2024-2025学年高中物理第2章交变电流第4节电感器对交变电流的作用第5节电容器对交变电流的作用学案粤教版选修3-2

PAGE9-第四节电感器对交变电流的作用第五节电容器对交变电流的作用[学习目标]1.通过试验了解电感对交变电流的阻碍作用，知道感抗与哪些因素有关．(重点)2.通过试验了解电容对交变电流的阻碍作用，能够理解交变电流能“通过”电容器，并知道容抗与哪些因素有关．(重点)3.了解电感器“通直流、阻沟通”和“通低频、阻高频”的特点及其详细应用，能从能量的角度分析各元件的性能，并将其作为电路设计的选择基础．(难点)4.了解电容器“隔直流、通沟通”和“阻低频、通高频”的特点及其详细应用．(难点)一、电感器对交变电流的作用1．试验电路图2．感抗(1)物理意义：表示电感器对交变电流的阻碍作用的大小．(2)影响感抗大小的因素：线圈的自感系数越大，沟通的频率越高，感抗越大．3．感抗的应用类型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、阻沟通通直流、通低频、阻高频二、电容器对交变电流的阻碍作用1．试验电路(如图所示)2．试验现象：电路中串有电容器时，接通直流电源，灯泡不亮；接通沟通电源，灯泡亮．3．试验结论：交变电流能够通过电容器，直流电流不能通过电容器．4．容抗：表示电容器对交变电流阻碍作用的大小．5．影响容抗的因素：电容器的电容越大，沟通的频率越高，容抗越小．6．应用：电容器具有“隔直流，通沟通”的作用．1．思索推断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)同一个线圈对直流和对沟通的阻碍作用是相同的．(×)(2)线圈的匝数越多，对同一个交变电流的阻碍作用就越大．(√)(3)线圈对交变电流的阻碍作用随着交变电流的频率的变大而减小．(×)(4)电流通过电容器，并不是电荷穿过电容器两极板间的绝缘层到达另一极板，而是电容器不断地充放电的表现．(√)(5)电容器的电容越大对同一交变电流的阻碍作用就越大．(×)2．交变电流通过一段长直导线时，电流为I，假如把这根长直导线绕成线圈再接入原电路，通过线圈的电流为I′，则()A．I′>I B．I′<IC．I′＝I D．无法比较B[长直导线的自感系数很小，感抗可忽视不计，其对交变电流的阻碍作用可以看成纯电阻，流经它的交变电流只受到导线电阻的阻碍作用．当导线绕成线圈后，电阻值未变，但自感系数增大，对交变电流的阻碍作用不但有电阻，而且有感抗，其阻碍作用增大，电流减小．故B正确．]3.在如图所示电路中，u是有效值为220V的沟通电源，C是电容器，R是电阻．关于沟通电压表的示数，下列说法正确的是()A．等于220V B．大于220VC．小于220V D．等于零C[交变电流“通过”电容器，电阻R中有电流，电压表的示数不为零；电容器与电阻串联，依据串联分压原理可知电阻两端电压应小于电源电压．]对感抗的相识1.电感线圈对交变电流的阻碍作用的本质交变电流通过线圈时，由于电流时刻都在改变，所以自感现象就不断地发生，而自感电动势总是要阻碍电流改变的，这就是线圈的电感对交变电流的阻碍作用．因此，感抗的产生是由线圈的自感现象引起的．直流电通过线圈时，电流的大小、方向都不变，线圈中不产生自感电动势，也就没有感抗．2．感抗电感线圈对电流的阻碍作用．感抗用“XL”表示，XL＝2πfL＝ωL，其中f是沟通电的频率，L是线圈的自感系数．3．感抗与电感的关系线圈的自感系数越大，交变电流的频率越高，产生的自感电动势就越大，感抗就越大，对交变电流的阻碍作用也就越大．4．线圈(扼流圈)的分类依据不同线圈对沟通电的阻碍作用不同分类：(1)低频扼流圈①构造：闭合铁芯、绕在铁芯上的线圈．②特点：匝数多、自感系数L大、电阻很小．它对低频沟通会产生很大的阻碍作用，而对直流的阻碍作用则较小，故低频扼流圈的作用为“通直流、阻沟通”．(2)高频扼流圈①构造：绕在空心绝缘体上，绕在铁氧体芯上．②特点：匝数少、自感系数L较小，对高频交变电流的阻碍作用较大，对低频交变电流的阻碍作用较小，对直流的阻碍作用更小，因此可用来“通直流、通低频、阻高频”．【例1】(多选)在如图所示电路中，L为电感线圈，灯泡电阻为R，电流表内阻为零，电压表内阻无限大，沟通电源的电压u＝220eq\r(2)sin100πtV，若保持电压的有效值不变，只将电源频率改为100Hz，下列说法正确的是()A．