1、18学年高中物理第五章交变电流第3节电感和电容对交变电流的影响教学案新人教版选修32第3节 电感和电容对交变电流的影响1.电感器对交变电流的阻碍作用的大小用感抗表示，感抗的大小与线圈的自感系数和交流的频率有关。2低频扼流圈可以“通直流，阻交流”，而高频扼流圈可以“通直流、通低频，阻高频”。3交变电流可以通过电容器，电容器对交流的阻碍作用可以用容抗表示，容抗的大小与电容和交流的频率有关。4电容具有“隔直流、通交流”、“阻低频、通高频”的作用。一、电感器对交变电流的阻碍作用 1实验探究如图531所示，取直流电源电压与交流电源电压有效值相等。图531(1)实验目的：了解并验证电感线圈对交变电流的阻碍
2、作用。(2)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。(3)实验结论：电感线圈对交变电流有阻碍作用。2感抗(1)物理意义：表示电感器对电流的阻碍作用的大小。(2)影响感抗大小的因素：线圈的自感系数，交流的频率。线圈的自感系数越大，交流的频率越高，感抗越大。3感抗的应用低频扼流圈高频扼流圈自感系数较大较小感抗大小较大较小作用通直流、阻交流通直流、通低频，阻高频二、电容器对交变电流的阻碍作用1交变电流能够通过电容器(1)实验电路(如图532所示)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：交变电流能够通过电容器，直流
3、不能通过电容器。2电容器对交变电流的阻碍作用(1)容抗：表示电容器对交变电流阻碍作用的大小。(2)影响容抗大小的因素：电容器的电容越大，交变电流的频率越高，容抗越小。(3)应用：电容器具有“隔直流，通交流”的作用。1自主思考判一判(1)电感线圈对交变电流有阻碍作用。()(2)低频扼流圈只能阻碍低频交变电流，不能阻碍高频交变电流。()(3)电感线圈中通入交变电流后，交变电流的瞬时值为0的瞬间，线圈仍然对交变电流有阻碍作用。()(4)直流电不能通过电容器。()(5)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。()(6)交变电流的电流值越大，越容易通过电容器，与交变电流的
4、频率无关。()2合作探究议一议(1)为什么电感器对交变电流有阻碍作用？提示：交变电流通过线圈(电感器)时，电流时刻在变化，由于线圈的自感现象，必然产生感应电动势阻碍电流的变化，就形成了电感器对交变电流的阻碍作用。(2)电容器两极板之间是绝缘介质，它阻隔导体中自由电子的通过，为什么交变电流能通过电容器呢？提示：电流是由电荷的定向移动形成的，把交流电源接到电容器的两个极板上后，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，原来聚集在极板上的电荷又放出，在电路中形成放电电流。电容器交替地进行充电和放电，电路中就形成了电流，好像是交流“
5、通过”了电容器(实际上自由电荷并没有通过电容器两极板间的绝缘介质)。(3)电容器对交变电流为什么有阻碍作用？提示：因为同种电荷相互排斥，当电容器充电时，已经到达电容器极板上的电荷对后来流向极板的电荷有阻碍作用，所以电容器对交变电流有阻碍作用。对电感器和电容器的理解电感和电容对交变电流的阻碍作用的大小不但跟电感、电容有关，还跟交流电的频率有关。它们之间的关系可以简单概括为：电感：“通直流、阻交流，通低频、阻高频”，感抗公式：XL2fL(公式仅作了解)。电容：“通交流、隔直流，通高频、阻低频”，容抗公式：XC(公式仅作了解)。1.如图533所示，交流电源的电压有效值跟直流电源的电压相等，当将双刀双
6、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到交流电源上时，灯泡的实际功率为P2，则()图533AP1P2 BP1P2CP1P2。B正确。2.如图534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加时()图534A电容器电容增大B电容器电容减小C电灯变暗D电灯变亮解析：选D电容器的电容是由电容器本身的特性所决定的，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大时，电容器充、放电的过程加快，电容器的容抗减小，电流增大，电灯变亮，故选项C错误，D正确。3(多选)在如图535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
7、压表内阻无限大，交流电源的电压u220 sin 100t V。若保持电源电压有效值不变，只将电源频率改为100 Hz，下列说法正确的有()图535A电流表示数增大B电压表示数增大C灯泡变暗D灯泡变亮解析：选BC由u220 sin 100t V，可得电源原来的频率为fHz50 Hz。当电源频率由原来的50 Hz增为100 Hz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(PI2R)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UULUR，因
