沪科版高中物理选修32第2章第4节《探究电阻电感和电容的作用》学案.docx

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沪科版高中物理选修32第2章第4节《探究电阻电感和电容的作用》学案

沪科版高中物理选修（3-2）第2章第4节《探究电阻、电感和电容的作用》学案　探究电阻、电感和电容的作用

[学习目标定位]1.知道电阻器对交流电的阻碍作用与对直流电的阻碍作用相同.2.能理解电感器、电容器对交变电流形成阻碍作用的原因.3.知道用感抗、容抗来表示电感器、电容器对交变电流阻碍作用的大小.4.能够分析简单电路中的电容器、电感器的作用．

1．线圈的长度越长，线圈的横截面积越大，单位长度上匝数越多，线圈的自感系数越大，线圈有铁心比无铁心时自感系数大得多．

2．平行板电容器的电容决定式C＝，电容的定义式C＝.

3．由于导体自身的电流发生变化而产生的电磁感应现象叫自感现象．

一、电阻器对交变电流的作用

电阻器对交变电流的阻碍作用跟对直流的阻碍作用相同．

二、电感器对交变电流的作用

1．电感器能让交变电流通过，但对交变电流有阻碍作用．

2．电感器的电感量越大，通过的交变电流频率越高，阻碍作用越大．

三、电容器对交变电流的作用

1．电容器能让交变电流通过，但对交变电流有阻碍作用．

2．电容器的电容量越大，通过的交变电流频率越高，阻碍作用越小.

一、电阻器对交变电流的作用

[问题设计]

阅读教材相关内容，结合图1回答下列问题（A、B是规格相同的灯泡）：

（1）当开关S扳向交流电源时，两只灯泡的亮度是否相同？

这说明什么问题？

答案　B比A更亮些，这说明电阻器对交流电有阻碍作用．图1

（2）把开关S扳向直流电源和交流电源，比较这两种情况下灯泡A的亮度有没有变化，这又说明什么问题？

答案　开关S扳向直流电源和交流电源，两种情况下灯泡A的亮度相同，这说明电阻器对交流的阻碍作用跟对直流的阻碍作用相同．

[要点提炼]

1．电阻器对交变电流和直流电的阻碍作用是相同的．

2．在交流电路中，电阻定律和欧姆定律都成立．

二、电感器对交变电流的作用

[问题设计]

如图2所示，把带铁心的线圈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．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．

2．电感器对交流电的阻碍作用的大小用感抗XL表示，XL＝2πfL.所以感抗的两个决定因素：

（1）电感器的电感量（自感系数）；

（2）交变电流的频率．

3．电感器在电路中的作用

（1）通直流，阻交流；

（2）通低频，阻高频．

三、电容器对交变电流的作用

[问题设计]

如图3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3

（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．电容器能通交变电流，并不是电荷真的穿过了电容器．

2．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时，电容器极板上积累的电荷会阻碍自由电荷向此方向做定向运动，这就产生了电容器对交变电流的阻碍作用．

3．电容器对交变电流的阻碍作用的大小用容抗XC表示，XC＝，所以决定容抗的两个因素：

电容器的电容量和交变电流的频率．

4．电容器在电路中的作用：

通交流，阻直流，通高频，阻低频．

一、对感抗的理解

例1　如图4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，下面叙述正确的是（　　）

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，把电感线圈中的铁心抽出时灯变亮

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，并且是有铁心时感抗更大，故铁心抽出时灯变亮．

答案　AC

二、对容抗的理解

例2　如图5所示，接在交流电源上的灯泡正常发光，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，灯泡变暗图5

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

三、电阻、感抗、容抗的对比

例3　如图6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6

A．三灯亮度不变

B．三灯均变亮

C．L1不变、L2变亮、L3变暗

D．L1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

1.（对感抗的理解）在如图7所示的电路中，L为电感线圈，R为灯泡的电阻值，电流表内阻为零，电压表内阻无限大，交流电源的电压u＝220sin（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（　　）

A．电流表示数增大

B．电压表示数增大图7

C．灯泡变暗

D．灯泡变亮

答案　BC

解析　由u＝220sin（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，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．（对容抗的理解）如图8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（　　）

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图8

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．

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．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C“隔直、通交”；电感L“阻交、通直”；R对交流、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；又因为灯泡亮度与功率（P＝I2R）成正比，所以只有丙灯不亮，乙灯最亮．

题组一　对感抗的理解

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1所示．一铁棒插进线圈后，该灯将（　　）

图1

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．加入铁心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．

2．如图2所示，输入端ab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）（　　）

A．直流成分只能从L通过

B．交流成分只能从R通过图2

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一般都很小，所以通过线圈的直流成分比通过R的要大，D正确．

题组二　对容抗的理解

3．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．

4．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，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．

5．如图3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（　　）

A．使发电机F的转速增大图3

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　当发电机转速增加时，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