2019-2020学年高中物理第5章交变电流第3节电感和电容对交变电流的影响课件 人教版选修3-2 61页

第 3 节　电感和电容对交变电流的影响 1 ． 实验探究 (1) 实验电路 ( 如图所示 ) 取直流电源的电压与交流电压的 __________ 相等． 要点一　电感对交变电流的阻碍作用 课前教材预案 有效值　 (2) 实验现象 接到直流上的灯泡的亮度大于接到交流上的灯泡的亮度． (3) 实验结论 线圈对直流电和交变电流的阻碍作用不同． 2 ． 感抗 (1) 物理意义：表示电感器对 __________ 的阻碍作用的大小． (2) 影响感抗大小的因素：线圈的 ____________ 越大，交流电的 ________ 越高，感抗越大． (3) 电感特点：“通 ________ ，阻 ________ ；通 ________ ，阻 ________” ． 交流电　 自感系数　 频率　 直流　 交流　 低频　 高频　 1 ． 实验探究 (1) 实验电路 ( 如图所示 ) 要点二　电容器对交变电流的阻碍作用 (2) 实验现象 接到直流上的灯泡不亮，接到交流上的灯泡亮． (3) 实验结论 交变电流能够“通过”电容器，直流电流不能通过电容器． 2 ． 容抗 (1) 物理意义：表示电容对 __________ 阻碍作用的大小． (2) 影响容抗大小的因素：电容器的电容 ________ ，交流电的频率 ________ ，容抗越小． (3) 电容器特点：“通 ________ ，隔 ________ ；通 ________ ，阻 ________” ． 交流电　 越大　 越高　 交流　 直流　 高频　 低频　 课堂深度拓展 考点一　理解电感对交变电流的阻碍作用 1 ． 电感线圈对交变电流的作用 (1) 交变电流通过线圈时，由于电流时刻都在变化，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变化的，这就是线圈的电感对交变电流的阻碍作用． (2) 电感器对交变电流阻碍作用的大小用感抗来表示．决定感抗大小的因素有两个 ① 交变电流的频率； ② 自感系数 L . 线圈的自感系数越大，交变电流的频率越高，对交变电流的阻碍作用越大，感抗就越大． 2 ． 两类扼流圈 类型区别 低频扼流圈 高频扼流圈 结构 线圈匝数多 线圈匝数少 自感系数 几十享 几毫亨 感抗 对高频、低频电流阻碍作用都大 只对高频电流起阻碍作用、低频可忽略 特性 通直流 ， 阻交流 通低频 ， 阻高频 (1) 感抗的实质就是由线圈的自感现象引起的，线圈的自感系数 L 越大，交变电流的频率 f 越高，感抗 X L 也越大，三者间的大小关系可用公式 X L ＝ 2π fL 表示 ( 不作计算要求 ) ，单位欧姆． (2) 而通常所讲的直流，常指恒定电流，恒定电流流过电感线圈时，电流没有变化，因而就不会产生自感现象，因此，电感线圈对恒定电流而言无所谓感抗． 思维导引： 感抗大小的决定式为 X L ＝ 2π fL ， f 为交变电流频率， L 为电感 ( 自感系数 ) ，感抗和频率 f 、电感 L 成正比． 答案 　 AD 　 【变式 1 】　 ( 多选 ) 如图所示，甲、乙两图使用交流电源，丙图使用直流电源，各图中线圈不计直流电阻，自感系数相同，各电压表示数相同，则下列说法正确的是　 ( 　　 ) A ．灯 L 1 比灯 L 2 亮 B ．灯 L 3 比灯 L 1 亮 C ．灯 L 2 、 L 3 一样亮 D ．灯 L 1 、 L 3 一样亮 答案 　 BC 　 解析　 各电压表示数相同说明各路端电压的有效值相同，甲图中 L 1 与线圈串联，乙图中 L 2 与线圈并联，丙图中 L 3 与线圈串联，又因为丙图中是直流电源，所以线圈相当于导线，而甲图中线圈对电流起阻碍作用，所以 L 1 比 L 3 要暗一些，选项 B 正确；乙图由于 L 2 与线圈并联，因此 L 2 、 L 3 两灯一样亮，选项 C 正确． 1 ． 交变电流 “ 通过 ” 电容器的实质 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； 考点二　理解电容器对交变电流的阻碍作用 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，好像是交变电流“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 ) ． 2 ． 电容器对交变电流的阻碍作用 (1) 观察电容器对交变电流的阻碍作用 如图所示，如果把电容器从电路中取下来，使灯泡直接与交流电源相连，灯泡要比接有电容器时更亮，这表明电容器对交变电流也有阻碍作用． (2) 电容器对交变电流产生阻碍作用的原因 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． 3 ． 容抗 (1) 定义：电容器对交变电流的阻碍作用称为容抗． (2) 物理意义：容抗是表示电容器对交变电流阻碍作用大小的物理量． 