2017-2018学年高中物理-第二章-交变电流-第4、5节-电容器电感器在交流电路中的作用教学案

最新K12资料第4、5节电容器在交流电路中的作用电感器在交流电路中的作用一、电容器在交流电路中的作用1．电容器对交流电的导通作用(1)实验电路：将两个规格完全相同的小灯泡、电容器、双刀双掷开关、学生电源按照如图2­4­1所示的电路图连接起来。图2­4­1(2)实验过程及分析实验操作实验现象实验结论把开关S接直流电源L1不亮，L2正常发光恒定电流不能通过电容器把开关S接交流电源两灯都正常发光交变电流能够“通过”电容器2.电容器对交流电的阻碍作用(1)实验电路：如图2­4­2所示，三个规格完全相同的小灯泡，三只电容器C1、C2、C3(C1C2＝C3)，学生电源，开关，导线。按照如图2­4­2所示的电路图连接起来。1.电容器可导通交流电，电容器对交流电的阻碍作用称为容抗，其大小XC＝12πfC。2．电容器具有“隔直流、通交流”、“阻低频、通高频”的作用。3．电感器对交变电流的阻碍作用的大小称为感抗，XL＝2πfL。4．低频扼流圈可以“通直流，阻交流”，而高频扼流圈可以“通低频，阻高频”。最新K12资料2图2­4­2(2)实验过程及分析实验操作实验现象实验结论断开开关S1、S2，接上交流电源，观察L2、L3的发光情况L2、L3亮度相同电容器对交变电流有阻碍作用断开S1、闭合S2，将C3短路，观察L3的发光变化灯泡L3变亮闭合S1、S2，观察三个灯泡的发光情况L3最亮，L1较亮，L2最暗电容越大，阻碍作用越小(3)容抗①物理意义：表示电容器对交变电流阻碍作用的大小。②影响容抗大小的因素：电容器的电容越大，交变电流的频率越高，容抗越小。③公式：XC＝12πfC，单位：欧(Ω)。其中f是交流电的频率，C是电容器的电容。二、电感器在交流电路中的作用1．电感器由导线绕成的各种形状的线圈，电感器用字母“L”及电路符号“”表示。2．电感器对交流电的阻碍作用(1)实验电路：将带铁芯的电感器L和灯泡D串联，再与另一完全相同的灯泡D′并联，接在以交流信号发生器为电源的两端，如图2­4­3所示。图2­4­3(2)实验过程及分析最新K12资料3实验操作实验现象实验结论闭合开关S和S′灯泡D′比D亮(1)电感器对交流电有阻碍作用(2)交流电的频率越高，电感器对交流电的阻碍作用越大(3)线圈的自感系数越大，对交流电的阻碍作用越大只闭合开关S，调节信号发生器输出的信号电压，使灯泡D发出不太强烈的光，然后保持电压不变而改变信号的频率频率升高时灯泡D变暗；频率降低时灯泡D变亮保持电压和频率不变，把电感器的铁芯抽出再闭合开关S灯泡D亮度变亮保持其他条件不变，换用匝数不同的电感器电感器的匝数越多，灯泡亮度越暗(3)感抗①物理意义：表示电感器对交变电流阻碍作用的大小。②影响感抗大小的因素：线圈的自感系数越大，交变电流的频率越高，感抗越大。③公式：若用f表示交流电频率，用L表示线圈的自感系数，则感抗XL＝2πfL，单位：欧(Ω)。(4)感抗的应用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、阻交流通低频、阻高频1．自主思考——判一判(1)直流电流能通过电容器。(×)(2)电容器的电容越大，容抗就越大。(×)(3)电气设备和电子仪器的金属外壳都应该接地。(√)(4)绕制线圈的导线的电阻可以忽略时，线圈对交流没有阻碍作用。(×)(5)交流电的频率越高，电感对交流的阻碍作用越大。(√)(6)高频扼流圈可以“通高频，阻低频”。(×)2．合作探究——议一议(1)为什么电容器会对交变电流产生阻碍作用？提示：电源电压推动自由电荷向某一方向做定向运动时，电容器极板上积累的电荷却阻最新K12资料4碍它们向此方向做定向运动，这就产生了电容器对交变电流的阻碍作用。(2)为什么电感器对交变电流有阻碍作用？提示：交变电流通过线圈(电感器)时，电流时刻在变化，由于线圈的自感现象，必然产生感应电动势阻碍电流的变化，就形成了电感器对交变电流的阻碍作用。