2019-2020学年高中物理 第5章 交变电流 3 电感和电容对交变电流的影响课件 新人教版选修3

第3节电感和电容对交变电流的影响第五章交变电流1．理解电感、电容对交变电流的影响形成的原因。2．知道感抗、容抗，了解感抗、容抗与哪些因素有关。3．通过实验使学生直观地观察电容、电感对交变电流的阻碍。提高学生观察问题、发现问题、分析问题、解决问题的能力。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交流的频率有关。2．低频扼流圈可以“通直流、阻交流”，而高频扼流圈可以“通直流、通低频、阻高频”。3．交变电流可以通过电容器，电容器对交流的阻碍作用可以用容抗表示，容抗的大小与电容和交流的频率有关。4．电容具有“隔直流、通交流”“阻低频、通高频”的作用。01课前自主学习一、电感器对交变电流的阻碍作用1．实验探究(1)探究过程：如图，把线圈L与白炽灯串联起来，先把它们接到直流电源上，再把它们接到交流电源上，取直流电源的电压与交流电压的有效值相等。观察两种情况下灯泡的亮度。(2)实验现象：与直流电源连接的灯泡些，与交流电源连接的灯泡些。(3)实验结论：电感线圈对交变电流有作用。□1亮□2暗□3阻碍2．感抗(1)定义：电感器对交变电流的大小。(2)感抗的大小：由线圈的和交变电流的共同决定。自感系数越大，交变电流的频率越高，感抗就越。(3)感抗的单位是，在交变电路中类似于一个。□4阻碍作用□5自感系数□6频率□7大□8欧姆□9电阻3．感抗的应用想一想电感线圈对交变电流的阻碍作用为什么随线圈的自感系数、交变电流的频率的增大而增大呢？提示：电感线圈的阻碍作用是由交变电流通过线圈时产生的自感电动势引起的，自感系数越大时产生的自感电动势也越大；交变电流的频率越高，电流的变化率也越大，感应电动势也就越大，所以阻碍作用就越大，感抗也就越大。二、电容器对交变电流的阻碍作用1．交变电流能够通过电容器(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：电流能够通过电容器，电流不能通过电容器。□1直流□2交流□3交变□4直流2．容抗(1)如果把电容器从电路中取下来，使灯泡与交流电源直接相连，灯泡比接有电容器时，表明电容对交变电流有作用。(2)物理意义：表示电容对交变电流的的大小。□5更亮□6阻碍□7阻碍作用(3)影响容抗大小的因素：电容器的电容，交流的频率，容抗越小。(4)特性：电容器具有“隔、通、阻、通”的作用。(5)容抗的单位：欧姆，在交变电路中类似于一个电阻。□8越大□9越高□10直流□11交流□12低频□13高频判一判(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。()×提示：直流电流不能通过电容器，交流电流能“通过”电容器。×提示：交流电频率一定时，电容器的电容越大，容抗越小。(3)电气设备和电子仪器的金属外壳都应该接地。()√提示：为了确保安全，电气设备和电子仪器的金属外壳都应该接地。02课堂合作探究考点对感抗的认识1．为什么电感器对交变电流有阻碍作用而对直流几乎没有阻碍作用这是因为交变电流通过电感线圈时，电流时刻都在改变，由于自感的存在，线圈中必然产生自感电动势，自感电动势阻碍电流的变化，这就形成了对电流的阻碍作用。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感抗。又由于线圈的电阻很小，所以对直流几乎没有阻碍作用。电感对交变电流阻碍作用的大小就称为感抗。2．影响感抗大小的因素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。若用XL表示感抗，L表示自感系数，f表示交变电流的频率，则有XL＝2πfL(不要求掌握)。3．自感线圈在电路中的应用(1)“通直流、阻交流”是对两种不同类型的电流而言，因为恒定电流不变化，不能引起自感现象，所以对恒定电流没有阻碍作用；交变电流时刻改变，必有自感电动势产生以阻碍电流的变化，所以对交变电流有阻碍作用。(2)“通低频、阻高频”是对不同频率的交变电流而言，因为交变电流的频率越低，感抗也就越小，对电流的阻碍作用越小，可以通过；频率越高，感抗也就越大，对电流的阻碍作用越大。4．线圈(扼流圈)的分类根据线圈对不同频率交流电的阻碍作用分类：(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。它对低频交变电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：它的线圈是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。它只对高频交变电流有较大的阻碍作用，而对低频交变电流的阻碍作用较小，对直流的阻碍作用更小，故高频扼流圈的作用是“通直流、通低频、阻高频”。(1)电感器的感抗是由于变化的电流在线圈中产生的感应电动势引起的，与制成线圈导体的电阻无关。(2)电感器的感抗不仅与线圈本身的自感系数有关，还与交变电流的频率有关，电流的频率越大，感抗越大。例1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P1，而将双刀双掷开关接到交流电源上时，灯泡的实际功率为P2，则()A．P1＝P2B．P1＞P2C．P1＜P2D．不能比较电感线圈对直流电没有阻碍作用；电感线圈对交变电流有阻碍作用，并且阻碍作用的大小与线圈的自感系数、交变电流的频率有关。[解析]接在直流电源上，线圈对直流没有阻碍作用，这时通过灯泡的电流大，功率大；而当双刀双掷开关接在交流电源上时，线圈对交流有阻碍作用，这时通过灯泡的电流小，功率小，因此，P1＞P2。分析含电感器电路的思路(1)明确影响感抗大小的因素：自感系数越大，频率越大，感抗越大。(2)明确电感线圈对电流的作用：①低频扼流圈：通直流、阻交流；②高频扼流圈：通直流、通低频、阻高频。(3)理清电路的连接方式，结合串、并联电路的特点解题。