高中物理第2章交变电流与发电机3探究电阻电感和电容的作用课件-64张 64页

2.3 探究电阻、电感和电容的作用 　　　　　 一、电阻器对交变电流的作用 实验电路如图所示 ,L A 、 L B 两灯泡的规格相同 , 将双刀 双掷开关 S 分别接到电压 _____ 的直流电源和交流电源 上 , 观察灯泡的亮暗。 相等 实验现象 ( 选填“较暗”或“较亮” ): 实验表明 : 电阻器对直流和交变电流的阻碍作用是 ___ _____ 。 相 同的 【 生活链接 】 如何比较电阻器对直流电源和交流电源阻碍作用的强弱 ? 提示 : 根据灯泡的亮度。若接直流电源和交流电源前后灯泡亮度不变 , 则说明阻碍作用相同。 二、电感器对交变电流的阻碍作用 1. 实验探究 : 2. 感抗 : (1) 物理意义 : 表示电感器对交流的 _________ 的大小。 (2) 影响感抗大小的因素 : 线圈的 _________ 越大 , 交流 的 _____ 越高 , 感抗越大。 阻碍作用 自感系数 频率 3. 感抗的应用 : 低频扼流圈 高频扼流圈 自感系数 较大 _____ 特　性 通 _____ 、阻 _____ 通直流、通 _____ 、阻 _____ 直流 交流 较小 低频 高频 【 思考辨析 】 (1) 同一个线圈对直流和对交流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。 ( 　　 ) 提示 : (1)× 。同一个不计电阻的线圈对直流无阻碍作用 ; 对交流有阻碍作用。 (2)√ 。线圈的匝数越多 , 自感系数越大 , 感抗也越大 , 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增大。 【 生活链接 】 你知道吗 ? 高频扼流圈绕的稀还没有铁芯 , 这是为什么 ? 提示 : 高频扼流圈的自感系数较小 , 而自 感系数与线圈的匝数和有无铁芯相关。 三、电容器对交变电流的阻碍作用 1. 实验探究 : (1) 实验电路 ( 如图 ): (2) 实验现象 : 电路中串有电容器时 , 接通 _____ 电源 , 灯 泡不亮 ; 接通 _____ 电源 , 灯泡亮。 (3) 实验结论 :_________ 能够通过电容器 ,_____ 不能通 过电容器。 直流 交流 交变电流 直流 2. 容抗 : (1) 物理意义 : 表示电容对交变电流的 _________ 的大 小。 (2) 影响容抗大小的因素 : 电容器的电容 _____, 交流的 频率 _____, 容抗越小。 (3) 特性 : 电容器具有“ _______________” 的作用。 阻碍作用 越大 越高 隔直流、通交流 【 思考辨析 】 (1) 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。 ( 　　 ) (2) 电容器的电容越大对同一交变电流的阻碍作用就越大。 ( 　　 ) (3) 交变电流的频率越大 , 对于同一个电容器来说 , 受到的阻碍作用就越大。 ( 　　 ) 提示 : (1)√ 。电流通过电容器 , 是电容器不断充放电的表现。 (2)× 。电容器的电容越大对同一交变电流的容抗越小 , 阻碍作用就越小。 (3)× 。交变电流的频率越大 , 对于同一个电容器来说 , 受到电容器的阻碍作用就越小。 一　电感器对交变电流的阻碍作用分析　　　　　　 　　　　　　 　　　　　　 【 典例 】 ( 多选 ) 在如图所示的电路中 ,L 为电感线圈 ,L′ 为灯泡 , 电流表内阻为零 , 电压表内阻无限大 , 交流电源 的电压 u=220 sin(100πt)V 。若保持电压的有效值 不变 , 只将电源频率改为 100 Hz, 下列说法正确的有 A. 电流表示数增大 B. 电压表示数增大 C. 灯泡变暗 D. 灯泡变亮 【 解析 】 选 B 、 C 。由 u=220 sin(100πt)V 可知电源 原来的频率 f= = Hz=50 Hz, 当频率增大时 , 线圈的 感抗增大 , 电路中的干路电流将减小 , 因此 A 、 D 错 ,C 正 确。题图中电灯与电感线圈串联 , 所以总电压 ( 有效 值 )U=U L +U L′ , 因 U L′ 减小 , 而总电压的有效值不变 , 所以 U L 增大 , 因此选项 B 也正确。 【 核心归纳 】 1. 线圈对交变电流的阻碍作用的原因 : 交变电流通过线圈时 , 由于电流的变化引起通过线圈的磁通量发生变化 , 在线圈中产生自感电动势而阻碍电流的变化 , 也就阻碍了交变电流的通过形成感抗。 2. 影响感抗大小的因素 : (1) 交变电流的频率。交变电流的频率大时 , 交变电流变化得快 , 磁场变化得就快 , 通过线圈的磁通量变化率就大 , 自感电动势就大 , 从而阻碍磁通量的变化的能力也大 , 也就是阻碍交变电流的通过的作用就大 , 则感抗也就大。 (2) 线圈的自感系数。