浙江省版高中物理 第五章 交变电流 第3课时 电感和电容对交变电流的影响学案 新人.docx

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浙江省版高中物理第五章交变电流第3课时电感和电容对交变电流的影响学案新人

第3课时　电感和电容对交变电流的影响

[研究选考·把握考情]

知识内容

电感和电容对交变电流的影响

考试要求

加试b

教学要求

1.知道电感器对交变电流有阻碍作用

2.知道电感器对交变电流的阻碍作用与电感器的自感系数、交变电流的频率有关

3.知道电感器具有“阻交流、通直流”和“阻高频、通低频”的特点

4.知道交变电流能“通过”电容器的本质是电容器交替地进行充、放电

5.知道电容器对交变电流的阻碍作用与电容器的电容、交变电流的频率有关

6.知道电容器具有“隔直流、通交流”和“阻低频、通高频”的特点

7.能利用电感器、电容器的特点定性分析简单的问题

8.进一步认识交变电流与直流的区别

说明

不要求知道感抗、容抗的概念

知识点一　电感器对交变电流的阻碍作用

[基础梳理]

1.实验探究：

（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）实验电路：

取直流电源的电压与交流电压的有效值相等。

（3）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。

（两个空均选填“亮些”或“暗些”）

（4）实验结论：

电感线圈对交变电流有阻碍作用。

2.影响电感对交变电流阻碍作用强弱的因素

线圈的自感系数越大，交流的频率越高，对交变电流的阻碍作用越强。

3.电感线圈的类型及应用

　　类型

区别　　

低频扼流圈

高频扼流圈

自感系数

较大

较小

特性

通直流、阻交流

通直流、通低频、阻高频

[要点精讲]

1.阻碍作用产生的原因：

交变电流通过电感器时，由于电流时刻都在变化，因此在线圈中就会产生自感电动势，而自感电动势总是阻碍原电流的变化，故电感器对交变电流产生阻碍作用。

2.影响阻碍作用大小的因素

阻碍作用的大小由线圈的自感系数L和交变电流的频率f共同决定。

【例1】在如图1所示的电路中，L为电感线圈，D为灯泡，电流表的内阻为0，电压表的内阻无限大，交流电源的电压为u＝220

sin（100πt）V。

若保持电压的有效值不变，只将电源的频率改为100Hz，下列说法中正确的是（　　）

图1

A.电流表的示数增大B.电压表的示数增大

C.灯泡变暗D.灯泡变亮

解析　由u＝220

sin100πtV，可得电源原来的频率为f＝

＝

Hz＝50Hz，当电源的频率由原来的50Hz增大为100Hz时，线圈的阻碍作用增大，在电压不变的情况下，电路中的电流减小，选项A错误；灯泡D的电阻是一定的，电流减小时，灯泡D实际消耗的电功率P＝I2R减小，灯泡D变暗，选项C正确，选项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D两端的电压为UD，则电源电压的有效值为U＝UL＋UD，因UD＝IR，故电流I减小时，UD减小，因电源电压的有效值保持不变，故UL＝U－UD增大，选项B正确。

答案　BC

【跟踪训练1】一个灯泡通过一个粗导线的线圈与一交流电源相连接，如图2所示，一块铁插进线圈之后，该灯将（　　）

图2

A.变亮B.变暗

C.没有影响D.无法判断

解析　在线圈内由于磁场变化而产生的感应电动势总是反抗电流变化。

正是这种反抗变化的特性（电惰性）使线圈产生了对交变电流的阻碍作用。

加入铁芯改变了电感的自感系数，自感系数增大，对交变电流的阻碍作用增大，线圈的电压增大，灯泡上的电压减小，所以灯变暗，B项正确。

答案　B

【跟踪训练2】如图3是可调灯泡亮度的台灯电路示意图，其中电路更合理的是________。

图3

解析　乙中调节L可达到调节台灯两端电压的作用，从而调节台灯的亮度。

甲图也可调节台灯的亮度，但变阻器要消耗电能，故甲图不合理。

答案　乙

知识点二　电容器对交变电流的阻碍作用

[基础梳理]

1.交变电流能够通过电容器：

（1）实验电路（如图4）：

图4

（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.影响电容器对交变电流阻碍作用大小的因素

电容器的电容越大，交流的频率越高，阻碍作用越小。

3.电容器在电路中的作用

特性：

电容器具有“隔直流、通交流”的作用。

[要点精讲]

1.交变电流“通过”电容器的原因及阻碍的成因

（1）当接到交流电源上时，电源使导线中的自由电荷向某一方向定向移动，对电容器进行“充放电”。

即交变电流“通过”电容器。

（2）电容器在充放电的过程中，电容器两极板上聚集着等量异种电荷，从而在两极板间存在着电场，此电场的电场力阻碍着电荷的定向移动，其表现就是电容器在交变电流通过时的阻碍作用。

