高中物理第五章交变电流3电感和电容对交变电流的影响学案新人教选修3-2

3 电感和电容对交变电流的影响目标定位1.通过实验了解电容、电感对交变电流的阻碍，能够分析简单电路中的电容、电感的作用.2.知道感抗、容抗，了解感抗、容抗与哪些因素有关.一、电感器对交变电流的阻碍作用1.实验探究：(如图1所示)图1取直流电源的电压与交流电电压的有效值相等.(1)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.(选填“亮些”或“暗些”)(2)实验结论：电感线圈对交变电流有阻碍作用.2.感抗：(1)定义：电感器对交变电流阻碍作用的大小.(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)感抗的应用类型区别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、阻高频深度思考电感器为什么对交变电流有阻碍作用？答案电感器的阻碍作用是由交变电流通过线圈时的自感电动势引起的，自感系数越大，交变电流的频率越高，自感电动势越大，对电流的阻碍作用越大.例1在如图2所示的电路中，L为电感线圈，D为灯泡，电流表的内阻为0，电压表的内阻无限大，交流电源的电压为u220sin(100t)V.若保持电压的有效值不变，只将电源的频率改为100 Hz，下列说法中正确的是()图2A.电流表的示数增大B.电压表的示数增大C.灯泡变暗D.灯泡变亮解析由u220sin(100t)V，可得电源原来的频率为f Hz50 Hz，当电源的频率由原来的50 Hz增大为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D的电阻是一定的，电流减小时，灯泡D实际消耗的电功率PI2R减小，灯泡D变暗，选项C正确，选项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D两端的电压为UD，则电源电压的有效值为UULUD，因UDIR，故电流I减小时，UD减小，因电源电压的有效值保持不变，故ULUUD增大，选项B正确.答案BC线圈对交变电流感抗的大小不仅与线圈自身(自感系数)有关，还与交变电流的频率有关.交流电的频率越大，感抗越大.二、电容器对交变电流的影响1.交变电流能够通过电容器：(1)实验电路(如图3)：图3(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，直流不能通过电容器.2.容抗：(1)定义：电容器对交变电流阻碍作用的大小.(2)影响因素：电容器的电容越大，交流的频率越高，容抗越小.(3)作用：“通交流，隔直流；通高频，阻低频”.深度思考(1)交变电流为什么能“通过”电容器？(2)电容器为什么会对交变电流有阻碍作用？答案(1)把交流电源接到电容器两个极板，电容器交替进行充电和放电，于是电路中就有了电流，好像是交变电流“通过”了电容器，但实际自由电荷并没有通过电容器两极板间的绝缘介质.(2)对于在导线中形成电流的自由电子来说，当电源的电动势推动它们向某一方向做定向运动时，电容器两极板上积聚的电荷就阻碍它们向这个方向运动，这就产生了电容器对交变电流的阻碍作用.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4A.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QCU可知，选项A错误.答案C交变电流不同于直流，交变电流能“通过”电容器，所以灯泡会亮.交变电流的频率改变，电容器的容抗改变，电容器两端的电压变化，灯泡两端的电压也随着变化.例3如图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5A.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，A正确，B错误；乙图中电容器能通过交流高频成分，阻碍交流低频成分，R得到的是低频成分，C正确，D错误.答案AC电容器对交流电的阻碍作用概括为“通交流、隔直流；通高频，阻低频”.三、电阻、感抗、容抗的作用及区别1.容抗的大小除了与电容自身的性质有关外，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XL2fL.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如图6所示，当交流电源电压恒为220 V，频率为50 Hz 时，三只灯泡A、B、D的亮度相同，若将交流电的频率改为100 Hz，则()图6A.A灯最暗B.B灯最暗C.D灯最暗D.三只灯泡的亮度依然相同解析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，所以A灯变暗，B灯变亮，D灯亮度不变，故A正确.答案A电感器、电容器对交变电流的阻碍作用与交变电流的频率有关，而电阻对交变电流的阻碍作用和交变电流的频率无关.1.