高中物理第3章交变电流3交流电路中的电容和电感课件鲁科版选修3_2-66张 66页

第 3 节 　 交流电路中的电容和电感 一、电容、电感对直流和交流的影响 1. 实验现象 (S 1 、 S 2 、 S 3 闭合 ): 2. 实验结论 : (1) 电阻器对直流和交流的影响是 _____ 的。 (2) 电容器不让 _____ 通过却让 _____ 通过 , 但对 _____ 有 一定的阻碍作用。 (3) 电感器既让直流通过 , 也让交流通过 , 但对 _____ 有 一定的阻碍作用。 相同 直流 交流 交流 交流 二、电容器的容抗及其应用 1. 电容器的容抗 : (1) 定义 : 电容器对 _____ 的阻碍作用。 (2) 相关因素。 ①电容量越大、交变电流的频率越高 , 容抗就越小 , 电 容器对交流的阻碍作用就 _____ 。 ②电容量越小、交变电流的频率越低 , 容抗就越大 , 电 容器对交流的阻碍作用就 _____ 。 交流 越小 越大 2. 电容器的特性 : (1)“ 隔直流、通 _____” 。 (2)“ 通高频、阻 _____” 。 3. 应用 :_____ 电容器、高频旁路电容器。 交流 低频 隔直 三、电感器的感抗及其应用 1. 感抗 : (1) 定义 : 电感对交变电流的阻碍作用。 (2) 相关因素。 ①自感系数越大、交变电流的频率越高 , 感抗就越大 , 电感器对交流的阻碍作用就 _____ 。 ②自感系数越小 , 交变电流的频率越低 , 感抗就越小 , 电 感器对交流的阻碍作用就 _____ 。 越大 越小 2. 电感器的特性 : (1)“ 阻交流、通 _____” 。 (2)“ 阻高频、通 _____” 。 直流 低频 3. 常用的两种扼流圈 : (1) 低频扼流圈 : 自感系数较大 , 感抗较大 , 对 _____ 交变 电流有很大的阻碍作用 , 而对直流的阻碍作用较小。 (2) 高频扼流圈 : 自感系数较小 , 感抗较小 , 对 _____ 交变 电流有很大的阻碍作用 , 而对 _____ 交流的阻碍作用较 小。 低频 高频 低频 【 思考辨析 】 (1) 低频扼流圈在电子线路中起到“阻高频、通低频”的作用。 ( 　　 ) (2) 交流电的频率越低 , 电感器对其的阻碍作用越弱。 ( 　　 ) (3) 高频扼流圈比低频扼流圈的匝数多 , 自感系数大。 ( 　　 ) (4) 交流电的频率越低 , 电容器对其阻碍作用越大。 ( 　　 ) (5) 电容器是通直流、阻交流 , 通高频、阻低频。 ( 　　 ) 提示 : (1)× 。低频扼流圈在电子线路中起 “ 阻交流、通直流 ” 的作用。 (2)√ 。交流电的频率越小 , 电感器对其阻碍作用越小。 (3)× 。高频扼流圈比低频扼流圈的匝数少 , 自感系数小。 (4)√ 。交流电的频率越低 , 容抗就越大 , 电容器对其阻碍作用越大。 (5)× 。电容器是隔直流、通交流 , 通高频、阻低频。 一　电容器对交变电流的作用 考查角度 1 电容器对交变电流的作用 【 典例 1】 如图所示的电路 ,F 为一交流发电机 ,C 为平行板电容器 , 为使电流表 A 的示数增加 , 可行的办法是 ( 　　 ) 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 , 故 A 正确 ,B 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 , 故 C 、 D 错误。所以 A 正确 ,B 、 C 、 D 错误。 【 核心归纳 】 电容器对交变电流的阻碍作用 : (1) 产生原理 : 当交变电流给电容器充电时 , 其极板上就会积累一定数量的电荷 , 这些电荷在两极板间产生电场 , 阻碍电荷向这个方向运动 , 即电容器对交变电流的阻碍作用 , 这种阻碍作用就是容抗。 (2) 影响因素 : 与交变电流的频率 f 和电容器的电容 C 有关 , 容抗用 X C 表示 , 且 X C = 。 【 特别提醒 】 (1) 当电容器与直流电源的两极相连接时 , 接通的瞬间 , 因电容器充电产生瞬时电流。 (2) 当直流电源与电容器充电完毕后 , 电容器两极板间电压与电源两极间电压相等 , 电路中就不再有电流。 考查角度 2 电容器在电路中的应用 【 典例 2】 ( 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 ( 　　 ) A. 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 】 选 A 、 C 。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。 【 核心归纳 】 电容器的作用 : (1) 隔直电容器 , 如图甲所示。作用是“通交流、隔直流” , 因为直流不能通过电容器 , 交变电流能“通过”电容器 , 起这样作用的电容器电容要大些。 (2) 高频旁路电容器 , 如图乙所示。