学年高中物理 第2章 第45节 电容器在交流电路中的作用 电感器在交流电路中的作用学案.docx

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学年高中物理第2章第45节电容器在交流电路中的作用电感器在交流电路中的作用学案

学案5　电容器在交流电路中的作用

电感器在交流电路中的作用

[目标定位]1.通过演示实验了解电感器和电容器对交变电流的阻碍和导通作用.2.知道感抗和容抗的物理意义以及与哪些因素有关.3.能够分析简单电路中的电容器、电感器的作用．

一、电容器对交流电的阻碍作用

[问题设计]

如图1甲、乙所示，把灯泡和电容器串联起来，先把它们接到直流电源上，再把它们接到交流电源上，观察灯泡的发光情况．

图1

（1）分析电容器能通交流的原因．

（2）若把图乙中的电容器去掉，变成图丙所示电路，会发生什么现象？

说明了什么？

（3）在图乙中，改变电容器的电容和电源频率，灯泡亮度会有什么变化？

答案　

（1）把交流电源接到电容器两个极板上后，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；当电源电压降低时，电容器放电，电荷从极板上流出，在电路中形成放电电流．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“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）灯泡变得比乙中亮，说明电容器对交变电流有阻碍作用．

（3）电容变大时，灯泡变亮；频率增大时，灯泡变亮．

[要点提炼]

1．容抗：

电容器对交流电的阻碍作用．

2．影响容抗的因素：

电容器的电容越大，交流电的频率越高，容抗越小．

3．注意：

电容器能通交变电流，并不是电荷真的穿过了电容器．

4．电容器在电路中的作用：

通交流，隔直流；通高频，阻低频.

二、电感器对交流电的阻碍作用

[问题设计]

如图2所示，把带铁芯的线圈L与小灯泡串联起来，先把它们接到直流电源上，再把它们接到交流电源上，取直流电源的电压与交流电压的有效值相等．

图2

（1）对比两种情况下灯泡的亮度有什么不同？

说明了什么？

（2）乙图中换用自感系数更大的线圈或调换频率更高的交流电源，灯泡的亮度有何变化？

说明了什么？

答案　

（1）甲图中灯泡比乙图中灯泡更亮，说明电感器对交变电流有阻碍作用．

（2）不论是换用自感系数更大的线圈还是调换频率更高的交流电源，灯泡均变得更暗，说明线圈的自感系数越大，交流电的频率越高，线圈对交流电的阻碍作用越大．

[要点提炼]