8、URIR，电流I减小时，UR减小，因电源电压有效值保持不变，故UL(UUR)增大，选项B正确。电阻、感抗、容抗的比较电阻感抗容抗产生原因定向移动的自由电荷与不动的离子间的碰撞由于电感线圈的自感现象阻碍电流的变化电容器两极板上积累的电荷对向这个方向定向移动的电荷的反抗作用在电路中特点对直流、交流均有阻碍作用阻交流通直流阻高频通低频隔直流通交流阻低频通高频决定因素由导体本身(长短、粗细、材料)决定，与温度有关由线圈本身的自感系数和交流电的频率f决定由电容的大小和交流电的频率f决定电能的转化电能转化为内能电能和磁场能往复转化电能与电场能往复转化典例如图536所示的电路中，交流电的有效值不变，如果交流
9、电的频率增大，三盏电灯的亮度将如何改变？为什么？图536解析当交变电流的频率增大时，线圈对交变电流的阻碍作用增大，通过灯泡L1的电流将减小，所以灯泡L1的亮度将变暗；而电容器对交变电流的阻碍作用随交变电流频率的增大而减小，即流过灯泡L2的电流增大，所以灯泡L2的亮度将变亮；由于电阻的大小与交变电流的频率无关，流过灯泡L3的电流不变，因此其亮度不变。答案见解析(1)电阻的大小与交变电流的频率无关。(2)感抗的大小随交变电流频率的增大而增大。(3)容抗的大小随交变电流频率的增大而减小。 1. (多选)在频率为f的交变电流电路中，如图537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
10、流有效值相等。若将交变电流的频率提高到2f，维持其他条件不变，则下列几种情况可能的是()图537A通过R的电流有效值不变B通过C的电流有效值变大C通过L的电流有效值减小D通过R、C、L的电流有效值都不变解析：选ABC电阻对交变电流的阻碍作用即电阻大小，与电流的频率无关，因此通过电阻的电流有效值不变，A对；电感对交变电流的阻碍作用感抗随交变电流频率变大而变大，通过L的电流有效值减小，C对；电容的容抗随交变电流频率变大而变小，通过C的有效值变大，B对，D错。2.如图538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538A三个灯亮度相同B
11、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，乙灯最亮解析：选D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对交流和直流有相同的阻抗。可判断此时电路中I丙0，I甲不变，I乙增大；又因为灯泡亮度与电功率(PI2R)成正比，所以只有丙灯不亮，乙灯最亮。电感和电容的综合应用典例如图539所示， 线圈的自感系数L和电容器的电容C都很小(如L1 mH，C200 pF)，此电路的重要作用是()图539A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
12、，输出低频交流和直流思路点拨解答本题时，应把握以下两点：(1)弄清楚电路中包含哪些元件及电路的连接方式；(2)明确电感器、电容器对交变电流的阻碍作用的特点。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电感和电容的组合应用连接方式作用能够更好地滤掉电流中的交流成分或高频成分能够更好地滤掉电流中的直流成分和低频成分1.在收音机线路中，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，
13、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5310装置电路，其中代号a、b应选择的元件是()图5310Aa是电容较大的电容器，b是低频扼流线圈Ba是电容较大的电容器，b是高频扼流线圈Ca是电容较小的电容器，b是高频扼流线圈Da是电容较小的电容器，b是低频扼流线圈解析：选C电容器具有“通高频、阻低频”作用，这样的电容器电容应较小，故a处接电容较小的电容器。电感线圈在该电路中要求做“通低频、阻高频”，所以b处应接一个高频扼流线圈。2.如图5311所示是常用电器中电源部分的滤波装置，当输入端输入含有直流成分、交流高频成分和交流低频成分的电流时，能在输出端得到稳定的直流电。
14、试分析其工作原理及各电容器和电感器的作用。图5311解析：当含有多种成分的电流输入到C1两端时，由于C1的“通交流、隔直流”的作用，电流中的交流成分被衰减，而线圈L有“通直流、阻交流”的作用，直流成分顺利通过L, 一小部分交流通过L，到达C2两端时，C2进一步滤掉交流成分，这样在输出端就得到较稳定的直流电。答案：见解析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。一铁芯插进线圈之后，该灯将()图1A变亮B变暗C对灯没影响D无法判断解析：选B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，降落在灯上的电压减小，所以灯变暗。2如图2所示的电路，F为一交流发电
15、机，C为平行板电容器，为使电流表A的示数增加，可行的办法是图2()A使发电机F的转速增加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：选A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，使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示数减小，C、D两项均错误。3下列说法中错误的是()A电感的感抗只由线圈自身决定B同一电感对于不同频率的交变电流的感抗不同C电容器的容抗与电容器的电容值及交变电流