电流表示数减小B．电压表示数减小C．灯泡变暗D．灯泡变亮AC[由u＝220eq\r(2)sin100πtV，可得电源原来的频率为f＝eq\f(ω,2π)＝eq\f(100π,2π)Hz＝50Hz.当电源频率由原来的50Hz增为100Hz时，线圈的感抗增大；在电压不变的状况下，电路中的电流减小，选项A正确．灯泡的电阻R是肯定的，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．因电源电压有效值保持不变，故UL＝U－UR，UL增大，选项B错误．]含电感器的沟通电路的动态分析(1)分析电路中各元件的串、并联关系．(2)明确沟通电源频率的改变状况．(3)依据电感器中线圈匝数、形态、横截面积、长短和是否插入铁芯，推断自感系数的状况．(4)推断感抗的改变状况．(5)确定含电感器支路电流、电压的改变状况．训练角度1：对扼流圈的相识1．(多选)关于电子技术中的扼流圈，下列说法正确的是()A．扼流圈是利用电感线圈对沟通电的阻碍作用来工作的B．高频扼流圈的作用是允许低频沟通通过，而阻碍高频沟通通过C．低频扼流圈的作用是不仅要阻碍高频沟通通过，还要阻碍低频沟通通过D．高频扼流圈的电感比低频扼流圈的电感大ABC[扼流圈是利用改变的电流通过线圈时，感应出自感电动势，从而来阻碍电流的改变，故A正确．高频扼流圈是“通低频，阻高频”，故B正确；低频扼流圈是“阻高频，阻低频，通直流”，故C正确；高频扼流圈比低频扼流圈自感系数小，故D错误．]训练角度2：电感器对直流与沟通的作用对比2．(多选)如图所示试验电路中，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()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AC[线圈对直流无感抗，对交变电流有感抗，当沟通电频率减小时，感抗变小，灯变亮，并且是有铁芯时感抗更大，故铁芯抽出时灯变亮．],对容抗的理解1.交变电流是怎样通过电容器的电容器两极板之间是相互绝缘的，不论是恒定电流还是交变电流，自由电荷都不能通过两极板之间的绝缘体(电介质)，通常所说的交变电流“通过”电容器，并不是自由电荷穿过了电容器，而是在沟通电压作用下，当电压上升时电容器充电，电容器极板上的电荷量增加，形成充电电流，如图甲所示；当电压降低时，电容器放电，电容器极板上的电荷量削减，形成放电电流，如图乙所示．由于电容器反复不断地充电、放电，使电路中有持续的交变电流．甲乙2．对容抗及“阻碍”作用的理解(1)对容抗的理解：容抗是表示电容器对交变电流阻碍作用大小的物理量．容抗的大小与自身的电容量、交变电流的频率有关，可用XC＝eq\f(1,2πfC)来表示，单位是欧姆．此公式虽然不要求驾驭，但可以用来定性地分析问题，当交变电流的频率增加时，容抗减小．(2)电容器对交变电流的阻碍作用：对导线中形成电流的自由电荷来说，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抗拒它们向这个方向做定向移动，这就产生了对交变电流的阻碍作用．(3)“阻碍”作用可概括为：“隔直流、通沟通”，“通高频、阻低频”．3．电容器的作用(1)隔直电容器，如图甲所示，作用是“通沟通、隔直流”，因为直流不能通过电容器，沟通能“通过”电容器．起这样作用的电容器电容要大些．甲(2)高频旁路电容器，如图乙所示，作用是“通高频、阻低频”，因为对不同频率的沟通电，频率越高，容抗越小，频率越低，容抗越大，即电容对低频交变电流阻碍作用大，对高频交变电流阻碍作用小，起这样作用的电容器电容要小些．乙4．电阻、感抗、容抗的区分电阻感抗容抗产生的缘由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改变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抗拒作用在电路中的特点对直流、沟通均有阻碍作用对沟通有阻碍作用对直流的阻碍作用无限大，对沟通的阻碍作用随频率的降低而增大确定因素由导体本身(长短、粗细、材料)确定，与温度有关由线圈本身的自感系数和沟通电的频率f确定由电容的大小和沟通电的频率f确定电能的转化与做功电流通过电阻做功，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【例2】(多选)如图所示，接在沟通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，灯泡变暗思路点拨：①交变电流可以“通过”电容器，使灯泡发光．