高中物理人教版选修32学案53 电容 电感对交流电的影响正式版.docx
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高中物理人教版选修32学案53电容电感对交流电的影响正式版
教师辅导讲义（教师版）
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授课日期及时段
教学目标
通过实验,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及影响因素。
3.通过猜想、假设、实验、交流合作与分析论证,体验科学探究过程。
重点难点
电感和电容对交变电流的作用特点
教学内容
目录Contents
上节课回顾:
作业检查+知识点复习
新课：
一、导入
二、知识梳理+经典例题
三、随堂检测
四、归纳总结
五、课后作业
一、作业检查情况完成未完成
二、知识点回顾
导入
试电笔为什么会发亮？
为什么人站在绝缘物体上（例如桌、凳），手接触试电笔笔尾的金属部分，笔尖接触火线时氖管会发亮？
有人这样解释：
由于试电笔接触的是交流电源，虽然人站在绝缘物体上，但人与地（面）之间形成了一个电容器，而且这个电容器的容量是比较大的，因此．它对交流电的阻碍作用（即容抗）很小，相当于短路．也就是说相当于将试电笔的两端金属直接接在火线与地线之间，故试电笔中的氖管发亮．
这种解释是否正确？
将试电笔的笔尖接触在220V交流电的火线上，在电笔尾部的金属部分和地线间串接一个电容器C.实验结果表明，当C＝20pF时，试电笔氖管的亮度很弱；只有当C>200pF时，试电笔氖管的亮度才能与人站在绝缘物体上用试电笔去测火线的亮度相当．然而，人站在绝缘物体上与地面形成的电容器的电容C是远达不到20pF的．故上述解释欠妥当.
较正确的解释是：
当人站在离地面较高的绝缘物体上用试电笔试电时，人与地面间形成的电容容量极小，人与地面间的电阻值极大，故可以把人当作孤立导体来处理（即：
认为人本身就是一个电容器）．由于人与电源的火线间经过试电笔而沟通，因此人与火线上的电势始终应该相同，当火线的电势升高或降低时，人体的电势也会随之升高或降低．人体电势的变化过程就是人体这个电容的充放电过程，伴随着人体的充放电，就形成了通过试电笔的充放电电流，因此氖管发亮．
1、观察实验
现象:
接直流的亮些，接交流的暗些；
交变电流频率越高，灯越暗。
结论:
电感对直流电没有阻碍作用对交流电却有。
（2）感抗
①物理意义：
表示电感器对___交变电流________阻碍作用的大小的物理量．
②影响因素：
线圈的__自感系数_______越大，交流的___频率____越高，感抗越大．
③应用：
扼流圈
低频扼流圈：
可以用来“通_直流_____，阻_交流____”．
高频扼流圈：
可以用来“通__直流____，通__低频____，阻__高频___”．
2．思考判断
（1）电感对交变电流阻碍作用越大，感抗就越小．（×）
（2）交流电的频率越高，电感对交流的阻碍作用越大．（√）
（3）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．探究交流
电感线圈对交变电流的阻碍作用为什么随线圈的自感系数、交变电流的频率的增大而增大呢？
【提示】 电感线圈的阻碍作用是由交变电流通过线圈时产生的自感电动势引起的，自感系数越大时产生的自感电动势也越大；交变电流的频率越高，电流的变化率也越大，感应电动势也就越大，所以阻碍作用就越大，感抗也就越大．
1．基本知识
（1）交变电流能够通过电容器
①实验电路（如图532）
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：
_____交流电流____能够通过电容器，___直流电___不能通过电容器．
（2）电容器对交变电流的阻碍作用
①实验探究
更亮，对交变电流有阻碍作用
②容抗
物理意义：
表示电容__对交流阻碍______作用的大小．
影响容抗大小的因素：
电容器的电容___越大____，交流的频率___越高____，容抗越小．
③作用：
电容器具有“隔直流，通交流”的作用．
2．思考判断
（1）电容器在交变电路中，相当于一个电阻，具有分压作用．（√）
（2）电容器接到交流电源时，有自由电荷通过电容器．（×）
（3）电容器是通直流、阻交流，通高频、阻低频．（×）
3．探究交流
试分析电容器的电容C与容抗的定性关系，若要通高频阻低频，应选用电容C大些的还是小些的电容器？
【提示】 电容器的电容C越大，充放电显示的容抗越小，若要通高频阻低频，则电容器的容抗在低频时应表现很大，必须选用电容C较小的电容器．
【问题导思】
1．电感为什么对交变电流有阻碍作用？
决定感抗大小的因素是什么？
2．电感线圈在电路中的作用是什么？
有哪些具体的应用？
1．电感对交变电流的阻碍作用的成因