(3)一个灯泡通过一个粗导线的线圈与一个交流电源相连接，如图2­4­4所示。一条形铁块插进线圈之后，该灯明亮程度是否会发生变化？图2­4­4提示：灯泡亮度会变暗。线圈和灯泡是串联的，因此加在串联电路两端的总电压等于线圈上的电势差与灯泡上的电势差之和。墙上插孔所提供的220V电压，一部分降落在线圈上，剩余的部分降落在灯泡上，把条形铁块插进线圈后，线圈的自感系数增大，感抗增大，线圈分得的电压增大，灯泡上的电压减小，故灯泡变暗。对容抗的理解1．交变电流如何“通过”电容器当电容器接到交流电路中时，由于两极板间的电压在周期性地变化，电压升高时，电容器极板上的电荷量增加，形成充电电流，电压降低时，电容器极板上的电荷量减少，形成放电电流，充放电交替进行，电路中就好像交变电流“通过”了电容器，实际上，自由电荷并没有通过两极板间的绝缘介质。2．对电容器容抗的理解(1)产生原因：电容器的极板充电带有电荷后，会产生阻碍电流的反向电压，从而对继续充电产生阻碍作用。(2)相关因素①电容：电容器的电容越大，充电过程中两极间电压增长越慢，对继续充电阻碍作用越小。②频率：交流电频率越高，电流方向变化越快，对继续充电的阻碍作用越小。最新K12资料5[典例]将一平行板电容器与灯泡串联，接在交流电源上，如图2­4­5所示，灯泡正常发光，则()图2­4­5A．电容器对交变电流的阻碍作用仅与交流频率有关，与电容的大小无关B．增大电容器两极板间的距离，灯泡亮度不变C．增大电容器两极板间的距离，灯泡一定变暗D．使交流频率减小，灯泡变亮[思路点拨](1)容抗的大小与交流电的频率和电容器的电容大小有关。(2)电源电压一定时，容抗越大，灯泡越暗。[解析]影响容抗大小的因素有电容C和交流的频率f，故A错误；将电容器的两极板间距增大，电容器的电容变小，容抗变大，对电流的阻碍作用变大，电流变小，则灯泡变暗，故B错误，C正确；当交流频率减小时，容抗变大，则灯泡变暗，D错误。[答案]C电容器在电子技术中的两种应用隔直电容器高频旁路电容器作用是“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大些。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。1.如图2­4­6所示的电路中，若要灯泡持续发光，则S端应该接入()最新K12资料6图2­4­6A．交流电源B．直流电源C．滑动变阻器D．开关解析：选A若要灯泡持续发光，则S端应该接入交流电源，直流电不能通过电容器，故选项A正确。2.如图2­4­7所示的电路中，正弦交流电源电压的有效值为220V，则关于交流电压表的示数，以下说法中正确的是()图2­4­7A．等于220VB．大于220VC．小于220VD．等于零解析：选C虽然交变电流能通过电容器，但也要受到阻碍作用，电容器与电阻串联，根据分压原理可知电阻两端的电压小于电源电压，电压表测的是电阻两端的电压，C正确。3.如图2­4­8所示，白炽灯和电容器串联后接在交变电源的两端，当交变电源的频率减小时()图2­4­8A．电容器电容增加B．电容器电容减小C．电灯变暗D．电灯变亮解析：选C电容器的电容是由电容器本身的特性所决定的，与外加的交变电源的频率无关，故选项A和B是错误的；当交变电流的频率减小时，电容器的容抗增大，电流减小，电灯变暗，故C对、D错。电阻、感抗、容抗的比较最新K12资料7电阻感抗容抗产生的原因定向移动的自由电荷与不动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、交流有相同的阻碍作用“阻交流、通直流”“阻高频、通低频”“隔直流、通交流”“阻低频、通高频”决定公式R＝ρlSXL＝2πfLXC＝12πfC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反复转化电能与电场能反复转化[典例]如图2­4­9所示，完全相同的三只灯泡a、b、c分别与电阻R、电感器L、电容器C串联，然后并联到220V、50Hz的交流电路中，三只灯泡的亮度恰好相同。