②电容器的容抗大小与电容器的电容、交变电流的频率成反比．③电容器的容抗越大，灯泡越暗．ACD[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；减小电容器两极板正对面积，电容减小，容抗增大，灯泡变暗，C正确；沟通电的频率减小，容抗增大，灯泡变暗，D正确．]含电容器的沟通电路的动态分析(1)分析电路中各元件的串、并联关系．(2)明确沟通电源频率的改变状况．(3)依据C＝eq\f(εS,4πkd)推断电容的改变状况．(4)推断容抗的改变状况．(5)确定含电容器支路电流、电压的改变状况．训练角度1：对容抗相关因素的相识3．如图所示，电路由正弦沟通电源供电，最大电压保持不变，假如交变电流的频率上升，则下列说法正确的是()A．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C[当交变电流的频率上升时，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Q＝CU可知，选项A错误．]训练角度2：电容对沟通信号中低频及高频成分的作用4．(多选)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，其中输入的沟通高频成分用“”表示，沟通低频成分用“～”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()甲乙A．图甲中R得到的是沟通成分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AC[当交变电流加在电容器上时，有“通沟通、隔直流，通高频、阻低频”的特性，甲图中电容器隔直流，R得到的是沟通成分，A正确，B错误；乙图中电容器通过沟通高频成分，阻碍沟通低频成分，R得到的是低频成分，C正确，D错误．]训练角度3：电阻、感抗、容抗的对比5.如图所示，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的沟通电路上，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D[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沟通电路中起相同的作用，故L1亮度不变，所以选D.]课堂小结知识脉络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沟通的频率有关．2．低频扼流圈可以“通直流，阻沟通”，而高频扼流圈可以“通低频、通直流，阻高频”．3．交变电流可以通过电容器，电容器对沟通的阻碍作用可以用容抗表示，容抗的大小与电容和沟通的频率有关．4．电容具有“隔直流、通沟通”、“阻低频、通高频”的作用.1．关于电感器对交变电流的影响的说法，正确的是()A．电感器对交变电流无阻碍作用B．电感器对交变电流阻碍作用的大小叫感抗C．电感器对某一频率的交变电流的阻碍作用跟线圈的自感系数无关D．线圈的自感系数越小，交变电流的频率越高，电感对交变电流的阻碍作用就越大B[电感对沟通电有影响，其阻碍作用的大小和线圈的自感系数L、沟通电的频率f有关，L越大，f越高，阻碍作用越大，故选项A、C、D错误，B正确．]2．如图所示，在电路两端加上正弦沟通电，保持电压有效值不变，使频率增大，发觉各灯的亮暗状况是：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C[本题的详细解题流程如下：eq\x(\a\al(有效值不变，,频率增大))eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4