魯科版選修32 第三章 第3節(jié) 交流電路中的電容和電感 學(xué)案.doc

第3節(jié)交流電路中的電容和電感1.電阻對直流電和交流電的阻礙作用相同，其大小由導(dǎo)體本身(材料、粗細(xì)、長度)決定，與溫度有關(guān)。2電容器“通交流、隔直流，通高頻、阻低頻”，容抗反映了電容器對交變電流的阻礙作用的大小，容抗的大小由電容器的電容及交流電的頻率決定。3電感器“通直流、阻交流，通低頻、阻高頻”，感抗反映了電感器對交變電流的阻礙作用的大小，感抗的大小由線圈的自感系數(shù)及交流電的頻率決定。一、電容、電感對直流和交流的影響 1實(shí)驗(yàn)過程實(shí)驗(yàn)電路如圖331所示，將雙刀雙擲開關(guān)s分別接到電壓相等的直流電源和交流電源上，觀察燈泡的亮暗(三燈泡相同)。圖3312實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象l1l2l3直流電源(s2斷開)亮不亮最亮交流電源(s2斷開)亮亮暗交流電源(s2閉合)較亮最亮暗3實(shí)驗(yàn)結(jié)論電阻器對直流和交流的影響是相同的。電容器不能讓直流通過，卻能讓交流通過，但對交流有一定的阻礙作用。電感器既能讓直流通過，也能讓交流通過，但對交流有一定的阻礙作用。二、電容器的容抗及其應(yīng)用1實(shí)質(zhì)交變電流能夠通過電容器的實(shí)質(zhì)是在交變電壓的作用下，電容器交替進(jìn)行充電和放電，電路中就有了電流，自由電荷并未通過極板間的絕緣介質(zhì)。2容抗電容器對交流電的阻礙作用的大小用容抗來表示。電容器的電容越大，交變電流的頻率越高，電容器對交變電流的阻礙作用就越小，即容抗越小，反之容抗越大。3特點(diǎn)電容器具有“隔直流、通交流，通高頻、阻低頻”的特點(diǎn)。4應(yīng)用隔直電容器、高頻旁路電容器。三、電感器的感抗及其應(yīng)用1感抗電感對交流的阻礙作用。2影響感抗的因素電感器的自感系數(shù)和交變電流的頻率。自感系數(shù)越大、交變電流的頻率越高，感抗越大。3實(shí)際應(yīng)用低頻扼流圈“阻交流，通直流”。高頻扼流圈“阻高頻，通低頻”。1自主思考判一判(1)交流電的頻率越低，電容器對其的阻礙作用越強(qiáng)。()(2)交流電的頻率越低，電感器對其的阻礙作用越弱。()(3)高頻扼流圈比低頻扼流圈的匝數(shù)多，自感系數(shù)大。()2合作探究議一議(1)直流電路和交流電路中影響電壓和電流關(guān)系的因素一樣嗎？提示：不完全一樣。直流電路中影響電壓和電流關(guān)系的是電阻，而交流電路中影響電壓和電流關(guān)系的不僅有電阻，還有線圈的感抗與電容器的容抗，它們對交變電流表現(xiàn)出不同的行為，存在著不同的作用，有著本質(zhì)的區(qū)別。(2)交變電流“通過”電容器時，自由電荷是否真正通過了兩極板間的絕緣介質(zhì)？提示：不是。電路中之所以有電流是因?yàn)榻蛔冸娏鞯碾娫磳﹄娙萜鞑粩嗟爻潆姟⒎烹姟?3)一個燈泡通過一個粗導(dǎo)線的線圈與一交流電源相連接，如圖332所示。一條形鐵塊插進(jìn)線圈之后，該燈明亮程度是否會發(fā)生變化？圖332提示：燈泡亮度會變暗。