作用是“通高频 , 阻低频” , 因为对不同频率的交变电流 , 频率越高 , 容抗越小 , 频率越低 , 容抗越大 , 即电容器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。 【 过关训练 】 1.( 多选 ) 对交变电流能够通过电容器的正确理解是 ( 　　 ) A. 在有电容器的交流电路中 , 没有电荷定向移动 B. 在有电容器的交流电路中 , 有电荷定向移动 C. 当电容器接到交变电源上时 , 电容器交替进行充、放电 , 电路中才有交变电流 D. 当电容器接到交变电源上时 , 因为有自由电荷通过电容器 , 电路中才有交变电流 【 解析 】 选 B 、 C 。电容器能够通过交变电流 , 是通过电容器交替充、放电而进行的 , 实际上自由电荷并没有通过电容器两极板间的绝缘介质 , 故 C 对 ,D 错 ; 既然电容器交替充、放电 , 电路中就有了电荷的定向移动 , 故 B 对 ,A 错。 2. ( 多选 ) 如图所示 , 接在交流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 【 解析 】 选 A 、 C 、 D 。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 ; 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 ; 交流电的频率减小 , 容抗增大 , 灯泡变暗 ,D 正确。 3. 如图所示的电路 , 一灯泡和一可变电容器串联 , 下列说法不正确的是 ( 　　 ) A.a 、 b 端接恒稳直流电 , 灯泡发光 B.a 、 b 端接交变电流 , 灯泡发光 C.a 、 b 端接交变电流 , 灯泡发光 , 且将电容器电容增大时 , 灯泡亮度增大 D.a 、 b 端接交变电流 , 灯泡发光 , 在不改变交变电流有效值的情况下增大其频率 , 灯泡亮度增大 【 解析 】 选 A 。电容器有“通交流、隔直流、通高频、阻低频”的特点 ,A 错 ,B 对 ; 容抗大小与电容器电容成反比 , 电容越大 , 容抗越小 , 灯泡越亮 ,C 对 ; 容抗大小与交流电的频率成反比 , 频率越大 , 容抗越小 , 灯泡越亮 ,D 对。 二　电感器对交变电流的作用 考查角度 1 电感器对交变电流的作用 【 典例 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 , 交流 电源的电压 u=220 sin100πt V, 若保持电压的有效 值不变 , 只将电源频率改为 100 Hz, 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 【 解析 】 选 A 、 C 。由 u=220 sin100πt V, 可得电源 原来的频率为 f= = Hz=50 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 正确。灯泡的电阻 R 是一定的 , 电流减小时 , 实际消耗的电功率 P=I 2 R 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 U L , 设灯泡两端电压为 U R , 则电源电压的有效值为 U=U L +U R , 因 U R =IR, 故电流 I 减小时 ,U R 减小。因电源电压有效值保持不变 , 故 U L =U-U R ,U L 增大 , 选项 B 错误。 【 核心归纳 】 1. 感抗的产生原理 : 交变电流通过电感器时 , 由于电流时刻都在变化 , 因此在线圈中就会产生自感电动势 , 而自感电动势总是阻碍原电流的变化 , 故电感器对交变电流会起到阻碍作用 , 因此 , 感抗的实质是线圈的自感现象。 2. 影响因素 : (1) 自感电动势的大小与线圈的自感系数及电流变化的快慢有关 , 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 , 对交变电流的阻碍作用就越大。 (2) 描述电感器对交变电流的阻碍作用大小的物理量叫作感抗 , 用 X L 表示 , 且 X L =2πfL 。感抗的大小由线圈的自感系数 L 和交变电流的频率 f 共同决定。 【 特别提醒 】 含电感器的交流电路的动态分析方法 (1) 分析电路中各元件的串、并联关系。 (2) 明确交流电源频率的变化情况。 (3) 根据电感器中线圈匝数、形状、横截面积、长短和是否插入铁芯 , 判断自感系数的情况。 (4) 判断感抗的变化情况。 (5) 确定含电感器支路电流、电压的变化情况。 考查角度 2 电感线圈在电路中的应用 【 典例 2】 有两个电感线圈 , 甲的匝数较多 , 而且有铁芯 , 乙没有铁芯 , 而且匝数较少 , 下面的说法中正确的是 ( 　　 ) A. 在电路中用作高频扼流圈的是甲 , 用作低频扼流圈的是乙 B. 在电路中用作高频扼流圈的是乙 , 用作低频扼流圈的是甲 C. 甲和乙都只能用作高频扼流圈 D. 甲和乙都只能用作低频扼流圈 【 解析 】 选 B 。