通过线圈的电流大小和方向变化，都会引起通过线圈的磁通量发生变化，从而产生感应电动势，这种现象就是自感现象．根据楞次定律，自感电动势所引起的感应电流总是要使它产生的磁场阻碍线圈内原有磁场的变化，所以自感电动势对线圈中电流的变化有阻碍作用，这样就形成了对交变电流的阻碍作用，电感对交变电流阻碍作用的大小就称为感抗．
2．感抗的两个决定因素
决定感抗大小的因素有两个：
一是交变电流的频率；二是自感系数L.L取决于线圈本身的性质，即线圈匝数、横截面积、有无铁芯等因素．
3．电感线圈在电路中的作用
由上面第一个因素可知：
电感线圈对恒定直流（＝0）没有感抗作用，因此电感线圈可以概括为“通直流，阻交流”，同时对频率越高的交变电流感抗越大，即所谓“通低频，阻高频”．由上面第二个因素可知：
要求低频扼流圈感抗大，就要用自感系数较大的线圈即匝数较多并有铁芯的扼流圈来担任；高频扼流圈的自感系数要小得多，可以用匝数少且没有铁芯的扼流圈来担任．
例一:
（多选）（2014·泰安高二检测）在如图5 3 3所示的电路中，L为电感线圈，R为灯泡的电阻，电流表内阻为零，电压表内阻无限大，交流电源的电压U＝220sin100πt（V）．若保持电源电压有效值不变，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
C．灯泡变暗D．灯泡变亮
【审题指导】 解答本题时应把握以下两点：
（1）感抗与交变电流的频率的关系．
（2）串联电路的电压关系．
【解析】由U＝220sin100πt，可得电源原来的频率为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，电流I减小时，UR减小；因电源电压有效值保持不变，故UL＝（U－UR）增大，选项B正确．
【答案】 BC
例二：
1.（2014·曲师大附中高二检测）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534所示．一铁棒插进线圈之后，该灯将（ ）
图534
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），使线圈产生了感抗．加入铁芯改变了电感的自感系数，自感系数增大，感抗增大，降落的电压增大，灯泡上的电压减小，所以灯变暗．故B正确．
【答案】 B
【问题导思】
1．交变电流为什么能“通过”电容器？
2．电容器对交变电流的阻碍作用是怎样产生的？
3．决定容抗大小的因素是什么？
1．交变电流“通过”电容器
电容器两极板间是绝缘材料，当电容器接到交流电源上时，自由电荷不会通过两极板间的绝缘电介质，只不过在交变电压的作用下，电容器交替进行充电和放电，电路中就有电流了，表现为交变电流“通过”了电容器．
2．电容器对交变电流有阻碍作用的原因
当交变电流“通过”电容器时，给电容器充电或放电，形成充电或放电电流，在形成电流的过程中，对自由电荷来说，当电源的电压推动它们向某一方向做定向移动的时候，电容器两极板上积累的电荷却反抗它们向这个方向做定向移动，也就是说在给电容器充电或放电过程中，在电容器两极形成跟原电压相反的电压，这就对电流产生了阻碍作用．
3．决定容抗的两个因素
交流电的频率和电容器的电容．
4．电容在电路中的作用
交变电流的频率越高，电容器充电时集聚的电荷相对较少，对电荷运动的阻碍作用越小，容抗也越小．同理，电容器的电容越大，容纳电荷的本领越大，充放电时所受的阻碍越小，容抗也就越小，所以电容有“通交流、隔直流，通高频、阻低频”的作用．
例一：
如图535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．电灯变暗D．电灯变亮
【审题指导】
（1）电容器的容抗与交变电流的频率有关．
（2）频率增大时，容抗减小．
【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，故选项A和B是错误的．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．
【答案】 D
2.（2014·徐州一中高一检测）如图536所示的电路中，正弦式电流源电压的有效值为220V，则关于交流电压表的示数，以下说法中正确的是（ ）
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
例一：
如图537所示，在电路两端加上正弦式电流，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1变亮，灯2变暗，灯3不变，则M、N、L中所接元件可能是（ ）
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
【审题指导】 解答本题应把握以下两点：
（1）电阻不随交变电流频率的变化而改变．
（2）交变电流频率增加，感抗增大而容抗减小