[变式训练1](多选)如图所示，是由交流电源供电的电路，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．灯泡变暗解析自感系数由线圈本身决定，与交流电的频率无关，故A错误；交变电流频率增大时，线圈的感抗增大，电流变小，故B正确，C错误；灯泡中的电流变小，灯泡变暗，D正确。考点对容抗的认识1．影响电容器容抗大小的两个因素(1)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，电场力对电荷充电时的阻碍作用就小，所以容抗就小。(2)交变电流的频率越高，充电和放电的时间就越短，相同电路电容器上聚集的电荷就越少，电容器所达到的电压就越小，排斥充电和放电的电场力就越小，从而阻碍作用就越小，所以容抗就越小。若用XC表示容抗，C表示电容，f表示交变电流的频率，则有XC＝12πfC(不要求掌握)。2．为什么交变电流能“通过”电容器而直流却不能(1)电容器的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，而是在交流电源作用下，当电压升高时电容器充电，电容器极板上的电荷量增加，形成充电电流，如图甲；当电压降低时电容器放电，电容器极板上的电荷量减少，形成放电电流，如图乙。由于电容器反复不断地充电和放电，使电路中有持续的交变电流。(2)当电容器与直流电源的两极相连接时，除了接通的瞬间因电容器充电而有瞬时电流外，一旦充电完毕，电容器两极板间的电压与电源两极的电压相等，且保持不变，电路中就没有电流了。3．电容器的两种应用(1)隔直电容器如图1所示，在电子技术中，从某一装置输出的电流常常既有交流成分，又有直流成分。如果只需要把交流成分输送到下一级装置，只要在两级电路之间串联一个电容器，就可以使交流成分通过，而阻止直流成分通过，作这种用途的电容器叫做隔直电容器。(2)高频旁路电容器如图2所示，在电子技术中，从某一装置输出的交变电流常常既有高频成分，又有低频成分。如果在下一级电路的输入端并联一个电容器，高频成分就通过电容器，而使低频成分输入到下一级装置，作这种用途的电容器叫高频旁路电容器。4．为什么电气设备和电子仪器的金属外壳都要接地使用交流电源的电气设备和电子仪器，与电源相连的机芯和金属外壳可以看做电容器的两个极板，电源中的交变电流能够“通过”这个“电容器”，即漏电。为了确保安全，电气设备和电子仪器的金属外壳都应该接地。这样人们接触外壳时就不会触电。例2如图所示，白炽灯和电容器串联后接在交流电源的两端，当交流电的频率增加时()A．电容器电容增加B．电容器电容减少C．电灯变暗D．电灯变亮1.直流电不能通过电容器，交流电能够通过电容器，但是电容器对交流电有阻碍作用，电容越大，交流电的频率越高，对交流电的阻碍作用越小。2．电容器的作用是通交流、阻直流；高频旁路电容器的作用是通高频、阻低频。[解析]电容器的电容是由电容器本身的特性所决定的，与外加的交流电源的频率无关，故选项A和B是错误的。当交流电源的频率增大时，电容器充、放电的步伐加快、电容器的容抗减小，电流增大，电灯变亮，故选项C错误，D正确。电容器在电路中的作用(1)“隔直流、通交流”的作用：因为电容器两极板间是绝缘的，所以有“隔直流”作用，而对交变电流，电容器交替进行充电、放电，电路中就有了电流，所以有“通交流”作用，如隔直电容器。(2)“阻低频、通高频”的作用：电容较小的电容器，对高频交流电的容抗小，阻碍小；对低频交流电的容抗大、阻碍大，因此这种电容器用来“阻低频、通高频”，如高频旁路电容器。[变式训练2]如图所示电路，接在交流电源上的灯泡正常发光，则下列措施能使灯泡变亮的是()A．将电容器两极板间距离增大一些B．将电容器两极板正对面积减小一些C．把电介质插入电容器两极间D．把交变电流频率降低一些解析电容器对交变电流的容抗与电容器的电容和交变电流的频率有关，电容越大，频率越高，容抗越小，增大电容器两极板间距离，减小电容器两极板正对面积都使电容器的电容减小，容抗增大，灯泡变暗，故A、B错误，在电容器两极间插入电介质，使电容增大，容抗减小，灯泡变亮，C正确；降低交变电流频率，容抗增大，灯泡变暗，故D错误。考点电阻、感抗、容抗的比较1．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向这个方向定向移动的电荷的反抗作用电阻感抗容抗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，如交变电流有阻碍作用不能通直流，只能通变化的电流。对直流的阻碍作用无限大，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，R＝ρLS由线圈本身的自感系数和交流的频率决定，XL＝2πfL由电容的大小和交流的频率决定，XC＝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往复转化电能与电场能往复转化2．电感器的应用(1)低频扼流圈：可起到“通直流、阻交流”的作用。(2)高频扼流圈：可起到“通直流、通低频、阻高频”的作用。3．电感器和电容器的组合应用根据电感器、电容器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，然后与电感器串联，就能更好地起到滤掉电流中交流成分或高频成分的作用，如图甲。(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。例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、电感器L、电容器C串联，然后再并联到220V、50Hz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60Hz，则发生的现象是()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1.当交变电流的频率增大时，电阻对交变电流的阻碍作用不变，电感线圈对交变电流的阻碍作用增大，电容器对交变电流的阻碍作用减小。2．感抗、容抗的大小分别和什么