2019-2020學(xué)年高中物理 第二章 交變電流 第四節(jié) 第五節(jié) 電感器對(duì)交變電流的作用 電容器對(duì)交變電流的作用學(xué)案 粵教版選修3-2

第四節(jié) 電感器對(duì)交變電流的作用 第五節(jié) 電容器對(duì)交變電流的作用學(xué)科素養(yǎng)與目標(biāo)要求物理觀念：1.了解電感器和電容器對(duì)交變電流的阻礙和導(dǎo)通作用.2.建立感抗和容抗的概念，知道其物理意義及影響因素科學(xué)探究：通過(guò)觀察演示實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象歸納出電感器和電容器對(duì)交變電流的作用科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：在利用科學(xué)知識(shí)解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的過(guò)程中，逐步培養(yǎng)學(xué)生大膽提出科學(xué)猜想的精神一、電感器對(duì)交變電流的作用1電感器：由絕緣導(dǎo)線(如漆包線、紗包線等)一圈緊靠一圈地繞制而成，又稱電感線圈，電感器用字母“L”及電路符號(hào)表示2電感器對(duì)交變電流的作用的實(shí)驗(yàn)探究(1)結(jié)論：電感器對(duì)恒定電流是導(dǎo)通的，對(duì)交變電流有阻礙作用(2)成因：由于自感作用，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)阻礙電流的變化，形成了對(duì)交變電流的阻礙作用(3)影響因素：電感器的自感系數(shù)越大，交變電流的頻率越大，阻礙作用越大3低頻扼流圈和高頻扼流圈名稱比較內(nèi)容低頻扼流圈高頻扼流圈特點(diǎn)匝數(shù)多、自感系數(shù)大匝數(shù)少、自感系數(shù)小應(yīng)用通直流，阻交流通直流、通低頻、阻高頻二、電容器對(duì)交變電流的作用1交變電流能夠通過(guò)電容器(1)現(xiàn)象：恒定電流不能通過(guò)電容器，交變電流能通過(guò)電容器，電容器具有“隔直流、通交流”的特性(2)實(shí)質(zhì)：電壓變化時(shí)，電容器交替進(jìn)行充電和放電，電路中有了電流，好像交變電流“通過(guò)”了電容器2電容器對(duì)交變電流的阻礙作用的實(shí)驗(yàn)探究(1)結(jié)論：電容器對(duì)交變電流有阻礙作用(2)成因：電源電壓推動(dòng)自由電荷向某一方向定向運(yùn)動(dòng)時(shí)，電容器兩極板上積累的電荷反抗它們向這個(gè)方向定向運(yùn)動(dòng)(3)影響因素：電容越大，交變電流的頻率越高，阻礙作用越小3隔直流電容器和高頻旁路電容器：圖1(1)圖1甲為隔直電容器，作用是“通交流、隔直流”(2)圖乙為高頻旁路電容器，作用是“通高頻，阻低頻”1判斷下列說(shuō)法的正誤(1)線圈的匝數(shù)越多，對(duì)同一個(gè)交變電流的阻礙作用就越大()(2)線圈對(duì)交變電流的阻礙作用隨著交變電流的頻率的變大而減小(×)(3)電流“通過(guò)”電容器，并不是電荷穿過(guò)電容器兩極板間的絕緣層到達(dá)另一極板，而是電容器不斷地充放電的表現(xiàn)()(4)電容器的電容越大，對(duì)同一交變電流的阻礙作用就越大(×)2在頻率為f的交變電流電路中，如圖2所示，當(dāng)開(kāi)關(guān)S依次分別接通R、C、L支路，這時(shí)通過(guò)各支路的電流有效值相等若將交變電流的頻率提高到2f，保持其他條件不變，則通過(guò)R的電流有效值_，通過(guò)C的電流有效值_，通過(guò)L的電流有效值_(選填“變大”“變小”或“不變”)圖2答案不變變大變小一、電感器對(duì)交變電流的阻礙作用的分析如圖所示，把帶鐵芯的線圈L與小燈泡串聯(lián)起來(lái)，先把它們接到直流電源上，再把它們接到有效值等于直流電源電壓的交流電源上(1)兩種情況下燈泡的亮度有什么不同？說(shuō)明了什么？(2)乙圖中換用自感系數(shù)更大的線圈或調(diào)換頻率更高的交流電源，燈泡的亮度有何變化？說(shuō)明了什么？