线圈的自感系数大时 , 同样的交变电流和磁通量的变化率 , 产生的自感电动势大 , 也就是阻碍交变电流的通过的作用就大 , 则感抗也就大。 3. 感抗大小分析思路 : 4. 含电感器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、长短和是否插入铁心 , 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。 【 过关训练 】 1. 如图所示的电路中 , 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 ( 　　 ) A. 等于 220 V B. 大于 220 V C. 小于 220 V D. 等于零 【 解析 】 选 C 。电感器对交变电流有阻碍作用 , 线圈与灯泡串联 , 其电压之和等于电源电压 , 即 U L +U R =U, 故交流电压表的示数小于 220 V,C 正确。 2. ( 多选 ) 如图所示是由交流电源供电的线路 , 如果交变电流的频率增大 , 则 ( 　　 ) A. 线圈 L 的自感系数增大 B. 线圈 L 的感抗增大 C. 电路中的电流增大 D. 灯泡变暗 【 解析 】 选 B 、 D 。自感系数由线圈本身决定 , 与交变电流频率无关 ,A 项错误 ; 当交变电流频率增大时 , 线圈 L 的感抗增大 ,B 项正确 ; 感抗增大对交变电流的阻碍作用增大 , 使电路中电流减小 , 灯泡变暗 ,C 项错误 ,D 项正确。 3. 一个灯泡通过一个粗导线的线圈与一交流电源相连接 , 如图所示 , 一块铁插进线圈之后 , 该灯将 ( 　　 ) A. 变亮 B. 变暗 C. 没有影响 D. 无法判断 【 解析 】 选 B 。由于电流的变化 , 在线圈内磁场变化而产生感应电动势 , 并总是阻碍电流变化 , 使线圈产生了感抗。加入铁心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 , 从而导致灯泡的功率减小 , 所以灯变暗 , 故答案为 B 。 4. 如图所示 , 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 P 1 , 而将双刀双掷开关接在交流电源上时 , 灯泡的实际功率为 P 2 , 则 ( 　　 ) A.P 1 =P 2 　　 B.P 1 >P 2 　　 C.P 1

P 2 。 【 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变电流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. 高频扼流圈的自感系数比低频扼流圈的自感系数大 【 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“阻低频 , 阻高频 , 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。 二　电容器对交变电流阻碍作用的分析 【 典例 】 ( 多选 ) 如图所示 , 接在交流电源上的电灯泡正常发光 , 以下说法正确的是 A. 把电介质插入电容器 , 灯泡变亮 B. 增大电容器两极板间的距离 , 灯泡变亮 C. 减小电容器两极板间的正对面积 , 灯泡变暗 D. 使交变电流频率减小 , 灯泡变暗 【 解析 】 选 A 、 C 、 D 。把电介质插入电容器 , 电容增大 , 电容器对交变电流阻碍作用变小 , 所以灯泡变亮 , 故 A 正确 ; 增大电容器两极板间的距离 , 电容变小 , 电容器对交变电流阻碍作用变大 , 所以灯泡变暗 , 故 B 错 ; 减小电容器两极板间的正对面积 , 电容变小 , 灯泡变暗 , 故 C 正确 ; 交变电流频率减小 , 电容器对交变电流阻碍作用增大 , 灯泡变暗 , 故 D 正确。 【 核心归纳 】 1. 交变电流“通过”电容器的分析 : 电容器两极板间是绝缘材料 , 当电容器接到交流电源上时 , 自由电荷不会通过两极板间的绝缘电介质 , 只不过在交变电压的作用下 , 电容器交替进行充电和放电 , 电路中就有电流了 , 表现为交变电流“通过”了电容器。 2. 电容器对电流有阻碍作用的原因 : 电容器充电的过程中 , 电容器两极板上聚集着等量异种电荷 , 从而在两极板间存在着电场 , 此电场的电场力阻碍着电荷的充电和放电 , 其表现就是电容器在交变电流“通过”中的阻碍作用。 3. 影响电容器容抗的因素 : (1) 电容器的电容 : 电容器的电容越大 , 电容器容纳电荷的本领就越大 , 即在容纳相同电荷的情况下 , 电容大时电压小 , 电场力也小 , 对电荷充电时受到阻碍的作用力就小 , 所以容抗就小。 (2) 交变电流的频率 : 交变电流的频率高时 , 充电和放电的时间就短 , 相同电路电容器上聚集的电荷就少 , 电容器所达到的电压就小 , 排斥充电和放电的电场力就小 , 从而阻碍作用就小 , 容抗就小。 4. 