2.对影响阻碍作用大小因素的理解

（1）电容器的电容：

电容器的电容越大，电容器容纳电荷的本领就越大，即在容纳相同电荷的情况下，电容大时电压小，电场力对电荷充电时的阻碍作用力就小，所以阻碍作用就小。

（2）交流的频率：

交流的频率越高，充电和放电的时间就短，相同电路电容器上聚集的电荷就少，电容器所达到的电压就小，排斥充电和放电的电场力就小，所以阻碍作用就小。

【例2】如图5所示，电路由交流电源供电，最大电压保持不变，如果交变电流的频率升高，则下列说法中正确的是（　　）

图5

A.电容器上的电荷量最大值增大

B.电容器的容抗增大

C.电路中灯泡的亮度变亮

D.电路中灯泡的亮度变暗

解析　当交变电流的频率升高时，电容器的阻碍作用减小，灯泡的亮度变亮，灯泡两端的电压变大，故选项C正确，选项B、D错误；由Q＝CU可知，选项A错误。

答案　C

名师点睛　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，电容器的阻碍作用改变，电容器两端的电压变化，灯泡两端的电压也随着变化。

【跟踪训练3】在如图6所示电路中，u是有效值为220V的交流电源，C是电容器，R是电阻，关于交流电压表的示数，下列说法中正确的是（　　）

图6

A.等于220V　　　B.大于220V

C.小于220V　　　D.等于零

解析　虽然交变电流能通过电容器，但也受到阻碍作用，电容器与电阻串联，根据分压原理可知电阻两端的电压小于电源电压，电压表测的是电阻两端的电压，C正确。

答案　C

【跟踪训练4】在如图7所示电路中，a、b两端连接的交流电源既含高频交流，又含低频交流；L是一个25mH的高频扼流圈，C是一个100pF的电容器，R是负载电阻。

下列说法中正确的是（　　）

图7

A.L的作用是“通低频，阻高频”

B.C的作用是“通交流，隔直流”

C.C的作用是“通高频，阻低频”

D.通过R的电流中，低频交流所占的百分比远远大于高频交流所占的百分比

解析　L是一个自感系数很小的高频扼流圈，其作用是“通低频，阻高频”，选项A正确；C是一个电容很小的电容器，在题图所示电路中，对高频交流的容抗远小于对低频交流的容抗，其作用是“通高频，阻低频”，选项C正确；因电路中无直流电流，选项B错误；由于L对高频交流的阻碍作用和C对高频交流的旁路作用，使得通过R的电流中，低频交流所占的百分比远大于高频交流所占的百分比，选项D正确。

答案ACD　

1.直流电源的电压与交流电源电压的有效值相同，自感线圈的直流电阻不计，则灯泡发光最亮的是图中的（　　）

解析　电容器、电感线圈都对交变电流有阻碍作用，故A、B两图中灯不是最亮的；C图中灯泡被短路，不亮；D图中电容器C有隔直流作用，所以D中灯泡最亮，故选项D正确。

答案　D

2.关于电阻、电感器、电容器对电流阻碍作用的说法正确的是（　　）

A.电阻对直流和交变电流的阻碍作用相同

B.电感对直流和交变电流均有阻碍作用

C.电容器两极板间是绝缘的，故电容器支路上没有电流通过

D.交变电流的频率增加时，电阻、电感器、电容器的阻碍作用变化情况相同

解析　电阻的阻碍作用对直流电和交变电流相同，选项A正确；纯电感线圈对直流电没有阻碍作用，对交变电流有阻碍作用，选项B错误；由于电容器不断地充放电，电路中存在充电电流和放电电流，选项C错误；电阻的阻值与交变电流的频率无关，电感器对交流的阻碍作用随交变电流频率的增大而增大，电容器对交流的阻碍作用随交变电流频率的增大而减小，选项D错误。

答案　A

3.如图8所示，A、B两灯泡完全相同，两自感线圈（电阻不计）也完全相同，直流电源电压与交流电源电压的有效值相等，且与灯泡的额定电压相等，闭合开关S后（　　）

图8

A.A比B亮

B.A比B暗

C.A、B亮度相同

D.实验表明电感对交变电流有阻碍作用

解析　实验结果是A比B亮，选项A正确，选项B、C错误；该实验表明电感对交变电流有阻碍作用，选项D正确。

答案　AD

4.如图9所示，A、B两灯泡完全相同，两电容器也完全相同，直流电源电压与交流电源电压有效值相等，且与灯泡的额定电压相等，闭合开关S后（　　）

图9

A.A正常发光

B.直流电不能通过电容器

C.B灯发光表明交变电流能够通过电容器

D.交变电流通过电容器的实质是电容器不断充电、放电，并不是真正流过电容器

解析　含有电容器的直流电路为断路，故A灯不亮，选项A错误；直流电不能通过电容器，选项B正确；B灯发光表明交变电流能够通过电容器，选项C正确；交变电流通过电容器的实质是电容器不断充电、放电，并不是真正流过电容器，选项D正确。