1．感抗：

电感器对交变电流的阻碍作用的大小．

2．影响感抗的因素：

线圈的自感系数越大，交流电的频率越高，感抗越大．

3．注意：

电感器的感抗是由变化的电流在线圈中产生的感应电动势引起的，与制成线圈导体的电阻无关．

4．扼流圈是利用电感对交变电流的阻碍作用制成的电感线圈．

（1）高频扼流圈

高频扼流圈的自感系数很小，只对高频交变电流有较大的阻碍作用，对低频交变电流的阻碍作用较小，对直流电流的阻碍作用更小．它具有“通直流，通低频，阻高频”的作用．

（2）低频扼流圈

低频扼流圈的自感系数很大，既使交流的频率较低，它产生的感抗也很大．它具有“通直流，阻交流”的作用．

三、电阻、感抗、容抗的作用及区别

1．容抗的大小除了与电容自身的性质有关，还与交变电流的频率有关，频率越高，容抗越小．（填“大”或“小”）

2．感抗的大小除了与电感线圈自身的性质有关外，还与交变电流的频率有关，频率越高，感抗越大．（填“大”或“小”）

3．电阻无论对直流还是交流，阻碍作用相同，只取决于电阻本身．

一、对容抗的理解

例1

　如图3所示，接在交流电源上的灯泡正常发光，以下说法正确的是（　　）

图3

A．把电介质插入电容器，灯泡变亮

B．增大电容器两极板间的距离，灯泡变亮

C．减小电容器两极板间的正对面积，灯泡变暗

D．使交变电流频率减小，灯泡变暗

解析　把电介质插入电容器，电容变大，容抗变小，电容器对交变电流阻碍作用变小，所以灯泡变亮，故A正确；增大电容器两极板间的距离，电容变小，电容器对交变电流阻碍作用变大，所以灯泡变暗，故B错误；减小电容器两极板间的正对面积，电容变小，灯泡变暗，故C正确；使交变电流频率减小，电容器对交变电流阻碍作用变大，灯泡变暗，故D正确．

答案　ACD

二、对感抗的理解

例2

　如图4所示的实验电路中，若直流电压和交变电压的有效值相等，S为双刀双掷开关，下列叙述正确的是（　　）

图4

A．当S掷向a、b时灯较亮，掷向c、d时灯较暗

B．当S掷向a、b时灯较暗，掷向c、d时灯较亮

C．S掷向c、d，把电感线圈中的铁芯抽出时灯变亮

D．S掷向c、d，电源电压不变，而使频率减小时，灯变暗

解析　线圈对恒定电流无感抗，对交变电流有感抗，当交流电频率减小时，感抗变小，灯变亮，并且是有铁芯时感抗更大，故铁芯抽出时灯变亮，故A、C正确．

答案　AC

三、电阻、感抗、容抗的对比

例3

　如图5所示，电路中完全相同的三只灯泡L1、L2、L3分别与电阻R、电感L、电容C串联，然后再并联到220V、50Hz的交流电路上，三只灯泡亮度恰好相同．若保持交变电压不变，将交变电流的频率增大到60Hz，则发生的现象是（　　）

图5

A．三灯亮度不变

B．三灯均变亮

C．L1亮度不变、L2变亮、L3变暗

D．L1亮度不变、L2变暗、L3变亮

解析　当交变电流的频率变大时，线圈的感抗变大，电容器的容抗变小，因此L3变亮，L2变暗．又因为电阻在直流和交流电路中起相同的作用，故L1亮度不变，所以选D.

答案　D

四、电感器、电容器在电路中的应用

例4

　在收音机线路中，经天线接收下来的电信号既有高频成分，又有低频成分，经放大后送到下一级，需要把低频成分和高频成分分开，只让低频成分输送到再下一级，可以采用如图6所示电路，其中a、b应选择的元件是（　　）

图6

A．a是电容较大的电容器，b是低频扼流圈

B．a是电容较大的电容器，b是高频扼流圈

C．a是电容较小的电容器，b是低频扼流圈

D．a是电容较小的电容器，b是高频扼流圈

解析　电容器具有通高频、阻低频的作用，这样的电容器电容较小，所以a处放电容较小的电容器，电感线圈在该电路中要求起到通低频、阻高频的作用，b处接一个高频扼流圈，D对．

答案　D

电容器和电感器在交流电路中的作用

1．（对容抗的理解）如图7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大时（　　）

图7

A．电容器电容增大B．电容器电容减小

C．灯变暗D．灯变亮

答案　D

解析　电容器的电容是由电容器本身的特性决定的，与外加的交流电源的频率无关，选项A、B错误．当交流电源的频率增大时，电容器充、放电的速度加快，电容器的容抗减小，电流增大，灯变亮，故选项C错误，D正确．

2.（对感抗的理解）在如图8所示的电路中，L为电感线圈，灯泡的电阻为R，电流表内阻为零，电压表内阻无限大，交流电源的电压u＝220

sin（100πt）V．若保持电压的有效值不变，只将电源频率改为100Hz，下列说法正确的是（　　）

图8

A．电流表示数增大

B．电压表示数增大

C．灯泡变暗

D．灯泡变亮

答案　BC

解析　由u＝220

sin（100πt）V，可得电源原来的频率f＝

＝

Hz＝50Hz，当电源频率由原来的50Hz增为100Hz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，选项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，选项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，则电源电压的有效值为U＝UL＋UR，因UR＝IR，故电流I减小时，UR减小，因电源电压的有效值保持不变，故UL＝U－UR增大，选项B正确．

