高中物理人教版 (新课标)选修3选修3-2第五章 交变电流3 电感和电容对交变电流的影响学案

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一、电感器对交变电流的阻碍作用
1．实验探究
如图所示，取直流电源电压与交流电源电压有效值相等．
(1)实验目的：了解并验证电感线圈对交变电流的阻碍作用．
(2)实验现象：接通直流电源时，灯泡亮些；接通交流电源时，灯泡暗些．
(3)实验结论：电感线圈对交变电流有阻碍作用．
2．感抗
(1)物理意义：表示电感器对交流的阻碍作用的大小．
(2)影响感抗大小的因素：线圈的自感系数，交流的频率．线圈的自感系数越大，交流的频率越高，感抗越大．
3．感抗的应用
二、电容器对交变电流的阻碍作用
1．交变电流能够通过电容器
(1)实验电路(如图所示)
(2)实验现象
电路中串有电容器时，接通直流电源，灯泡不亮；接通交流电源，灯泡亮．
(3)实验结论
交变电流能够通过电容器，直流不能通过电容器．
2．电容器对交变电流的阻碍作用
(1)容抗：表示电容器对交变电流阻碍作用的大小．
(2)影响容抗大小的因素：电容器的电容越大，交变电流的频率越高，容抗越小．
(3)应用：电容器具有“隔直流、通交流”的作用．
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)交流电的频率越高，电感对交流的阻碍作用越大．(√)
(2)电感线圈之所以对交变电流有阻碍作用，是由于自感电动势总是阻碍电流的变化．(√)
(3)电容器在交变电路中，相当于一个电阻，具有分压作用．(√)
(4)电容器接到交流电源时，有自由电荷通过电容器．(×)
(5)电容器的电容越大，容抗就越大．(×)
2．(多选)关于电子技术中的扼流圈，下列说法正确的是( )
A．扼流圈是利用电感线圈对交流电的阻碍作用来工作的
B．高频扼流圈的作用是允许低频交流通过，而阻碍高频交流通过
C．低频扼流圈的作用是不仅要阻碍高频交流通过，还要阻碍低频交流通过
D．高频扼流圈的电感比低频扼流圈的电感大
ABC [扼流圈是利用变化的电流通过线圈时，感应出自感电动势，从而来阻碍电流的变化，故A正确；高频扼流圈是“通低频，阻高频”，故B正确；低频扼流圈是“阻交流，通直流”，故C正确；高频扼流圈比低频扼流圈自感系数小，故D错误．]
3．有两个电容器的电容分别为C1＝5 μF和C2＝3 μF，分别加上峰值一定的交变电源，在下列各种情况下，哪一种情况下通过电容器的电流最大( )
A．在C1上所加交变电流的频率为50 Hz
B．在C2上所加交变电流的频率为50 Hz
C．在C1上所加交变电流的频率为60 Hz
D．在C2上所加交变电流的频率为60 Hz
C [电容器对电流的阻碍作用的大小，即为容抗．容抗的大小是由电容器电容C和交变电流的频率共同决定的．交变电流的频率越高，电容器的电容越大，电容器的容抗就越小，电流就越大．因此要使通过电容器的电流最大则必须使频率最高，电容最大．]
1.电感线圈对交变电流的阻碍作用的本质
(1)交变电流通过线圈时，由于电流时刻都在变化，所以自感现象就不断地发生，而自感电动势总是要阻碍电流的变化，这就是线圈的电感对交变电流的阻碍作用．
(2)直流电通过线圈时，电流的大小、方向都不变，线圈中不产生自感电动势，也就没有感抗．
2．感抗的大小： XL＝2πfL.其中f是交流电的频率，L是线圈的自感系数．
3．低频扼流圈用来“通直流、阻交流”，因此可以用低频扼流圈来分离“直流和交流”；高频扼流圈对高频电流阻碍作用很大，对低频电流阻碍作用较小，因此可以用高频扼流圈分离“低频交流电和高频交流电”．
【例1】 在如图所示电路中，L为电感线圈，灯泡电阻为R，电流表内阻为零，电压表内阻无限大，交流电源的电压u＝220eq \r(2)sin 100πt(V)．若保持电压的有效值不变，只将电源频率改为100 Hz，下列说法正确的是( )
A．电流表示数增大
B．电压表示数减小
C．灯泡变暗
D．灯泡变亮
C [由u＝220eq \r(2)sin 100πt(V)，可得电源原来的频率为f＝eq \f(ω,2π)＝50 Hz，当电源频率由原来的50 Hz增为100 Hz时，线圈的感抗增大，在电压不变的情况下，电路中的电流减小，A错误；灯泡的电阻R是一定的，电流减小时，实际消耗的电功率P＝I2R减小，灯泡变暗，C正确，D错误；电压表与电感线圈并联，其示数为线圈两端的电压UL，设灯泡两端电压为UR，则电源两端电压的有效值为U＝UL＋UR，因UR＝IR，故电流I减小时，UR减小，且电源两端电压有效值保持不变，故UL＝U－UR，UL增大，B错误．]
直流电阻不计的线圈对直流电无阻碍作用相当于短路，对交流电有阻碍作用，因而使电流减小，加在电路其他部分的电压也减小，且减小量与线圈两端电压的增加量相等.