正确认识电容器 电容器的两极板之间是绝缘的，不论是恒定电流还是交变电流，在电容器正常工作的情况下自由电荷都不能通过两极之间的绝缘介质 ( 电介质 ) ． 【例题 2 】　 如图所示，电路由正弦交流电源供电，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 答案　 C 　 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，选项 C 正确， B 、 D 错误；由 Q ＝ CU 可知，选项 A 错误． 【变式 2 】　 如图所示是验证电容器特性的实验电路图．电路正常工作后，对于灯 L 1 、 L 2 的分析正确的是　 ( 　　 ) A ． L 1 、 L 2 都亮　 B ． L 1 、 L 2 都不亮 C ． L 1 亮， L 2 不亮　 D ． L 1 不亮、 L 2 亮 答案　 D 　 解析 　 根据电容器的特性，可知恒定直流电不能通过电容器，即电容器 “ 隔直流、通交流 ” ，当电路正常工作后， L 1 不亮， L 2 亮，选项 D 正确， A 、 B 、 C 错误． 电阻对交变电流的作用与交变电流的频率无关，而电感和电容对交变电流的作用与其频率紧密联系 . 考点三　电阻、感抗、容抗的对比 电阻 感抗 容抗 产生的原因 定向移动的自由电荷与不移动的离子间的碰撞 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这个方向定向移动的电荷的阻碍作用 在电路中的特点 对直流、交流均有阻碍作用 通直流阻交流 ， 通低频阻高频 通交流隔直流 ， 通高频阻低频 电阻 感抗 容抗 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 能的转 化与功 电流通过电阻做功 ， 电能转化为内能 电能和磁场能反复转化 ， 伴随有内能的产生 电能与电场能反复转化 ， 伴随有内能的产生 电阻、感抗和容抗三种阻碍作用的形成原因和决定因素等是完全不同的，在应用上也有区别． 【例题 3 】　 ( 多选 ) 如图所示，交流电源的电压 ( 有效值 ) U ＝ 220 V ，频率 f ＝ 50 Hz,3 只灯泡 L 1 、 L 2 、 L 3 的亮度相同 ( L 无直流电阻 ) ．若将交流电源的频率变为 f ＝ 100 Hz ，电压不变，则 ( 　　 ) A ． L 1 灯比原来亮 B ． L 2 灯比原来亮 C ． L 3 灯和原来一样亮 D ． L 3 灯比原来亮 思维导引： 电感、电容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，电阻 R 中的电流由交变电压有效值和 R 值决定． 答案 　 AC 　 解析　 当将交流电源的频率换为 f ＝ 100 Hz 时，交流电源的频率变大，根据电容器、电感和电阻对电流作用的特点可知电容器的容抗减小，对电流的阻碍作用减弱， L 1 中的电流增大， L 1 变亮，选项 A 正确；电感的感抗增大，对电流的阻碍作用增强， L 2 中的电流减小， L 2 变暗，选项 B 错误；电阻的阻值不变，通过 L 3 的电流也不变，亮度和原来一样，选项 C 正确， D 错误． 【变式 3 】　 ( 多选 ) 在频率为 f 的交变电流电路中，如图所示，当开关 S 依次分别接通 R 、 C 、 L 支路，这时通过各支路的电流有效值相等．若将交变电流的频率提高到 2 f ，维持其他条件不变，则下列几种情况可能是　 ( 　　 ) A ．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 答案 　 ABC 1 ． 电容器的应用 (1) 隔直电容器，如图甲所示．作用是“通交流、隔直流”，因为直流电不能通过电容器，交流电能“通过”电容器．起这样作用的电容器电容要小些． 考点四　电感和电容器在电子技术中的应用 　 　甲　　　　　　　 　　 乙 　 (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流电，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大些． 2 ． 电感和电容的组合应用 根据电感、电容对交变电流阻碍作用的特点，可以将二者结合到一起来完成一定的任务． (1) 如果将电容器与负载并联，然后与电感线圈串联，就能更好的起到滤掉电流中交流成分和高频成分的作用，如图丙所示． (2) 如果将电感线圈与负载并联，然后与电容器串联，就能更好的起到滤掉电流中直流成分和低频成分的作用，如图丁所示． 　　 丙　　　　　　　 　　 丁 　 在电子技术的应用中，常常要将输入信号中的交流中的低、高频成分分流，因此应根据电感线圈有 “ 通直流、阻交流 ” ，电容器有 “ 通交流、隔直流 ” 的特性，将电感线圈或电容器串联或并联在电路中对交流、直流成分进行分流；并利用电感线圈 “ 通低频、阻高频 ” 、电容器 “ 通高频、阻低频 ” 的特性，配合使用可较好地使交流中的高频、低频成分分流． A ．