3.（电阻、感抗、容抗的对比）如图9所示，三个灯泡相同，而且足够耐压，电源内阻忽略（两电源的电动势相同）．单刀双掷开关S接A时，三个灯亮度相同，那么S接B时（　　）

图9

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

答案　D

解析　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”；R对交流电、直流电有相同的阻抗．可判断S接B时电路中I丙＝0，I甲不变，I乙增大；又因为灯泡亮度与功率（P＝I2R）成正比，所以只有丙灯不亮，乙灯最亮.

题组一　对容抗的理解

1．对交变电流通过电容器的理解正确的是（　　）

A．交变电流能够使电容器极板间的绝缘介质变成导体

B．交变电流定向移动的电荷通过电容器两极板间的绝缘介质

C．交变电流能够使电容器交替进行充电、放电，电路中就有了电流，表现为交变电流通过了电容器

D．交变电流通过了电容器，实际上自由电荷并没有通过电容器极板间的绝缘介质（击穿除外）

答案　CD

解析　电流能“通过”电容器，并非自由电荷真的通过电容器两极板间的绝缘介质，而是交变电流交替对电容器充、放电，电路中有了电流，表现为交变电流通过了电容器．

2．有两个电容器的电容分别为C1＝5μF和C2＝3μF，分别加在峰值一定的正弦交流电源上，在下列各种情况下，哪一种情况通过电容器的电流最大（　　）

A．在C1上所加交变电流频率为50Hz

B．在C2上所加交变电流的频率为50Hz

C．在C1上所加交变电流的频率为100Hz

D．在C2上所加交变电流的频率为100Hz

答案　C

解析　电容越大，交变电流频率越大，容抗越小，电流越容易通过电容器．C1>C2,100Hz>50Hz，所以C正确．

3．如图1所示的电路，F为一交流发电机，C为平行板电容器，为使电流表A的示数增大，可行的办法是（　　）

图1

A．使发电机F的转速增大

B．使发电机F的转速减小

C．在平行板电容器间换用介电常数较小的电介质

D．使电容器两极板间的距离增大

答案　A

解析　当发电机转速增大时，交变电流的频率增大，容抗减小，电流表A的读数增大，A项正确，B项错误；在平行板电容器间换用介电常数较小的电介质时，电容器的电容减小，电容器两极板间距离增大时电容也减小，当电容减小时，容抗增大，对交变电源的阻碍作用增大，电流表A示数减小，C、D两项均错误．

题组二　对感抗的理解

4.一个灯泡通过一个粗导线线圈与一交流电源相连接，如图2所示．一铁棒插进线圈后，该灯将（　　）

图2

A．变亮

B．变暗

C．对灯的亮度没影响

D．无法判断

答案　B

解析　在线圈内由于磁场变化而产生的感应电动势，总是阻碍电流变化，正是这种阻碍变化的特性，使线圈产生了感抗．加入铁芯改变了电感线圈的自感系数，使自感系数增大，感抗增大，降落的电压增大，灯泡两端的电压减小，所以灯变暗．

5.如图3所示，输入端a、b的输入电压既有直流成分，又有交流成分，以下说法中正确的是（L的直流电阻不为零但较小）（　　）

图3

A．直流成分只能从L通过

B．交流成分只能从R通过

C．通过R的既有直流成分又有交流成分

D．通过L的直流成分比通过R的直流成分要大

答案　CD

解析　由于线圈L的直流电阻不为零，所以有直流通过R，而线圈对交流有阻碍作用，因此也有交流成分通过R，B错，C正确；由于R对交流也有阻碍作用，所以也有交流成分通过L，A错；因为线圈的直流电阻较小，所以通过线圈的直流成分比通过R的要大，D正确．