線圈和燈泡是串聯(lián)的，因此加在串聯(lián)電路兩端的總電壓等于線圈上的電勢差與燈泡上的電勢差之和。墻上插孔所提供的220 v電壓，一部分降落在線圈上，剩余的部分降落在燈泡上，把條形鐵塊插進(jìn)線圈后，線圈的自感系數(shù)增大，感抗增大，線圈分得的電壓增大，燈泡上的電壓減小，故燈泡變暗。 電容器對交變電流的作用1交變電流“通過”電容器的原因分析直流不能通過電容器是因?yàn)殡娙萜鲀蓸O被絕緣介質(zhì)隔開，自由電荷不能通過絕緣介質(zhì)。把電容器接在交流電源兩端，在交變電壓作用下，當(dāng)電源電壓升高時，電容器充電，電路中形成充電電流，如圖333甲所示；當(dāng)電源電壓降低時，電容器放電，電路中形成放電電流，如圖乙所示。在交變電壓變化的一個周期內(nèi)電容器要交替進(jìn)行充電、放電，反向充電、放電，電路中就有了持續(xù)的交變電流，好像電流通過了電容器，實(shí)際上自由電荷并沒有通過電容器兩極間的絕緣介質(zhì)。圖3332電容器對交變電流的阻礙作用(1)容抗本質(zhì)：當(dāng)交變電流通過電容器時，給電容器充電或放電，形成充電或放電電流，在形成電流的過程中，對自由電荷來說，當(dāng)電源的電壓推動它們向某一方向做定向移動的時候，電容器兩板上積累的電荷卻阻礙它們向這個方向做定向移動，也就是說在給電容器充電或放電的過程中，在電容器兩極形成跟原電壓相反的電壓，這就對交變電流產(chǎn)生了阻礙作用。(2)影響容抗大小的因素：xc，xc表示容抗大小，f表示交流電變化的頻率，c表示電容大小。電容器的電容越大，同樣電壓下電容器容納的電荷越多，充電和放電電流越大，因而容抗越??；交變電流頻率越高，充電和放電進(jìn)行得越快，充電和放電電流越大，容抗越小。容抗xc，表示容抗與f和c都成反比。3電容器的應(yīng)用(1)隔直電容器：如圖334所示，其作用是“隔直流、通交流”，因?yàn)橹绷麟姴荒芡ㄟ^電容器，交流電能通過電容器。起這樣作用的電容器電容要大些。圖334(2)高頻旁路電容器：如圖335所示，其作用是“通高頻、阻低頻”，因?yàn)閷Σ煌l率的交流電，頻率越高，容抗越小，頻率越低，容抗越大，即電容器對低頻交變電流阻礙作用大，對高頻交變電流阻礙作用小。起這樣作用的電容器電容要小些。圖3351(多選)對交變電流通過電容器的正確理解是()a交變電流能夠使電容器極板間的絕緣介質(zhì)變成導(dǎo)體b交變電流定向移動的電荷能夠通過電容器兩板間的絕緣介質(zhì)c交變電流能夠使電容器交替進(jìn)行充電、放電，電路中就有了電流，表現(xiàn)為交變電流通過了電容器d交變電流通過了電容器，實(shí)際上自由電荷并沒有通過電容器極板間的絕緣介質(zhì)(擊穿除外)解析：選cd交變電流的大小和方向都做周期性變化，電容器在交流電路中就會不斷地進(jìn)行充電、放電，因此電路中仍有電荷的定向移動而形成電流，所以說交變電流能通過電容器，但自由電荷沒有通過電容器極板間的絕緣介質(zhì)，c、d正確，a、b錯誤。2.如圖336所示，平行板電容器與燈泡串聯(lián)，接在交流電源上的燈泡正常發(fā)光，則()圖336a把電介質(zhì)插入電容器，燈泡一定變亮b把電容器兩極板距離增大，燈泡一定變亮c使電容器兩極板正對面積減小，燈泡一定變亮d使交流電頻率增加，燈泡變暗解析：選a由電容器電容的決定式c可知：插入電介質(zhì)，電容c增大；極板間距離d增大，c減?。