(感抗及其应用)(多选)如图7所示的实验电路中，若交流电压的有效值与直流电压相等，S为双刀双掷开关，下列叙述中正确的是()图7A.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解析线圈对恒定电流无感抗，对交变电流有感抗，并且有铁芯时感抗变大.故选项A、C正确.2.(容抗及其应用)(多选)如图8所示，接在交流电源上的灯泡正常发光，以下说法正确的是()图8A.把电介质插入电容器，灯泡变亮B.增大电容器两板间的距离，灯泡变亮C.减小电容器两板间的正对面积，灯泡变暗D.使交变电流频率减小，灯泡变暗答案ACD解析电容器的电容与介电常数成正比，与正对面积成正比，与两板间距离成反比.而容抗与电容成反比，与频率成反比.把电介质插入电容器，电容变大，容抗减小，灯泡变亮，A正确；电容器两板间的距离增大，电容减小，容抗增大，灯泡变暗，B错误；减小电容器两板间的正对面积，电容减小，容抗增大，灯泡变暗，C正确；交流电的频率减小，容抗增大，灯泡变暗，D正确.3.(感抗、容抗的区别)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9所示的装置电路，其中代号a、b应选择的元件是()图9A.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解析a应该将高频成分旁路掉，所以应该用电容较小的电容器；b应该让低频成分通过，所以应该用高频扼流圈.故选项D正确.4.(电阻、感抗、容抗的区别)如图10所示，把电阻R、电感线圈L、电容器C并联到一交流电源上，三个电流表的示数相同.若保持电源电压大小不变，而将频率降低，则三个电流表的示数I1、I2、I3的关系是()图10A.I1I2I3 B.I1>I2>I3C.I2>I1>I3 D.I3>I1>I2答案C解析在交流电路中，当频率减小时，电阻对交流的阻碍作用不变，电感线圈对交流的阻碍作用(感抗)减小，电容器对交流的阻碍作用(容抗)增大.电流与电压、电阻(感抗、容抗)的关系符合欧姆定律.所以R支路电流I1不变，L支路电流I2增大，C支路电流I3减小，选项C正确.题组一感抗及其应用1.如图1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1A.等于220 V B.大于220 VC.小于220 V D.等于零答案C解析电感线圈对交变电流产生感抗，具有“通直流、阻交流，通低频、阻高频”的作用，故C正确.2.一个灯泡通过一个线圈与一交流电源相连接，如图2所示.一块铁插进线圈之后，该灯将()图2A.变亮 B.变暗C.没有影响 D.无法判断答案B解析插入铁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.3.如图3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在交流电源上时，灯泡的实际功率为P2，则()图3A.P1P2 B.P1P2C.P1P2 D.不能比较答案B解析接在直流电源上，线圈对直流没有阻碍作用，电能全部转化为灯泡的内能，而当接至交流电源上时，线圈对电流有阻碍作用，因此电能除转化成灯泡的内能外，还有一部分电能转化为磁场能，故P1P2.题组二容抗及其应用4.(多选)对电容器能通交变电流的原因，下列说法正确的是()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答案BD解析电容器实质上是通过反复充、放电来实现通电的，并无电荷通过电容器.5.如图4所示，白炽灯和电容器串联后接在交流电源的两端，当交流电的频率增加时()图4A.电容器电容增加B.电容器电容减小C.灯变暗D.灯变亮答案D解析由C可知，C与f无关，故C不变，A、B错误.交变电流的频率增加，容抗变小，电流变大，故D正确.6.如图5所示的电路，F为一交流发电机，C为平行板电容器，为使电流表的示数增加，可行的方法是()图5A.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，电容器容抗减小，电流表的示数增大，A项正确，B项错误；换用介电常数较小的电介质，电容C减小，增大两极板间距离时，电容C也减小，容抗增大，对交变电流的阻碍作用增大，电流表的示数减小，C、D项错误.题组三电阻、感抗和容抗的区别7.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，如图所示电路中可行的是()答案D解析A图放大器得到所有成分.B图放大器可得到直流成分，若为高频扼流圈也能得到低频成分.C图既可得高频成分也可得低频成分.D图通过C1的是高、低频成分都有，通过C2的旁路电容将高频成分滤去，故只有D合适.8.(多选)如图6所示的电路中，A、B、C三灯亮度相同，电源为220 V、50 Hz的交流电源，以下叙述中正确的是()图6A.改接220 V、100 Hz的交流电源时，A灯变亮，B灯变暗，C灯亮度不