答案　BCD

5.如图10所示，三只完全相同的灯泡a、b、c分别与电阻R、电感L、电容C串联，再将三者并联，接在“220V　100Hz”的交变电压两端，三只灯泡亮度相同。

若将交变电压改为“220V　50Hz”，则（　　）

图10

A.三只灯泡亮度不变

B.三只灯泡都将变亮

C.a亮度不变，b变亮，c变暗

D.a亮度不变，b变暗，c变亮

解析　当交变电流的频率变小时，线圈的感抗变小，电容器的容抗变大，因此b变亮，c变暗，又因为电阻在直流和交流电路中起相同的作用，故a灯亮度不变，C正确。

答案C　

选择题（在每小题给出的四个备选项中至少有一个是符合题目要求的。

）

1.有关电感对交变电流的影响的以下说法中，正确的是（　　）

A.电感对交变电流有阻碍作用

B.电感对交变电流阻碍作用的大小与交变电流的频率无关

C.电感对某一交变电流的阻碍作用跟线圈的自感系数无关

D.线圈的自感系数越大，交变电流的频率越高，电感对交变电流的阻碍作用就越大

解析　电感对交变电流有阻碍作用，A项正确；其阻碍作用的大小与交流的频率有关，与线圈的自感系数有关，自感系数越大，频率越高，对交变电流的阻碍作用越大，B、C项错误，D项正确。

答案　AD

2.有两个电容分别为C1＝5μF，C2＝3μF的电容器，分别加在峰值一定的交流电源上，下列情况下通过电容器的电流最大的是（　　）

A.在C1上加f＝50Hz的交变电流

B.在C2上加f＝50Hz的交变电流

C.在C1上加f＝60Hz的交变电流

D.在C2上加f＝60Hz的交变电流

解析　频率越大，电容器对交变电流的阻碍作用越小，电容越大，阻碍作用越小，故C项正确。

答案　C

3.如图1所示，甲、乙两图中用交流电源，丙、丁两图中用直流电源，各电路图中灯泡、电容器、电压表示数都相同，则下列说法正确的是（　　）

图1

A.灯L1比灯L2亮

B.灯L3也能发光，但亮度最暗

C.灯L2和L4亮度相同

D.灯L4比灯L1亮

解析　电压表示数相同，说明直流电压和交变电流的有效值相同。

甲图中电容器与灯L1串联，电容器对电流有阻碍作用；乙图中电容器与灯L2并联，交变电流全部通过灯L2；丙图中电容器与灯L3串联且是直流电源，电容器隔直流，所以没有电流流过灯L3，灯L3不亮；丁图中电容器与灯L4并联，电流全部流过灯L4。

综合以上分析，C、D两项正确。

答案　CD

4.如图2所示，线圈的自感系数L和电容器的电容C都很小（如L＝1mH，C＝200pF），此电路的重要作用是（　　）

图2

A.阻直流通交流，输出交流

B.阻交流通直流，输出直流

C.阻低频通高频，输出高频交流

D.阻高频通低频，输出低频交流和直流

解析　因线圈自感系数L很小，所以对低频成分的阻碍作用很小，这样直流和低频成分能顺利通过线圈；电容器并联在电路中，起旁路作用，因电容C很小，对低频成分的阻碍作用很大，而对部分通过线圈的高频成分阻碍作用很小，被它旁路，最终输出的是低频交流和直流。

答案　D

5.如图3所示，交流电源的电压有效值跟直流电压相等，当将双刀双掷开关接到直流电源上时，灯泡的实际功率为P1，而将双刀双掷开关接在交流电源上时，灯泡的实际功率为P2，（线圈的直流电阻不计）则（　　）

图3

A.P1＝P2　　　　　　B.P1>P2

C.P1

解析　接在直流电源上时，线圈对直流没有阻碍作用，电能全部转化为小灯泡的内能。

而当双刀双掷开关接在交流电源上时，线圈对电流有阻碍作用，因此电能除转化成灯泡的内能外，还有一部分电能与磁场能往复转化。

因此P1>P2，故B正确。

答案　B

6.如图4所示，两个同学利用图示装置做实验，第一位同学使ab在导轨上匀速运动，第二位同学使ab在导轨上做变速运动，但两位同学对ab杆做的功一样多，第一位同学的方法使小灯泡消耗的电能为W1，第二位同学的方法使小灯泡消耗的电能为W2，它们相比较（　　）