答案(1)甲圖中燈泡比乙圖中燈泡更亮，說(shuō)明電感器對(duì)交變電流有阻礙作用(2)不論是換用自感系數(shù)更大的線圈還是調(diào)換頻率更高的交流電源，燈泡均變得更暗，說(shuō)明線圈的自感系數(shù)越大，交流電源的頻率越高，線圈對(duì)交變電流的阻礙作用越大1線圈對(duì)交變電流產(chǎn)生阻礙作用的原因交變電流通過(guò)電感器時(shí)，由于電流時(shí)刻在變化，在線圈中就會(huì)產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)，而自感電動(dòng)勢(shì)總是阻礙原電流的變化，故電感器對(duì)交變電流產(chǎn)生阻礙作用2影響感抗大小的因素(1)交變電流的頻率交變電流的頻率大時(shí)，交變電流變化得快，磁場(chǎng)變化得就快，自感電動(dòng)勢(shì)就大，即阻礙交變電流的通過(guò)的作用就大，則感抗也就大(2)線圈的自感系數(shù)線圈的自感系數(shù)大時(shí)，同樣的交變電流和磁通量的變化率，產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)大，也就是阻礙交變電流通過(guò)的作用就大，則感抗也就大3感抗大小分析思路例1(多選)如圖3所示實(shí)驗(yàn)電路中，若直流電壓和交變電壓的有效值相等，S為雙刀雙擲開(kāi)關(guān)，下列敘述正確的是()圖3A當(dāng)S擲向a、b時(shí)燈較亮，擲向c、d時(shí)燈較暗B當(dāng)S擲向a、b時(shí)燈較暗，擲向c、d時(shí)燈較亮CS擲向c、d，把電感線圈中的鐵芯抽出時(shí)燈變亮DS擲向c、d，電源電壓不變，而使頻率減小時(shí)，燈變暗答案AC解析線圈對(duì)直流無(wú)感抗，對(duì)交變電流有感抗，當(dāng)交變電流頻率減小時(shí)，感抗變小，燈變亮；有鐵芯時(shí)感抗更大，故鐵芯抽出時(shí)燈變亮二、電容器對(duì)交變電流的阻礙作用如圖甲、乙所示，把燈泡和電容器串聯(lián)起來(lái)，先把它們接到直流電源上，再把它們接到交流電源上(1)觀察燈泡的發(fā)光情況，并分析原因(2)若把圖乙中的電容器去掉，變成圖丙所示電路，會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？說(shuō)明了什么？(3)在圖乙中，改變電容器的電容和電源頻率，燈泡亮度會(huì)有什么變化？說(shuō)明了什么？答案(1)題圖甲中的燈泡不亮，題圖乙中的燈泡亮題圖甲中的電源是直流電源，電容器在電路中相當(dāng)于斷路，電路中沒(méi)有電流，燈泡不亮題圖乙中的電源是交流電源，把交流電源接到電容器兩個(gè)極板上后，電容器交替進(jìn)行充電和放電，電路中就有了電流，好像是交流“通過(guò)”了電容器，燈泡就亮了，但實(shí)際上自由電荷并沒(méi)有通過(guò)電容器兩極板間的絕緣介質(zhì)(2)燈泡變得比乙中亮，說(shuō)明電容器對(duì)交變電流有阻礙作用(3)電容越大，燈泡越亮；頻率越高，燈泡越亮電容器的電容和交變電流的頻率都對(duì)電容器對(duì)交變電流的阻礙作用有影響1電容器對(duì)交變電流的阻礙作用電源電壓推動(dòng)自由電荷定向移動(dòng)，而電容器兩極板上積累的電荷抗拒自由電荷的定向移動(dòng)，從而使電容器對(duì)交變電流有阻礙作用2影響電容器容抗的兩個(gè)因素(1)電容器的電容：電容器的電容越大，電容器容納電荷的本領(lǐng)就越大，即在容納相同電荷的情況下，電容大時(shí)電壓小，電場(chǎng)力也小，對(duì)電荷充電時(shí)受到的阻力就小，所以容抗就小(2)交變電流的頻率：交變電流的頻率高時(shí)，充電和放電的時(shí)間就短，相同電路電容器上聚集的電荷就少，電容器所達(dá)到的電壓就小，排斥充電和放電的電場(chǎng)力就小，從而阻礙作用就小，容抗就小例2如圖4所示，電路由交流電源供電，最大電壓保持不變，如果交變電流的頻率升高，則下列說(shuō)法中正確的是()圖4A電容器上的電荷量最大值增大B電容器的容抗增大C電路中燈泡的亮度變亮D電路中燈泡的亮度變暗答案C解析當(dāng)交變電流的頻率升高時(shí)，電容器的容抗減小，燈泡的亮度變亮，燈泡兩端的電壓變大，故選項(xiàng)C正確，選項(xiàng)B、D錯(cuò)誤；由QCU可知，選項(xiàng)A錯(cuò)誤例3(多選)圖5甲、乙兩圖是電子技術(shù)中的常用電路，a、b是各部分電路的輸入端，其中輸入的交流高頻成分用“”表示，交流低頻成分用“”表示，直流成分