16、的频率都有关D同一电容器，接入不同频率的电路中，电容器的容抗不同解析：选A电感的感抗由线圈的自感系数L和交变电流的频率f共同决定，A错，B对；电容是电容器本身的特点，容抗由电容C和交变电流的频率f共同决定，C、D正确。4(多选)对电容器能通过交变电流的原因，下列说法中正确的是()A当电容器接到交流电源上时，因为有自由电荷通过电容器，电路中才有交变电流B当电容器接到交流电源上时，电容器交替进行充电和放电，电路中才有交变电流C在有电容器的交流电路中，没有电荷定向移动D在有电容器的交流电路中，没有电荷通过电容器解析：选BD直流电不能通过电容器，将电容器接在交流电路中，由于电容器上电压改变，电容器充放
17、电交替进行，在电路上形成了电流，相当于交变电流“通过”了电容器。电容器通电实质是反复充放电来实现通电的，实际并无电荷通过电容器。5(多选)电感对交变电流影响的以下说法中，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越大，感抗就越小C电感具有“通交流、阻直流，通高频、阻低频”的性质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：选AD电感对交变电流有阻碍作用，且频率越高阻碍作用越大。线圈自感系数越大，对相同频率的交变电流阻碍作用越大，故A、D正确。电感有“通直流、阻交流，通低频、阻高频”的特点，故C错。6直流电源的电压与交流电源电压的有效值相同，自
18、感线圈的直流电阻不计，则灯泡发光最亮的是()解析：选D电容C、电感L都对交流电有阻碍作用，故A、B两图中灯不是最亮的；C图中灯被短路，不亮；D图中电容C有隔直流作用，所以D中灯泡最亮。7.如图3所示的电路中，正弦交流电源电压的有效值为220 V，则关于交流电压表的示数，以下说法中正确的是 ()图3A等于220 V B大于220 VC小于220 V D等于零解析：选C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。8某信号源中有直流成分、交流高频成分和交流低频成分，为使放大器仅得到交流低频成分，电路中可
19、行的选项是()解析：选D信号中含有三种成分，去掉直流成分用隔直电容即可，因此排除A、B。而C中交流高、低频成分均进入放大器，需加入另一旁路电容C2，所以D项正确。9.如图4所示，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20 mH的高频扼流圈，C是一个100 pF的电容器，R是负载电阻。下列说法错误的是()图4AL的作用是“通低频，阻高频”BC的作用是“隔直流，通交流”CC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：选BL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，在图
20、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，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。10(多选)从某一装置输出的交流常常既有高频成分，又有低频成分。如果只需要把低频成分输送到下一级装置，可采用的电路是()解析：选AD由于只需将低频成分输送到下一级装置，可将高频成分分流，但低频成分不能通过，即需要高频旁路电容器，选项A正确。也可以直接阻碍高频成分通过，即阻高频、通低频，可以采用高频扼流圈，选项D正确。11如图5所示的甲、乙、丙三种电
21、路是电子技术中的常用电路，a、b是输入端，其中高频成分用“”表示，低频成分用“”表示，直流成分用“”表示，则甲、乙、丙负载R上得到的电流的主要特征各是什么？图5解析：甲：低频成分；因电容器有隔直流作用，低频可通过。乙：低频成分；因电容C对高频有旁路作用，C较小，通高频，阻低频。丙：直流成分；因电容C有旁路作用和隔直流作用，C越大，容抗越小， 低频成分越容易通过旁路。答案：见解析12. “二分频”音箱内有两个不同口径的扬声器，它们的固有频率分别处于高音、低音频段，分别称为高音扬声器和低音扬声器。音箱要将扩音机送来的含有不同频率的混合音频电流按高、低频段分离出来，送往相应的扬声器，以便使电流所携带
22、的音频信息按原比例还原成高、低频的机械振动。图6所示为音箱的电路图，高、低频混合电流由a、b端输入，L1和L2是线圈，C1和C2是电容器，则()图6A甲扬声器是高音扬声器BC2的作用是阻碍低频电流通过乙扬声器CL1的作用是阻碍低频电流通过甲扬声器DL2的作用是减弱乙扬声器的高频电流解析：选B甲扬声器中，L1串联在电路中，对高频电流的阻碍作用很大，对低频电流的阻碍作用较小；C1并联在电路中，对高频电流的阻碍作用小，可以给高频电流提供通路，使低频电流通过甲扬声器传出，所以甲为低音扬声器。乙扬声器中，C2串联在电路中，对低频电流的阻碍作用很大，对高频电流的阻碍作用较小，L2并联在电路中，对低频电流的阻碍作用较小，可以给低频电流提供通路，使高频电流通过乙扬声器传出，所以乙为高音扬声器。