含电容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 C= 判断电容的变化情况。 (4) 判断容抗的变化情况。 (5) 确定含电容器支路电流、电压的变化情况。 【 过关训练 】 1.( 多选 ) 对电容器能通交流的原因 , 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 【 解析 】 选 B 、 D 。电容器实质上是通过反复充、放电来实现通电的 , 并无电荷流过电容器。 2. 关于电容器对交变电流的容抗 , 以下说法正确的是 ( 　　 ) A. 电容器内部是绝缘的 , 直流和交流都不能“通过”电容器 B. 电容器接到交流上时 , 由于不断充电、放电 , 所以电容器对交流无影响 C. 恒定电流可认为周期很长 , 因此电容器对其容抗可以忽略 D. 电容器有“隔直通交”“通高阻低”的作用 【 解析 】 选 D 。电容器内部是绝缘的 , 所以直流不能通过电容器 , 但是对交流 , 由于电容器不断充、放电 , 所以电流能够通过电容器 , 但对变化的电流又有阻碍作用 ,A 、 B 错 ; 恒定电流的周期可认为无限大 , 频率极小 , 电容器对直流的容抗很大 ,C 错 ; 电容器具有“隔直通交 , 阻低通高”的作用 ,D 对。 3. 如图甲、乙所示 , 从某一装置中输出的电流既有交流成分又有直流成分 , 现要只把交流成分输送给下一级 , 有关甲图、乙图的说法正确的是 ( 　　 ) A. 应选用甲图电路 , 其中 C 的电容要大 B. 应选用甲图电路 , 其中 C 的电容要小 C. 应选用乙图电路 , 其中 C 的电容要大 D. 应选用乙图电路 , 其中 C 的电容要小 【 解析 】 选 C 。电容器在电路中要起到“隔直流 , 通交流”的作用 , 应选乙图电路。要使交流成分都顺利通过电容器而输送到下一级 , 则电容器的容抗要大 , 故 C 的电容要大。 三　电阻、感抗、容抗的对比分析 【典例】 如图所示 , 把电阻 R, 电感线圈 L, 电容 C 并联 , 接到一个交流电源上 , 三个电流表示数相同 , 若保持电源电压大小不变 , 而将电源频率增大 , 则三个电流表示数 I 1 、 I 2 、 I 3 的关系是 ( 　　 ) A.I 1 =I 2 =I 3 B.I 1 >I 2 >I 3 C.I 2 >I 1 >I 3 D.I 3 >I 1 >I 2 【 解析 】 选 D 。交变电流频率增大 , 电阻 R 对电流的阻碍作用不变 , 所以 A 1 表读数不变。频率增大 , 电感线圈对交变电流阻碍作用增大 , 所以电流变小 ,A 2 表读数变小。频率增大 , 电容器对交变电流阻碍作用变小 , 所以电流变大 ,A 3 表读数变大。 【 核心归纳 】 电　阻 感　抗 容　抗 产生 原因 定向移动的自由电荷与不动的离子间的碰撞 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向这个方向定向移动的电荷的反抗作用 在电 路中 的 特点 对直流、交流均有阻碍作用 只对变化的电流 , 如交流有阻碍作用 不能通直流 , 只能通交变电流。对交流的阻碍作用随频率的降低而增大 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决定 ( 成正比 ) 由电容的大小和交流电频率决定 ( 成反比 ) 能量 转化 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 【 过关训练 】 1. 直流电源的电压与交流电压的有效值相同 , 自感线圈的直流电阻不计 , 则灯泡发光最强的图是 ( 　　 ) 【 解析 】 选 D 。电容器 C 、电感器 L 都对交变电流有阻碍作用 , 故 A 、 B 两图中灯不是最亮的 ;C 图中灯被短路 , 不亮 ;D 图中电容器 C 有隔直流作用 , 所以 D 中灯泡最亮。 2. 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 ,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 ,C 、 D 错误。 3. 如图所示 , 电路中完全相同的三只灯泡 a 、 b 、 c 分别与电阻 R 、电感 L 、电容 C 串联 , 然后再并联到 220 V 、 50 Hz 的交流电路上 , 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 100 Hz, 则三灯的亮度变化是 ( 　　 ) A. 三灯亮度不变　　　　　　 B. 三灯均变亮 C.a 不变、 b 变亮、 c 变暗 D.a 不变、 b 变暗、 c 变亮 【 解析 】 选 D 。当交变电流的频率增大时 , 电阻的阻值不变 , 线圈的感抗变大 , 电容器的容抗变小 , 所以灯 a 不变 , 灯 b 变暗 , 灯 c 变亮 , 故 D 正确。