1.如图所示的电路中，正弦交流电源电压的有效值为220 V，则关于交流电压表的示数，以下说法中正确的是( )
A．等于220 V
B．大于220 V
C．小于220 V
D．等于零
C [电感线圈对交变电流产生感抗，具有“通直流、阻交流”的作用，故C正确．
1.交变电流“通过”电容器的本质
(1)当电源电压升高时，电源给电容器充电，电荷向电容器极板上聚集，在电路中，形成充电电流．
(2)当电源电压降低时，电容器放电，原来聚集在极板上的电荷又放出，在电路中形成放电电流．
(3)电容器交替进行充电和放电，电路中就有了电流，好像是交流电“通过”了电容器，但实际上自由电荷并没有通过电容器两极板间的绝缘介质．
2．容抗的大小：XC＝eq \f(1,2πfC).其中f是交流电频率，C是电容器的电容．
【例2】 如图所示，白炽灯和电容器串联后接在交流电源的两端，当交流电源的频率增加时( )
A．电容器的电容增加
B．电容器的电容减小
C．电灯变暗
D．电灯变亮
D [电容器的电容是由电容器本身的特性所决定的，与外加的交流电源的频率无关，A、B错误；当交流电源的频率增加时，电容器充放电的速度加快，电容器的容抗减小，电流增大，电灯变亮，C错误，D正确．]
交变电流不同于直流，交变电流能“通过”电容器，所以灯泡会亮.交变电流的频率改变，电容器的容抗改变，电容器两端的电压变化，灯泡两端的电压也随着变化.
2.(多选)如图所示，接在交流电源上的电灯泡正常发光，以下说法正确的是( )
A．把电介质插入电容器，灯泡变亮
B．增大电容器两板间的距离，灯泡变亮
C．减小电容器两板间的正对面积，灯泡变暗
D．使交流电的频率减小，灯泡变暗
ACD [电容器的电容与介电常数成正比，与正对面积成正比，与两板间距离成反比．而容抗与电容成反比，与交流电频率成反比．把介质插入电容器，电容变大，容抗减小，灯泡变亮，A正确；电容器两板间距离增大，电容减小，容抗增大，灯泡变暗，B错误；减小电容器两板间的正对面积，电容减小，容抗增大，灯泡变暗，C正确；交流电的频率减小，容抗增大，灯泡变暗，D正确．]
【例3】 如图所示，三个灯泡相同，而且足够耐压，电源内阻忽略．单刀双掷开关S接A时，三个灯亮度相同，那么S接B时( )
A．三个灯亮度相同
B．甲灯最亮，丙灯不亮
C．甲灯和乙灯亮度相同，丙灯不亮
D．只有丙灯不亮，乙灯最亮
D [开关S接A时，甲、乙、丙三个支路均有交流电通过．开关S接B时，电路处于直流工作状态，电容器C“隔直流、通交流”；电感线圈L“阻交流、通直流”；电阻R对交流和直流有相同的阻抗．可判断此时电路中I丙＝0，I甲不变，I乙增大；又因为灯泡亮度与电功率(P＝I2R)成正比，所以只有丙灯不亮，乙灯最亮．]
上例中，若将电路中的开关S接A，并将交变电流的频率增大，灯泡亮暗如何变化？
提示：甲灯不变，乙灯变暗，丙灯变亮．
电感器、电容器接到交流电源上时，电能与磁场能或电场能反复转化，所以电感器、电容器上不会消耗电能，而电流通过电阻时，必然会产生焦耳热，从而造成电能的损耗.三种阻碍，其本质不同，特点不同.
1电感器对直流起“短路”作用，对交变电流起阻碍作用.
2电容器对直流起“断路”作用，对交变电流有旁路分流作用.
3电阻对直流、交变电流都有阻碍作用，且与交变电流的频率无关.