用“”表示關(guān)于兩圖中負(fù)載電阻R上得到的電流特征是()圖5A圖甲中R得到的是交流成分B圖甲中R得到的是直流成分C圖乙中R得到的是低頻成分D圖乙中R得到的是高頻成分答案AC解析當(dāng)交變電流加在電容器上時(shí)，電容器有“通交流、隔直流，通高頻、阻低頻”的特性，題圖甲中電容器隔直流，R得到的是交流成分，A正確，B錯(cuò)誤；題圖乙中交流高頻成分能通過(guò)電容器，電容器阻礙交流低頻成分，R得到的是低頻成分，C正確，D錯(cuò)誤三、電阻、感抗、容抗的對(duì)比1容抗的大小除了與電容器自身的性質(zhì)有關(guān)外，還與交變電流的頻率有關(guān)若用XC表示容抗，則XC.2感抗的大小除了與電感線圈自身的性質(zhì)有關(guān)外，還與交變電流的頻率有關(guān)若用XL表示感抗，則XL2fL.3電阻無(wú)論對(duì)直流還是交流，阻礙作用相同，只取決于電阻本身例4(多選)(2017·成都市高二檢測(cè))如圖6所示的電路中，A、B、C三燈亮度相同，電源為220V、50Hz的交流電源，以下敘述中正確的是()圖6A改接220V、100Hz的交流電源時(shí)，A燈變亮，B燈變暗，C燈亮度不變B改接220V、100Hz的交流電源時(shí)，A燈變暗，B燈變亮，C燈變亮C改接220V的直流電源時(shí)，A燈熄滅，B燈變亮，C燈亮度不變D改接220V的直流電源時(shí)，A燈熄滅，B燈變亮，C燈變暗答案AC解析增大交流電源的頻率時(shí)，感抗增大，容抗減小，電阻的阻礙作用不變，故A燈變亮，B燈變暗，C燈亮度不變，故A正確，B錯(cuò)誤；改接直流電源時(shí)，電容器相當(dāng)于斷路，A燈熄滅，線圈無(wú)感抗，B燈更亮，電阻R阻礙作用不變，C燈亮度不變，故C正確，D錯(cuò)誤提示(1)在分析電流變化時(shí)，把感抗、容抗類比于導(dǎo)體的電阻，再用歐姆定律分析(2)電感和電容對(duì)交、直流電的作用可記為：電感器“通直流、阻交流，通低頻、阻高頻”；電容器“通交流、隔直流，通高頻、阻低頻”學(xué)科素養(yǎng)通過(guò)例4進(jìn)一步建立了感抗和容抗的概念；知道電阻、電感器、電容器在直流電路和交流電路中的作用：1.電阻對(duì)交流、直流有相同的阻礙作用，交流頻率變化時(shí)，阻礙作用不變.2.電容器通交流、隔直流，通高頻、阻低頻.3.電感器通直流、阻交流，通低頻、阻高頻通過(guò)這樣的提煉和升華，很好地體現(xiàn)了“物理觀念”的學(xué)科素養(yǎng)1(感抗的理解)(多選)在如圖7所示的電路中，L為電感線圈，燈泡的電阻值為R，電流表內(nèi)阻為零，電壓表內(nèi)阻無(wú)限大，交流電源的電壓u220sin (100t) V若保持電壓的有效值不變，只將電源頻率改為100Hz，下列說(shuō)法正確的是()圖7A電流表示數(shù)增大B電壓表示數(shù)增大C燈泡變暗D燈泡變亮答案BC解析由u220sin (100t) V，可得電源原來(lái)的頻率fHz50Hz，當(dāng)電源頻率由原來(lái)的50Hz增為100Hz時(shí)，線圈的感抗增大，在電壓不變的情況下，電路中的電流減小，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；燈泡的電阻值R是一定的，電流減小時(shí)，燈泡實(shí)際消耗的電功率(PI2R)減小，燈泡變暗，選項(xiàng)C正確，D錯(cuò)誤；電壓表與電感線圈并聯(lián)，其示數(shù)為線圈兩端的電壓UL，設(shè)燈泡兩端電壓為UR，則電源電壓的有效值為UULUR，因URIR，故電流I減小時(shí)，UR減小，因電源電壓的有效值保持不變，故ULUUR增大，選項(xiàng)B正確2(容抗的理解)如圖8所示的電路，F(xiàn)為一交流發(fā)電機(jī)，C為平行板電容器，為使電流表A的示數(shù)增大，可行的辦法是 ()圖8A使發(fā)電機(jī)F的轉(zhuǎn)速增大B使發(fā)電機(jī)F的轉(zhuǎn)速減小C在平行板電容器間換用相對(duì)介電常數(shù)較小的電介質(zhì)D使電容器兩極板間的距離增大答案A解析當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速增大時(shí)，交變電流的頻率增大，電容器容抗減小，電流表A的示數(shù)增大，A項(xiàng)正確，B項(xiàng)錯(cuò)誤；在平行板電容器間換用相對(duì)介電常數(shù)較小的電介質(zhì)時(shí)，電容器的電容減小，電容器兩極板間距離增大時(shí)電容也減小，當(dāng)電容減小時(shí)，容抗增大，對(duì)交變電流的阻礙作用增大，電流表A的示數(shù)減小，C、D項(xiàng)錯(cuò)誤3(電阻、感抗、容抗的對(duì)比)(2018·撫順市六校高二下學(xué)期期末)在一小型交流發(fā)電機(jī)中，矩形金屬線圈abcd的面積為S，匝數(shù)為n，線圈總電阻為r，外電路如圖9所示，其中三個(gè)燈泡都可視為阻值相等的定值電阻，如果線圈在磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中繞垂直于磁場(chǎng)的OO軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，角速度為時(shí)燈泡L1最亮，燈泡L2、L3一樣亮，現(xiàn)將線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度增大到2，則下列說(shuō)法中正確的是()圖9A燈泡L1最亮，燈泡L3次之，L2最暗B燈泡L1最亮，燈泡L2次之，L3最暗C燈泡L1最亮，燈泡L2、L3一樣亮D燈泡L3最亮，燈泡L1次之，L2最暗答案A解析當(dāng)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度變大時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值變大，交變電流的頻率變大，則電感線圈對(duì)交變電流的感抗增大，電容器對(duì)交變電流的容抗減小，燈泡L1最亮，燈泡L3次之，L2最暗，A正確4(電阻、感抗、容抗的對(duì)比)(多選)如圖10所示的電路中，a、b兩端連接的交流電源中既含高頻交流，又含低頻交流，L是一個(gè)25mH的高頻扼流圈，C是一個(gè)100pF的電容器，R是負(fù)載電阻，下列說(shuō)法正確的是()圖10AL的作用是“通低頻，阻高頻”BC的作用是“通低頻，隔高頻”CC的作用是“通高頻，阻低頻”D通過(guò)R的電流中，低頻交流所占的百分比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高頻交流所占的百分比答案ACD解析因?yàn)殡姼衅鱈是一個(gè)高頻扼流圈，“通低頻，阻高頻”，選項(xiàng)A正確；C是一個(gè)電容較小的電容器，所以對(duì)低頻的交流容抗就較大，選項(xiàng)C正確，B錯(cuò)誤；根據(jù)分析可知通過(guò)電阻R的電流中，低頻交流所占百分比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高頻交流所占的百分比，選項(xiàng)D正確5.(感抗與容抗的拓展應(yīng)用)(多選)如圖11所示，某電子電路的輸入端輸入電流既有直流成分，又有交流低頻成分和交流高頻成分若通過(guò)該電路只把交流的低頻成分輸送到下一級(jí)，那么關(guān)于該電路中各器件的作用，下列說(shuō)法中正確的有()圖11AL在此的功能為通直流，阻交流，叫高頻扼流圈BC1在此的功能為通交流，隔直流，叫隔直電容CC2在此的功能為通高頻、阻低頻，叫高頻旁路電容D上述說(shuō)法都正確答案BC解析L在此的功能為通直流、阻交流，將低頻的交流成分送到下一級(jí)，是低頻扼流圈，自感系數(shù)很大，故A錯(cuò)誤；C1在此的功能為通交流，隔直流，使直流不能到達(dá)下一級(jí)電路，叫隔直電容，故B正確；C2與輸出電路并聯(lián)，功能為通高頻，阻低頻，使高頻成分能通過(guò)，低頻成分到達(dá)下一級(jí)，C2又叫高頻旁路電容，故C正確；由以上分析可知，D錯(cuò)誤6.(電感和電容的實(shí)際應(yīng)用)(多選)(2017·江蘇單科)某音響電路的簡(jiǎn)化電路圖如圖12所示，輸入信號(hào)既有高頻成分，也有低頻成分，則()圖12A電感線圈L1的作用是通高頻B電容器C2的作用是通高頻C揚(yáng)聲器甲用于輸出高頻成分D揚(yáng)聲器乙用于輸出高頻成分答案BD解析在電路中電感線圈的作用是“通直流、阻交流，通低頻、阻高頻”，在電路中電容器的作用是“通交流、隔直流，通高頻、阻低頻”，所以A錯(cuò)誤，B正確揚(yáng)聲器甲輸出低頻成分，揚(yáng)聲器乙輸出高頻成分，故C錯(cuò)誤，D正確10