学年高中物理第二章交变电流第四节第五节电感器对交变电流的作用电容器对交变电流的作用.docx

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学年高中物理第二章交变电流第四节第五节电感器对交变电流的作用电容器对交变电流的作用

第四节电感器对交变电流的作用第五节电容器对交变电流的作用

［学科素养与目标要求]　

物理观念：

1.了解电感器和电容器对交变电流的阻碍和导通作用.2。

建立感抗和容抗的概念，知道其物理意义及影响因素．

科学探究：

通过观察演示实验的现象归纳出电感器和电容器对交变电流的作用．

科学态度与责任：

在利用科学知识解释实验现象的过程中，逐步培养学生大胆提出科学猜想的精神．

一、电感器对交变电流的作用

1．电感器:

由绝缘导线（如漆包线、纱包线等）一圈紧靠一圈地绕制而成,又称电感线圈，电感器用字母“L”及电路符号

表示．

2．电感器对交变电流的作用的实验探究

（1）结论：

电感器对恒定电流是导通的，对交变电流有阻碍作用．

（2）成因：

由于自感作用，产生的感应电动势阻碍电流的变化，形成了对交变电流的阻碍作用．

（3）影响因素：

电感器的自感系数越大，交变电流的频率越大，阻碍作用越大．

3．低频扼流圈和高频扼流圈

　　　名称

比较内容　　　

低频扼流圈

高频扼流圈

特点

匝数多、自感系数大

匝数少、自感系数小

应用

通直流，阻交流

通直流、通低频、阻高频

二、电容器对交变电流的作用

1．交变电流能够通过电容器

（1）现象：

恒定电流不能通过电容器，交变电流能通过电容器，电容器具有“隔直流、通交流”的特性．

（2）实质：

电压变化时，电容器交替进行充电和放电，电路中有了电流，好像交变电流“通过”了电容器．

2．电容器对交变电流的阻碍作用的实验探究

（1）结论：

电容器对交变电流有阻碍作用．

（2）成因:

电源电压推动自由电荷向某一方向定向运动时，电容器两极板上积累的电荷反抗它们向这个方向定向运动．

（3）影响因素:

电容越大,交变电流的频率越高，阻碍作用越小．

3．隔直流电容器和高频旁路电容器：

图1

（1）图1甲为隔直电容器，作用是“通交流、隔直流”．

（2）图乙为高频旁路电容器，作用是“通高频,阻低频”．

1．判断下列说法的正误．

（1）线圈的匝数越多,对同一个交变电流的阻碍作用就越大．（　√　）

（2）线圈对交变电流的阻碍作用随着交变电流的频率的变大而减小．（　×　）

（3）电流“通过”电容器,并不是电荷穿过电容器两极板间的绝缘层到达另一极板，而是电容器不断地充放电的表现．（　√　）

（4）电容器的电容越大，对同一交变电流的阻碍作用就越大．（　×　）

2．在频率为f的交变电流电路中，如图2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，保持其他条件不变，则通过R的电流有效值________，通过C的电流有效值________，通过L的电流有效值________．（选填“变大”“变小”或“不变”）

图2

答案　不变　变大　变小

一、电感器对交变电流的阻碍作用的分析

如图所示，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，再把它们接到有效值等于直流电源电压的交流电源上．

（1）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，交流电源的频率越高，线圈对交变电流的阻碍作用越大．

1．线圈对交变电流产生阻碍作用的原因

交变电流通过电感器时,由于电流时刻在变化，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．影响感抗大小的因素

（1）交变电流的频率．交变电流的频率大时，交变电流变化得快,磁场变化得就快,自感电动势就大,即阻碍交变电流的通过的作用就大，则感抗也就大．

（2）线圈的自感系数．线圈的自感系数大时，同样的交变电流和磁通量的变化率，产生的自感电动势大,也就是阻碍交变电流通过的作用就大,则感抗也就大．

3．感抗大小分析思路

例1

　（多选）如图3所示实验电路中，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3

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

答案　AC

解析？

线圈对直流无感抗，对交变电流有感抗,当交变电流频率减小时，感抗变小,灯变亮;有铁芯时感抗更大，故铁芯抽出时灯变亮．

二、电容器对交变电流的阻碍作用

如图甲、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．

（1）观察灯泡的发光情况,并分析原因．

（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？

说明了什么？

答案　

（1）题图甲中的灯泡不亮，题图乙中的灯泡亮．题图甲中的电源是直流电源，电容器在电路中相当于断路，电路中没有电流，灯泡不亮．题图乙中的电源是交流电源，把交流电源接到电容器两个极板上后，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，灯泡就亮了，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）电容越大，灯泡越亮；频率越高,灯泡越亮．电容器的电容和交变电流的频率都对电容器对交变电流的阻碍作用有影响．

1．电容器对交变电流的阻碍作用

电源电压推动自由电荷定向移动，而电容器两极板上积累的电荷抗拒自由电荷的定向移动，从而使电容器对交变电流有阻碍作用．

2．影响电容器容抗的两个因素

（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，电场力也小，对电荷充电时受到的阻力就小，所以容抗就小．

（2）交变电流的频率：

交变电流的频率高时,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，从而阻碍作用就小，容抗就小．

例2

　如图4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4

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

答案　C

解析　当交变电流的频率升高时,电容器的容抗减小，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．

例3

　（多选）图5甲、乙两图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上得到的电流特征是（　　）

图5

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，电容器有“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；题图乙中交流高频成分能通过电容器，电容器阻碍交流低频成分,R得到的是低频成分,C正确，D错误．

三、电阻、感抗、容抗的对比

1．容抗的大小除了与电容器自身的性质有关外，还与交变电流的频率有关．若用XC表示容抗，则XC＝

.