【规范解答】 当交变电流的频率增大时，线圈的感抗变大，电容器的容抗变小，由灯1变亮，灯2变暗可知M为电容器，N为电感线圈，而电阻与交变电流的频率无关，故L为电阻，C正确．
【答案】 C
电感、电容接到交流电源上时，电能与磁场能或电场能往复转化，所以电感、电容上不会消耗电能，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．
当堂练习
1.如图5-3-5所示电路中，L为电感线圈，R为灯泡，电流表内阻为零，电压表内阻无限大，交流电源的电压u=220
sin100πtV.若保持电压的有效值不变，只将电源频率改为100Hz，下列说法中正确的是（）
图5-3-5
A.电流表示数增大B.电流表示数减小
C.灯泡变暗D.灯泡变亮
答案：
BC
2.如图5-3-6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，下面哪个叙述正确…（）
图5-3-6
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来时灯变亮
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
3.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，经放大后送给下一级，需要把低频成分和高频成分分开，只让低频成分输入给下一级，我们采用了如图5-3-7所示的装置电路，其中代号a、b应选择的元件是（）
图5-3-7
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
答案：
D
4.在电子技术中，从某一装置输出的电流常常既有交流成分，又有直流成分，如果要把交流成分输送到下一级，应该用如图5-3-8所示的电路中的___________（填“a”或“b”）电路.其中的电容器叫___________,它的作用是___________.
图5-3-8
答案：
b隔直电容器阻止直流成分,而让交流成分通过
5.在电子技术中，从某一装置输出的交流常常既有高频成分又有低频成分.要把低频成分输送到下一级装置，可用如图5-3-9所示电路，其中电容器C叫___________，通过它的是___________（填“高频”或“低频”）成分，它的电容一般较___________（填“大”或“小”），对高频容抗___________.
图5-3-9
答案：
高频旁路电容高频小较小
6.如图5-3-10所示是电视机电源的滤波装置，当输入端输入含有直流成分、交流低频成分的电流后，能在输出端得到较稳定的直流电.试分析其工作原理及各电容和电感的作用.
图5-3-10
答案：
直流和交流低频成分的电流输入到C1两端,由于C1的“通交流，隔直流”的功能，电流中的交流成分被衰减，而线圈L1有“通直流,隔交流”的功能,电流中的交流成分被衰减,而线圈L有“通直流,阻交流”的功能,直流成分电流顺利通过L,一小部分交流通过L,到达C2两端时,C2进一步滤除电流中残余的交流成分,这样在输出端得到较稳定的直流电供电视机正常工作.
7.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，如果只需要把低频成分输送到下一级装置，只要在两级电路之间接入一个高频扼流圈就可以了.高频扼流圈是串联还是并联接入电路？
如图5-3-11所示的接法对吗？
为什么？
图5-3-11
答案：
应串联,题中所给图接法正确.理由略
8.如图5-3-12所示，从AO输入的信号中，有直流电流和交变电流.问：
图5-3-12
（1）现要求信号到达BO两端没有直流电压，需要AB间接一个什么元件？
该元件的作用是什么？
（2）若要求信号到达BO端只有直流电压，而没有交变电压，则应在AB间接入一个什么元件？
该元件的作用是什么？
答案：
（1）电容器隔直作用
（2）电感线圈对交流有阻碍作用
课后作业
1．关于容抗，下列说法中不正确的是（ ）
A．电容器充电时，容抗小
B．电容器充电时，容抗大
C．电容器的电容和交变电流的频率一定时，容抗一定与充、放电无关
D．以上说法都不对
解析：
容抗只与电容器的电容大小和交变电流的频率有关．
答案：
C
2．关于感抗，下列说法中不正确的是（ ）
A．感抗是由于电流变化时，在线圈中产生了自感电动势，阻碍电流的变化
B．感抗的大小不仅与自感系数有关，还与电流的频率有关
C．感抗虽然对交变电流有阻碍作用，但不消耗能量
D．感抗是线圈的电阻产生的
解析：
产生感抗的原因是自感现象；感抗大小XL＝2πfL；交变电流通过线圈时，电能与磁场能相互转化，不消耗电能．
答案：
D
3．对扼流圈的以下说法，正确的是（ ）
A．扼流圈是利用电感器阻碍交变电流的作用制成的
B．低频扼流圈用来“通低频、阻高频”
C．高频扼流圈用来“通直流、阻交流”
D．高频扼流圈对低频交变电流的阻碍作用大，对高频交变电流的阻碍作用很小