对高频交流电 , 电感量较小的阻碍作用也不小 , 而对于低频交流电 , 必须电感量大的才有较大的阻碍作用。电感量大的线圈体积大、造价高 , 因此高频扼流圈选用乙 , 而低频扼流圈只能选用甲。 【 核心归纳 】 电感线圈在电路中的应用 : (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、线圈电阻很小。它对低频交流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是“通直流、阻交流”。 (2) 高频扼流圈。 ①构造 : 它的线圈有的绕在圆柱形的铁氧体芯上或空心。 ②特点 : 匝数少 , 自感系数 L 小。它只对频率很高的交流产生很大的阻碍作用 , 而对低频交流的阻碍作用较小 , 故高频扼流圈的作用是“通低频、阻高频”。 【 过关训练 】 1. 在电子技术中常常用到扼流圈 , 扼流圈分为高频扼流圈与低频扼流圈两大类 , 前者主要阻挡高频交变电流通过 , 后者则主要阻挡低频交变电流通过。有一个扼流圈 , 它的线圈有几千匝 , 绕在闭合的铁芯上 , 这个扼流圈 ( 　　 ) A. 一定是高频扼流圈 B. 一定是低频扼流圈 C. 既可以是高频扼流圈 , 也可以是低频扼流圈 D. 无法确定是哪种扼流圈 【 解析 】 选 B 。由于电感对交流电的阻碍作用的特点是“电感越大、阻碍越大 ; 频率越高、阻碍越大” , 高频扼流圈的任务是阻挡高频电流 , 只要很小的电感量即可 , 而低频扼流圈则必须大的电感量。 2. 一个灯泡通过一个线圈与一交流电源相连接 , 如图所示 , 一个铁块插进线圈之后 , 该灯泡将 ( 　　 ) A. 变亮　　　　　　　　 B. 变暗 C. 对灯泡没影响 D. 无法判断 【 解析 】 选 B 。加入铁芯改变了电感线圈的自感系数 , 自感系数增大 , 感抗增大 , 降落在电感线圈上的电压增大 , 降落在灯泡上的电压减小 , 所以灯泡变暗。故选 B 。 3. 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 】 选 D 。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 , 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。 4. 图甲和图乙是演示电感器对交变电流的阻碍作用的两个电路图。把带铁芯的线圈 L 与小灯泡串联起来 , 先把它们接到直流电源上 , 如图甲所示 , 再把它们接到交流电源上 , 如图乙所示。取直流电源的电压与交流电压的有效值相等 , 观察比较两种情况下电路稳定时灯泡的亮度。下列叙述正确的是 ( 　　 ) A. 接交流时灯泡更亮些 B. 接直流和接交流灯泡一样亮 C. 线圈对直流和交流的阻碍作用相同 D. 线圈对交流的阻碍作用更大 【 解析 】 选 D 。由于直流电路仅仅是开关闭合或者断开瞬间电流会发生变化 , 因此在开关闭合或断开瞬间电感线圈对会产生感应电流对电流有阻碍作用 , 但是交变电流由于电流大小和方向时刻改变 , 电感线圈始终会产生感应电流阻碍原电流的变化 , 所以两灯泡的亮度不同 , 图甲的灯泡更亮 , 故正确答案为 D 。 【 补偿训练 】 ( 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交流电的阻碍作用来工作的 B. 高频扼流圈的作用是允许低频交流通过 , 而阻碍高频交流通过 C. 低频扼流圈的作用是不仅要阻碍高频交流通过 , 还要阻碍低频交流通过 D. 高频扼流圈的电感比低频扼流圈的电感大 【 解析 】 选 A 、 B 、 C 。扼流圈是利用变化的电流通过线圈时 , 感应出自感电动势 , 从而来阻碍电流的变化 , 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。 【 拓展例题 】 考查内容 : 电容、电感在交流电路中的作 用 【 典例 】 “ 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 , 以便使电流所携带的音频信息按原比例还原成高、低频的机械振动。如图所示为音箱的电路图 , 高、低频混合电流由 a 、 b 输入 ,L 1 和 L 2 是电感线圈 ,C 1 和 C 2 是电容器 , 则 ( 　　 ) A. 甲扬声器是高频扬声器 B.C 2 的作用是阻碍低频电流通过乙扬声器 C.L 1 的作用是阻碍低频电流通过甲扬声器 D.L 2 的作用是增强通过乙扬声器的低频电流 【 解析 】 选 B 。电路中的电感线圈、电容器的作用可以概括为 : 电感线圈是“通直流、阻交流 , 通低频、阻高频” ; 电容器是“通交流、隔直流 , 通高频、阻低频”。既有高频又有低频的音频电流经过 L 1 的阻碍和 C 1 的旁通 , 在甲扬声器中通过的是低频电流 ; 经过 C 2 的阻碍和 L 2 的旁通 , 在乙扬声器中通过的是高频电流 , 故 B 选项是正确的。