甲扬声器是高音扬声器 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 的作用是减弱乙扬声器的低频电流 思维导引： 在理解电感器、电容器特性的基础上，根据电感线圈 “ 通低频，阻高频 ” ，电容器 “ 通高频、阻低频 ” 的特点来分析． 答案 　 BD 　 解析　 甲扬声器中， L 1 串联在电路中，对高频电流的阻碍作用很大，对低频电流阻碍作用较小， C 1 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，使低频电流通过扬声器传出，所以甲为低频扬声器；乙扬声器中， C 2 串联在电路中，对低频电流的阻碍作用很大，对高频电流阻碍作用很小， L 2 并联在电路中，对低频电流的阻碍作用小，可以给低频电流提供通路，使高频电流通过扬声器传出，所以乙为高频扬声器，故选项 B 、 D 正确． 【变式 4 】　 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，我们采用了如图所示电路，其中代号 a 、 b 应选择的元件是 ( 　　 ) A ． a 是电容较大的电容器， b 是低频扼流线圈 B ． a 是电容较大的电容器， b 是高频扼流线圈 C ． a 是电容较小的电容器， b 是高频扼流线圈 D ． a 是电容较小的电容器， b 是低频扼流线圈 答案　 C 　 解析　 电容器具有 “ 通高频、阻低频 ” 的作用，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做到 “ 通低频、阻高频 ” ，所以 b 处应接一个高频扼流线圈． 课末随堂演练 1 ．关于电容器和电感器，下列说法正确的是　 ( 　　 ) A ．电容器和电感器对交流电都有阻碍作用，因此不能让交流电通过 B ．电容器和电感器对直流电都有阻碍作用，但可以让直流电通过 C ．电容器和电感器对直流电都没有阻碍作用 D ．电容器对直流电有阻碍作用，电感器对交流电有阻碍作用 答案　 D 　 解析　 电容器内部是真空或电介质，隔断直流，能充电、放电，能 “ 通 ” 交流，具有隔直 “ 通 ” 交、通高阻低的特性；电感线圈可以通直流，通过交流电时产生自感电动势，阻碍电流的变化，具有通直阻交，通低阻高的特性；故知电容器对直流电有阻碍作用，电感器对交流电有阻碍作用，选项 D 正确． 答案　 D 　 解析　 电容器通交流隔直流，电感器通直流阻交流，所以给电阻并联一个电容 C 较大的电容器，起到更好地导通交流作用；串联一个自感系数 L 较大的电感器可以起到阻碍交流的作用，两者并用使 R 2 上交流成分尽可能减少，故选项 D 正确． A ．当开关置于 1 、 2 时，稳定后 L 1 亮、 L 2 不亮 B ．当开关置于 3 、 4 时，频率增加且稳定后， L 1 变亮、 L 2 变暗 C ．当开关从置于 1 、 2 的稳定状态下突然断开， L 1 将会立即熄灭 D ．当开关从置于 1 、 2 的稳定状态下突然断开， L 1 不会立即熄灭 答案 　 AD 　 解析　 如果开关置于 1 、 2 时，接直流电，电流稳定后能通过电感器，而不能通过电容器，所以 L 1 亮， L 2 不亮，选项 A 正确；当置于 3 、 4 时，且交流电频率增大，则感抗增大，容抗减小，所以 L 1 变暗， L 2 变亮，选项 B 错误；稳定后突然断开， L 、 L 1 、 L 2 、 C 能构成回路，由于自感现象， L 1 、 L 2 将慢慢熄灭，选项 D 正确， C 错误． 4 ． ( 多选 ) 如图所示的电路中， 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 25 mH 的高频扼流圈， C 是一个 100 pF 的电容器， R 是负载电阻，下列说法正确的是　 ( 　　 ) A ． L 的作用是“通低频，阻高频” B ． C 的作用是“通交流，隔直流” C ． C 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 答案 　 ACD 解析　 高频扼流圈 L 的自感系数小，对高频有明显的阻碍作用，起到 “ 通低频，阻高频 ” 的作用，选项 A 正确；交流电能够 “ 通过 ” 电容器，电容越小，频率越低，容抗越大，因交流电源既含高频交流，又含低频交流，所以电容 C 的作用是 “ 通高频，阻低频 ” ，选项 B 错误， C 正确；由于 L 和 C 的作用，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，选项 D 正确． 　 5 ． 　某信号源中有直流成分、交流高频成分和交流低频成分，为使放大器主要得到交流低频成分，下列电路中可行的是　 ( 　　 ) 答案　 D 　 解析　 选项 A 中放大器可得到所有成分；选项 B 中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；选项 C 中既可得高频成分也可得低频成分；选项 D 中通过 C 1 的是高、低频成分都有，通过 C 2 的旁路电容将高频成分滤去，故选项 D 正确．