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．若用XL表示感抗，则XL＝2πfL。

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．

例4

　（多选）（2017·成都市高二检测）如图6所示的电路中，A、B、C三灯亮度相同，电源为220V、50Hz的交流电源,以下叙述中正确的是（　　）

图6

A．改接220V、100Hz的交流电源时，A灯变亮,B灯变暗,C灯亮度不变

B．改接220V、100Hz的交流电源时,A灯变暗，B灯变亮,C灯变亮

C．改接220V的直流电源时，A灯熄灭,B灯变亮,C灯亮度不变

D．改接220V的直流电源时，A灯熄灭，B灯变亮，C灯变暗

答案　AC

解析　增大交流电源的频率时，感抗增大，容抗减小，电阻的阻碍作用不变，故A灯变亮，B灯变暗，C灯亮度不变，故A正确，B错误；改接直流电源时，电容器相当于断路，A灯熄灭，线圈无感抗，B灯更亮，电阻R阻碍作用不变，C灯亮度不变，故C正确，D错误．

提示　

（1）在分析电流变化时，把感抗、容抗类比于导体的电阻，再用欧姆定律分析．

（2）电感和电容对交、直流电的作用可记为:

电感器“通直流、阻交流,通低频、阻高频”;电容器“通交流、隔直流,通高频、阻低频．”

[学科素养]　通过例4进一步建立了感抗和容抗的概念；知道电阻、电感器、电容器在直流电路和交流电路中的作用：

1.电阻对交流、直流有相同的阻碍作用，交流频率变化时，阻碍作用不变。

2。

电容器通交流、隔直流,通高频、阻低频。

3.电感器通直流、阻交流，通低频、阻高频．

通过这样的提炼和升华，很好地体现了“物理观念”的学科素养．

1．（感抗的理解）（多选）在如图7所示的电路中，L为电感线圈，灯泡的电阻值为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7

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;灯泡的电阻值R是一定的，电流减小时，灯泡实际消耗的电功率（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．

2．（容抗的理解）如图8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8

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相对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，电容器容抗减小，电流表A的示数增大，A项正确,B项错误;在平行板电容器间换用相对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,对交变电流的阻碍作用增大，电流表A的示数减小，C、D项错误．

3．（电阻、感抗、容抗的对比）（2018·抚顺市六校高二下学期期末）在一小型交流发电机中，矩形金属线圈abcd的面积为S，匝数为n,线圈总电阻为r，外电路如图9所示,其中三个灯泡都可视为阻值相等的定值电阻,如果线圈在磁感应强度大小为B的匀强磁场中绕垂直于磁场的OO′轴匀速转动，角速度为ω时灯泡L1最亮，灯泡L2、L3一样亮，现将线圈转动的角速度增大到2ω，则下列说法中正确的是（　　）

图9

A．灯泡L1最亮，灯泡L3次之，L2最暗

B．灯泡L1最亮,灯泡L2次之，L3最暗

C．灯泡L1最亮,灯泡L2、L3一样亮

D．灯泡L3最亮，灯泡L1次之，L2最暗

答案　A

解析？

当线圈转动的角速度变大时，感应电动势的最大值变大，交变电流的频率变大，则电感线圈对交变电流的感抗增大，电容器对交变电流的容抗减小，灯泡L1最亮，灯泡L3次之，L2最暗，A正确．

4．（电阻、感抗、容抗的对比）（多选）如图10所示的电路中,a、b两端连接的交流电源中既含高频交流，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，下列说法正确的是（　　）

图10

A．L的作用是“通低频,阻高频”

B．C的作用是“通低频，隔高频”

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

答案　ACD

解析　因为电感器L是一个高频扼流圈，“通低频，阻高频"，选项A正确；C是一个电容较小的电容器，所以对低频的交流容抗就较大，选项C正确,B错误；根据分析可知通过电阻R的电流中,低频交流所占百分比远远大于高频交流所占的百分比，选项D正确．

5.（感抗与容抗的拓展应用）（多选）如图11所示，某电子电路的输入端输入电流既有直流成分,又有交流低频成分和交流高频成分．若通过该电路只把交流的低频成分输送到下一级,那么关于该电路中各器件的作用，下列说法中正确的有（　　）

图11

A．L在此的功能为通直流，阻交流，叫高频扼流圈

B．C1在此的功能为通交流，隔直流，叫隔直电容

C．C2在此的功能为通高频、阻低频，叫高频旁路电容

D．上述说法都正确

答案　BC

解析　L在此的功能为通直流、阻交流，将低频的交流成分送到下一级，是低频扼流圈，自感系数很大，故A错误；C1在此的功能为通交流,隔直流，使直流不能到达下一级电路，叫隔直电容，故B正确；C2与输出电路并联，功能为通高频,阻低频,使高频成分能通过，低频成分到达下一级,C2又叫高频旁路电容，故C正确;由以上分析可知，D错误．

6.（电感和电容的实际应用）（多选）（2017·江苏单科）某音响电路的简化电路图如图12所示，输入信号既有高频成分，也有低频成分,则（　　）

图12

A．电感线圈L1的作用是通高频

B．电容器C2的作用是通高频

C．扬声器甲用于输出高频成分

D．扬声器乙用于输出高频成分

答案　BD

解析　在电路中电感线圈的作用是“通直流、阻交流，通低频、阻高频",在电路中电容器的作用是“通交流、隔直流，通高频、阻低频”，所以A错误，B正确．扬声器甲输出低频成分，扬声器乙输出高频成分,故C错误，D正确．