题组三　电阻、感抗、容抗的对比

6.如图4所示，甲、乙是规格相同的灯泡，接线柱a、b接电压为U的直流电源时，无论电源的正极与哪一个接线柱相连，甲灯均能正常发光，乙灯完全不亮．当a、b接电压的有效值为U的交流电源时，甲灯发出微弱的光，乙灯能正常发光，则下列判断正确的是（　　）

图4

A．与甲灯串联的元件x是电容器，与乙灯串联的元件y是电感线圈

B．与甲灯串联的元件x是电感线圈，与乙灯串联的元件y是电容器

C．与甲灯串联的元件x是二极管，与乙灯串联的元件y是电容器

D．与甲灯串联的元件x是电感线圈，与乙灯串联的元件y是二极管

答案　B

解析　由a、b接直流电流时的现象可知，元件x“通直流”，元件y“隔直流”，由a、b接交流电源时的现象可知，元件x“阻交流”，元件y“通交流”，根据电容器和电感线圈的特点，可判断元件x是电感线圈，元件y是电容器，选项B正确．

7.如图5所示，在电路两端加上正弦交流电，保持电压有效值不变，使频率增大，发现各灯的亮暗情况是：

灯L1变亮，灯L2变暗，灯L3不变，则M、N、L中所接元件可能是（　　）

图5

A．M为电阻，N为电容器，L为电感线圈

B．M为电感线圈，N为电容器，L为电阻

C．M为电容器，N为电感线圈，L为电阻

D．M为电阻，N为电感线圈，L为电容器

答案　C

解析　

题组四　电感器、电容器在电路中的应用

8.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6所示，则下列做法合理的是（　　）

图6

A．在a、b间接入一个电容器

B．在a、b间接入一个低频扼流圈

C．在a、b间接入一个高频扼流圈

D．在a、b间接入一个电容器或高频或低频扼流圈都可以

答案　C

解析　电容器是“通高频，阻低频”，低频扼流圈“通直流，阻交流”，而高频扼流圈“通直流，通低频，阻高频”，C对．

9．如图7甲、乙所示是电子技术中的常用电路，a、b是各部分电路的输入端，其中输入的交流高频成分用“

”表示，交流低频成分用“～”表示，直流成分用“－”表示．关于两图中负载电阻R上得到的电流特征，下列判断正确的是（　　）

图7

A．图甲中R得到的是交流成分

B．图甲中R得到的是直流成分

C．图乙中R得到的是低频成分

D．图乙中R得到的是高频成分

答案　AC

解析　当交变电流加在电容器上时，有“通交流、隔直流，通高频、阻低频”的特性，题图甲中电容器隔直流，R得到的是交流成分，A正确，B错误；题图乙中电容器通过交流高频成分，阻碍交流低频成分，R得到的是低频成分，C正确，D错误．

10．某一电学黑箱内可能有电容器、电感线圈、定值电阻等元件，在接线柱间以如图8甲所示的“Z”字形连接（两接线柱间只有一个元件）．为了确定各元件种类，小华同学把DIS计算机辅助实验系统中的电流传感器（相当于电流表）与一直流电源、滑动变阻器、开关串联后，分别将AB、BC、CD接入电路，闭合开关，计算机显示的电流随时间变化的图像分别如图9a、b、c所示，则下列判断中正确的是（　　）

图8

图9

A．AB间是电容器B．BC间是电感线圈

C．CD间是电容器D．CD间是定值电阻

答案　ABD

解析　根据题图a可知，有瞬时充电电流，稳定后电路中无电流，说明AB间是电容器，充电完毕，电路为开路，故A正确．根据题图b可知，阻碍电流增大，但是稳定后电流恒定，符合电感线圈的特点，所以BC间为电感线圈，故B正确．根据题图c，接通电路后，电流马上达到稳定值，说明CD间为定值电阻，故C错误，D正确．