图4

A.W1＝W2B.W1>W2

C.W1

解析　匀速运动时，产生的感应电动势是恒定的，感应电流也是恒定的，线圈对恒定电流的阻碍作用几乎为零，所以通过小灯泡的电流大，消耗的电能多；当ab做变速运动时，产生的感应电动势是变化的，感应电流也是变化的，线圈对该电流有明显的阻碍作用，使通过小灯泡的电流减小，因此消耗的电能少，故选项B正确。

答案　B

7.用电压表检查如图5所示的电路中的故障，测量Uad＝5.0V，Uab＝0，Ubc＝5.0V，Ucd＝0。

则电路故障可能是（　　）

图5

A.滑动变阻器R1断路

B.电容器C被击穿

C.电阻R2断路

D.电感线圈L断路

解析　当用电压表去判断电路故障时，如果电压表的两接线柱能与电源的两极接通，而与电压表两接线柱相并联的那部分电路没有完全短路，电压表就会有示数。

即当电压表有示数时，电源两极与电压表两接线柱间的电路无断点。

由题意Uad＝Ubc＝5.0V可知ab、cd间为通路，A、C错误；若电容器被击穿，则Ubc将为零，B错误。

答案　D

8.（2017·东阳中学选考）如图6所示的电路，F为一交流发电机，C为平行板电容器，为使交流电流表A的示数增大，可行的办法是（　　）

图6

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

解析　发电机F的转速增大，电动势增大，频率增大，电容器阻碍作用减小，电流增大，选项A正确；同理分析可知选项B错误；换用介电常数较小的电介质，电容减小，阻碍作用增大，电流变小，选项C错误；两极板间的距离增大，电容减小，阻碍作用增大，电流变小，选项D错误。

答案　A

9.（2017·绍兴高二期中）如图7所示电路中，L是一个不计直流电阻的电感线圈，直流电源1的电压值与交流电源2电压有效值相等，S是单刀双掷开关，C是电容器，A、B是完全相同的小灯泡，则下列叙述正确的有（　　）

图7

A.开关S与1接通时，灯B逐渐变亮

B.开关S与2接通后，灯B的亮度比开关与1接通稳定后灯B的亮度高

C.开关S与2接通后，B发光，而A不发光

D.若将电源2换成一个既含有高频信号又含有低频信号的信号源，则当开关与2接通时，通过B灯的主要是高频信号

解析　开关S与1接通时，线圈阻碍电流的增大，所以灯B逐渐变亮，A项正确；开关S与2接通后，由于线圈L对交流电的阻碍始终存在，所以灯B的亮度比开关与1接通稳定后灯B的亮度暗，B项错误；开关S与2接通后，交流电也可以通过电容器，所以A也发光，C项错误；线圈对交流电有通低频阻高频的作用，所以若将电源2换成一个既含有高频信号又含有低频信号的信号源，则当开关与2接通时，通过B灯的主要是低频信号，D项错误。

答案　A

10.（2018·杭州富阳市高二月考）如图8所示，电路甲、乙中，电阻R和自感线圈L的电阻值都很小，接通S，使电路达到稳定，灯泡D发光，则（　　）

图8

A.在电路甲中，断开S，D将逐渐变暗

B.在电路甲中，断开S，D将先变得更亮，然后渐渐变暗

C.在电路乙中，断开S，D将渐渐变暗

D.在电路乙中，断开S，D将变得更亮，然后渐渐变暗

解析　在电路甲中，由于电阻R和自感线圈L的电阻值都很小，所以通过灯泡的电流比电阻的电流小，当断开S，由于线圈的自感作用，D不会变得更亮，将渐渐变暗，A项正确，B项错误；在电路乙中，由于电阻R和自感线圈L的电阻值都很小，所以通过灯泡的电流比线圈的电流小，断开S时，由于线圈阻碍电流变小，导致D将变得更亮，然后逐渐变暗，C项错误，D项正确。

答案　AD

11.（2017·台州市高二期中）两个相同的白炽灯泡L1和L2接到如图9所示的电路中，灯L1与电容器串联，灯L2与电感线圈串联。

当a、b间接电压最大值为Um、频率为f的正弦交流电源时，两灯都发光，且亮度相同。

更换一个新的正弦交流电源后，灯L1的亮度低于灯L2的亮度，新电源两极的电压最大值和频率可能是（　　）

图9

A.最大值仍为Um，而频率大于f

B.最大值仍为Um，而频率小于f

C.最大值大于Um，而频率仍为f

D.最大值小于Um，而频率仍为f

解析　当将a、b接在电压最大值为Um、频率为f的正弦交流电源E1两极之间时，两只灯泡都发光，且亮度相同。

而更换一个新电源后，灯L1的亮度低于灯L2的亮度，则说明线圈的阻碍作用比电容器的小，那么新电源的频率小，最大电压值仍不变，B项正确，A、C、D项错误。

答案　B

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