若保持交变电压的最大值不变，将交变电流的频率增大到60Hz，则发生的现象是()图2­4­9A．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[审题指导]第一步：抓关键点关键点获取信息三只灯泡完全相同灯泡电阻相等亮度恰好相同此时通过三只灯泡的电流相等第二步：找突破口最新K12资料8交变电流的频率增大到60Hz，根据电阻、电感器、电容器对交变电流的阻碍作用的不同，来判断通过三只灯泡的电流如何变化。[解析]根据电阻、感抗、容抗与交变电流频率大小的关系，可按如下思维流程分析：[答案]D电容器、电感器、电阻这三种电路元件的导电特性不同，接不同的电源电压，就会产生不同的现象。在交流电路中，电感器、电容器和电阻对交变电流都有阻碍作用，但对于恒定电流，电感器没有阻碍作用。1．下面说法正确的是()A．感抗仅与电源频率有关，与线圈自感系数无关B．容抗仅与电源频率有关，与电容无关C．感抗、容抗和电阻等效，对不同交变电流都是一个定值D．感抗是由于电流变化时在线圈中产生了自感电动势而对电流的变化产生的阻碍作用解析：选D由公式XL＝2πfL得感抗与线圈自感系数有关，A错误。根据公式XC＝12πfC，得容抗与电容也有关系，B错误。对不同交变电流感抗和容抗对应不同的值，C错误。感抗是由于电流变化时在线圈中产生了自感电动势而对电流的变化产生的阻碍作用，D正确。2.电阻R、电容C和电感器L是常用的电子元器件，在频率为f的交变电流电路中，如图2­4­10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2f，维持其它条件不变，则下列几种情况不正确的是()图2­4­10A．通过R的电流有效值不变B．通过C的电流有效值最大C．通过L的电流有效值最小D．通过R、C、L的电流有效值都不变最新K12资料9解析：选D在频率为f的交变电流电路中，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。当交变电流的频率提高到2f时，则线圈的感抗变大，导致通过L的电流有效值变小；对于电容器的容抗变小，导致通过C的电流有效值变大；对于电阻来说没有变化。故只有D不正确。3.如图2­4­11所示，三只完全相同的灯泡a、b、c分别与盒子Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中的三种元件串联，再将三者并联，接在正弦交变电路中，三只灯泡亮度相同。若保持电路两端电压有效值不变，将交变电流的频率增大，观察到灯a变暗、灯b变亮、灯c亮度不变。则三个盒子中的元件可能是()图2­4­11A．Ⅰ为电阻，Ⅱ为电容器，Ⅲ为电感器B．Ⅰ为电感器，Ⅱ为电阻，Ⅲ为电容器C．Ⅰ为电感器，Ⅱ为电容器，Ⅲ为电阻D．Ⅰ为电容器，Ⅱ为电感器，Ⅲ为电阻解析：选C由于将交变电流的频率增大后，观察到灯a变暗、灯b变亮、灯c亮度不变，说明Ⅰ的电阻增大，故它可能是电感元件，Ⅱ的电阻减小，故它可能是电容元件，Ⅲ的电阻不变，故它可能是电阻元件，故C正确。电容器和电感器在电子技术中的应用根据电感器和电容器对交变电流阻碍作用的特点，可以将二者与电阻组合到一起来完成一定的任务。(1)如果将电容器与负载并联，然后与电感器串联，就能更好地起到滤掉电流中交流成分和高频成分的作用，如图2­4­12甲所示。(2)如果将电感器与负载并联，然后与电容器串联，就能更好地起到滤掉电流中直流成分和低频成分的作用，如图乙所示。图2­4­12最新K12资料10[典例](多选)如图2­4­13所示，a、b两端连接的交流电源既含高频交流，又含低频电流；L是一个25mH的高频扼流圈，C是一个100pF的电容器，R是负载电阻。下列说法正确的是()图2­4­13A．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大于高频交流所占的百分比[思路点拨]L是一个高频扼流圈，具有通低频、阻高频的作用；C是电