解析：
低频扼流圈用来通直流、阻交流，也不让低频电流通过（对低频电流阻碍作用很大）．而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．高频扼流圈的自感系数较小，低频扼流圈的自感系数较大，故只有A正确．
答案：
A
4．（双选）如图所示，L1和L2是两个完全相同，标有“6V,0.1A”的灯泡，C是额定电压10V的电容器，ab之间接有6V的交流电源．则（ ）
A．灯泡L1发光，L2不发光
B．灯泡L1和L2都发光
C．灯泡L1和L2亮度相同
D．灯泡L1比L2亮一些
解析：
交流能够“通过”电容器，但电容器对交流有阻碍作用．
答案：
BD
5．如图所示电路由交变电流供电，如果交变电流的频率升高，则（ ）
A．线圈的自感系数增大
B．线圈的感抗减小
C．电路中的电流增大
D．电路中的电流减小
解析：
线圈的自感系数是线圈自身的属性，选项A错误；交变电流的频率升高，电流的变化率增大，线圈的自感作用增大，感抗增大，线圈对电流的阻碍作用增大，电路中的电流减小，故选项B、C错误，D正确．
答案：
D
6．（双选）如下图所示，平行板电容器与灯泡串联，接在交流电源上，灯泡正常发光，则（ ）
A．把电介质插入电容器，灯泡一定变亮
B．把电容器两极板间距离增大，灯泡一定变亮
C．把电容器两极板间距离减小，灯泡一定变亮
D．使交流电频率增大，灯泡变暗
解析：
在电容器中插入电介质，电容C增加，容抗减小．电流增加，灯泡变亮；当频率增加时，容抗减小，灯泡也变亮；把电容器两板间的距离增大，将使电容器C减小，容抗增加，灯泡将变暗．
答案：
AC
7．（双选）如右图中，将电灯与电容器串联接入通有交变电流的电路中，灯泡发光，则下列说法中正确的是（ ）
A．自由电荷通过了电容器两极板间的绝缘电介质
B．自由电荷没有通过电容器两极板间的绝缘电介质
C．接入交变电源使电容器两极板间的绝缘电介质变成了导体
D．电容器交替进行充、放电，电路中就有电流，表现为交变电流
解析：
与电容器串联的灯泡，接在交变电流的电路中，灯泡发光，说明有电流通过灯泡，但形成电流的电荷并没有通过电容器两极板间的电介质，使灯泡发光的电流只是随着电压变化而对电容器不断充电与放电的电流，就好像有电流通过电容器．
答案：
BD
8．如下图所示把电阻、电感、电容并联到某一交流电源上，三个电流表示数相同，若保持电源电压不变，而将频率加大，则三个电流表的示数I1、I2、I3的大小关系是（ ）
A．I1＝I2＝I3 B．I1>I2>I3
C．I2>I1>I3D．I3>I1>I2
解析：
原来三个电流表的示数相同，说明三个支路中的电阻、感抗、容抗相等，当交变电流的频率加大时，电阻的值不变，感抗变大，容抗减小，因此I1不变，I2减小，I3增大，即有I3>I1>I2，故选项D正确．
答案：
D
9．如下图所示，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（ ）
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：
此题考查电容、电感对交变电流的影响，也就是容抗、感抗与交变电流的关系．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灯亮度不变，所以选D.
答案：
D
10．如下图所示，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（ ）
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：
线圈的作用是：
“通直流、阻交流，通低频、阻高频”．电容的作用：
“通交流、隔直流，通高频、阻低频”．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，因电容器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，被它滤掉，最终输出的是低频交流和直流．
答案：
D
11．如图甲、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（ ）
①图甲中R得到的是交流成分 ②图甲中R得到的是直流成分 ③图乙中R得到的是低频成分 ④图乙中R得到的是高频成分
A．①③B．①④C．②③D．②④
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，甲图中电容器隔直流，R得到的是交流成分，①正确、②错误；乙图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，③正确、④错误．
答案：
A
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