恰當的教學方法，得當處理內容間的銜接，突破難點，保證知識傳授的順暢。
關鍵詞：正弦交流電路；內容；結構；教法
中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A文章編號：1003-6148(2008)8(S)-0030-2
1 “正弦交流電路”內容的重要性
從實際運用上看，由于交流電在現代生產、生活中得到了廣泛的應用，所以通過對“正弦交流電路”這部分內容的學習，將有助于學生對交流電路規律的認識，為進一步學習專業知識以及在工作中正確應用交流電和使用電氣設備打下良好基礎。
從課程內容組成上看，《電工學》(或《電工技術基礎》)課程中對“正弦交流電路”的分析是在“直流電路”分析的基礎上進行的，是經過了一個由“簡單”到“復雜”、由“特殊”到“一般”的過程。通過分析，總結出交流電路的普遍規律。通過對這部分的學習，為課程后面講述常用電器(變壓器、電動機)、電器控制和電子學部分打下基礎。這一部分內容在整個課程中不可缺少，起到了承上啟下的作用。
“正弦交流電路”這部分內容的理論性、系統性較強，邏輯推論嚴謹，“數理”知識結合緊密。通過學習不但使學生掌握了科學文化知識，還能提高學生分析問題、解決問題的能力。
2 “正弦交流電路”的內容結構特點
“正弦交流電路”的內容安排基本上是按照形成“概念”、掌握“規律”、啟發“思維”這一認知過程來構成。
2.1 形成“概念”部分
首先根據交流電和直流電的區別引出了對交流電的定義，其次指出了描述交流電的復雜性，由此介紹了對正弦量形象直觀的描述方法——解析法、波形圖。
為了進一步準確分析并計算正弦電路，介紹了更為完整描述正弦量的方法——“相量”表示法(又為“符號法”或“矢量法”)。這一新的數學模型的引入，不但能簡化交流電的運算，更重要的是成為后面電路分析的基本方法。
在介紹了分析交流電基本方法后，對電路的基本組成部分即三種理想電路元件(電阻元件，電感元件、電容元件)的性質進行分析，得到各單一元件兩端電壓與電流的關系。
即：電阻元件：u=Ri，耗能元件；
電感元件：uL=Ldidt，儲能元件；
電容元件：i=Cdudt，儲能元件。
接著通過以上方程說明了這三種元件在交流電路中體現出性質是不同的。
這部分內容是正弦交流電路的基礎，是分析電路所必備的知識，也是學生進入一個新的學習領域必須掌握的內容，是全新的基礎知識，這一部分稱之為形成“概念”部分。
2.2 掌握規律部分
在介紹了交流電的基本概念后，接著對由單個元件組成的最簡單交流電路(即純電阻電路、純電容電路、純電感電路)的工作特點進行分析，總結出各電路電壓、電流的關系和功率計算公式。這一部分主要由教師利用“相量”分析法分析電路，推導出結論，總結分析過程和分析結果的規律性，為以后學習更復雜的電路作好準備，故這部分稱為掌握規律部分。比如對純電感電路分析得到：
(1)純電感電路中電壓、電流關系：
i=Imsinωt
u=Umsin(ωt+π2)
U=ωLI=XLI或I=UXL
U=jXLI
結論 純電感電路中，電壓和電流同頻率，且電壓相位導前電流相位為π/2，電壓和電流有效值滿足歐姆定律。
(2)純電感電路中瞬時功率變化規律及能量轉換過程：
瞬時功率：p=ui=UIsin2ωt
有功功率：P=0，
無功功率：Q=UI=XLI2=U2X
結論 能量的轉換是在電能和磁場能之間相互轉換。
對純電阻電路和純電容電路的分析過程、分析內容也是按照以上純電感電路的分析一致。
2.3 啟發思維部分
在分析了由單一元件組成的交流電路后，進一步啟發學生利用已掌握的方法分析電阻、電感和電容元件組成的典型交流電路RLC串聯電路和線圈同電容器并聯電路。通過分析使學生能進一步熟練分析交流電路的規律及各種電路所具有的共同特點，從而使學生探索其它電路也能用相同的分析方法來進行分析。如對RL串聯電路、RC串聯電路和RLC串聯電路的分析計算等。當然還希望能初步應用這些規律到實際電路中去分析問題(如日光燈電路)。這部分內容完全可以通過啟發學生的思維分析推導得出正確的結論，這不但使學生能牢固掌握知識，也能逐步提高學生獨立思考問題和解決問題的能力。
3 教法分析
根據以上內容結構的分析，該章節在教學中最突出的教學方法是——“對比”教學法和“探究式”教學法。
（1）通過直流電與交流電描述方法的對比，使學生了解交流電描述更為復雜，學習難度加大，從而認識到“相量法”的重要性，進一步突破“相量法的應用”這一難點；通過對單一元件的特性分析對比(伏安特性和能量關系)，使學生認識到各元件的不同性質，更清楚了解交流電路中除電阻外，還有電感線圈和電容元件分別起著不同的作用；通過理論和實踐的“對比”，鞏固理論知識，解釋實際現象。
（2）根據章節內容間的聯系和學生能力培養的實效，該部分內容的教學采取“探究式”教學法比較恰當。
由于該部分內容是在直流電路分析基礎上進行，學生對電路的描述及基本物理量有一定的認識，有“探究”的基礎。同時在內容的結構上遵循了由簡到繁、由特殊到一般、由淺入深的循序漸進的原則，使學生在學習過程中較自然、較容易牢固掌握知識。運用“探究法”可充分調動學生主動參與到教學中，積極思考，通過已掌握的基礎知識和正確的推理，推導出正確的結論，進一步激發學生繼續學習知識的“興趣”，更有助于培養學生分析和解決問題的能力。比如，在單一元件電壓、電流關系(瞬時值、有效值、最大值間)和功率的計算，RLC串聯電路電壓、電流關系和功率的計算等都可以通過學生自身的“探究”來完成。
(欄目編輯鄧 磊)