3.(多选)在频率为f的交变电流电路中，如图所示，当开关S依次分别接通R、C、L支路，这时通过各支路的电流有效值相等．若将交变电流的频率提高到2f，维持其他条件不变，则下列几种情况可能的是( )
A．通过R的电流有效值不变
B．通过C的电流有效值变大
C．通过L的电流有效值减小
D．通过R、C、L的电流有效值都不变
ABC [电阻对交变电流的阻碍作用即电阻大小，与电流的频率无关，因此通过电阻的电流有效值不变，A正确；电感对交变电流有阻碍作用，感抗随交变电流频率变大而变大，通过L的电流有效值减小，C正确；电容的容抗随交变电流频率变大而变小，通过C的有效值变大，B正确，D错误．]
1．关于电感对交变电流的影响，下列说法正确的是( )
A．电感线圈不能通直流电流，只能通交变电流
B．电感线圈对各种不同频率的交变电流的阻碍作用相同
C．同一个电感线圈对频率低的交变电流的阻碍较小
D．同一个电感线圈对频率高的交变电流的阻碍较小
C [电感线圈可以通直流，A错误；电感线圈对不同频率的交变电流阻碍作用不同，B错误；同一电感线圈对高频交流电阻碍作用大，D错误，C正确．]
2．对电容器能通交变电流的原因，下列说法中正确的有( )
A．当电容器接到交流电源上时，因为有自由电荷通过电容器，电路中才有交变电流
B．当电容器接到交流电源上时，电容器交替进行充电和放电，电路中才有交变电流
C．在有电容器的交流电路中，没有电荷定向移动
D．在有电容器的交流电路中，有电荷通过电容器
B [电容器能让交流电通过，实际上是通过充放电来完成的，定向移动的电荷并没有从一个极板到另一个极板，故A、C、D错误，B正确．]
3．如图所示的电路，一灯泡和一可变电容器串联，下列说法不正确的是( )
A．a、b端接恒稳直流电，灯泡发亮
B．a、b端接交变电流，灯泡发亮
C．a、b端接交变电流，灯泡发亮，且将电容器电容增大时，灯泡亮度增大
D．a、b端接交变电流，灯泡发亮，在不改变交变电流有效值的情况下增大其频率，灯泡亮度增大
A [电容器有“通交流、隔直流、通高频、阻低频”的特点，A错误，B正确；容抗大小与电容器电容成反比，电容越大，容抗越小，灯泡越亮，C正确；容抗大小与交流电的频率成反比，频率越大，容抗越小，灯泡越亮，D正确．]
4．在电子技术中，从某一装置输出的电流既有高频成分，又有低频成分．如果只需把低频成分输送到下一级装置，如图所示，则下列做法合理的是( )
A．在ab间接入一个电容器
B．在ab间接入一个低频扼流圈
C．在ab间接入一个高频扼流圈
D．在ab间接入一个电容器或高频扼流圈或低频扼流圈都可以
C [电容器可以“通高频，阻低频”，低频扼流圈可以“通直流，阻交流”，而高频扼流圈可以“通低频，阻高频”，故C正确．]
低频扼流圈
高频扼流圈
自感系数
较大
较小
感抗大小
较大
较小
作用
通直流、阻交流
通低频、通直流，阻高频
对电感器感抗的理解
对电容器容抗的理解
电阻、感抗、容抗的比较
电阻
感抗
容抗
产生原因
定向移动的自由电荷与不动的粒子间的碰撞
由于电感线圈的自感现象阻碍电流的变化
电容器两极板上积累的电荷对向这个方向定向移动的电荷的反抗作用
在电路中
的特点
对直流、交流均有阻碍作用
阻交流、通直流，阻高频、通低频
隔直流、通交流，阻低频、通高频
决定因素
由导体本身(长短、粗细、材料)决定，与温度有关
由线圈本身的自感系数和交流电的频率f决定
由电容的大小和交流电的频率f决定
电能的转化
电能转化为内能
电能和磁场能往复转化
电能与电场能往复转化
课 堂 小 结
知 识 脉 络
1.电感器对交变电流的阻碍作用的大小用感抗表示，感抗的大小与线圈的自感系数和交流的频率有关．
2．低频扼流圈可以“通直流，阻交流”，而高频扼流圈可以“通直流、通低频，阻高频”．
3．交变电流可以通过电容器，电容器对交流的阻碍作用可以用容抗表示，容抗的大小与电容和交流的频率有关．
4．电容具有“隔直流、通交流”、“阻低频、通高频”的作用.