粶p小兩極板正對面積，c減小。因電容越大，容抗越小，對交變電流的阻礙作用越小，故a正確，b、c錯；電容器具有“通高頻、阻低頻”的作用，交流電頻率越高，對電流阻礙作用越小，故d錯誤。3如圖337所示為一低頻濾波電路。已知電源電壓包含的電流直流成分是240 v，此外還含有一些低頻的交流成分。為了在輸出電壓中盡量減少低頻交流成分，試說明電路中電容器的作用和特點(diǎn)。圖337解析：電容器對恒定電流(直流成分)來說，相當(dāng)于一個始終斷開的開關(guān)，因此電源輸出的直流成分不能通過電容器，所以輸出的電壓中直流成分與輸入端比較，沒有變化。但交變電流卻可以“通過”電容器，而且交流頻率越高、電容越大，電容器的容抗就越小，在電容器上輸出的電壓中交流成分就越小。所以在本題的電路中，頻率稍高的交流成分會通過電容器，而頻率較低的成分會留在輸出端，為了在輸出的電壓中盡量減少低頻交流成分，應(yīng)取電容較大的電容器。答案：見解析電感器對交變電流的作用1電感器對交變電流的阻礙作用(1)感抗本質(zhì)：交變電流通過線圈時，由于電流時刻在變化，線圈中產(chǎn)生自感電動勢，自感電動勢阻礙電流的變化，就形成了對交變電流的阻礙作用，因此，感抗的實(shí)質(zhì)是由線圈的自感現(xiàn)象引起的。直流電通過線圈時，電流的大小、方向都不變，線圈中不產(chǎn)生自感電動勢，也就沒有感抗。(2)影響感抗大小的因素：xl2fl，xl表示感抗大小，f表示交流電變化的頻率，l表示自感系數(shù)。感抗的大小與線圈的自感系數(shù)及電流變化的快慢有關(guān)，自感系數(shù)越大，交變電流的頻率越高，產(chǎn)生的感抗就越大，電感器對交變電流的阻礙作用就越大，反之則就越小。2電感器的應(yīng)用兩種扼流圈(1)低頻扼流圈構(gòu)造：閉合鐵芯、繞在鐵芯上的線圈。特點(diǎn)：匝數(shù)多，自感系數(shù)較大、電阻很小。它對低頻交流會產(chǎn)生很大的阻礙作用，而對直流的阻礙作用則較小。(2)高頻扼流圈構(gòu)造：它的線圈有的是繞在圓柱形的鐵氧體芯上。特點(diǎn)：匝數(shù)少，自感系數(shù)較小。它只對頻率很高的交流產(chǎn)生很大的阻礙作用，而對低頻交流的阻礙作用較小。1(多選)關(guān)于電感對交變電流的影響，以下說法中正確的是()a電感對交變電流有阻礙作用b電感對交變電流的阻礙作用越大，感抗就越小c電感具有“通交流、阻直流，通高頻、阻低頻”的性質(zhì)d線圈的自感系數(shù)越大、交變電流的頻率越高，電感對交變電流的阻礙作用就越大解析：選ad電感對交變電流有阻礙作用，阻礙作用越大，感抗越大，感抗與自感系數(shù)、交變電流的頻率成正比，電感具有“通直流、阻交流，通低頻、阻高頻”的性質(zhì)，故本題選項(xiàng)a、d正確。2(多選)在如圖338所示的電路中，l為電感線圈，r為燈泡的電阻，電流表內(nèi)阻為零，電壓表內(nèi)阻無限大，交流電源的電壓u220sin 100t v。若保持電源電壓有效值不變，只將電源頻率改為100 hz，下列說法正確的是()圖338a電流表示數(shù)增大b電壓表示數(shù)增大c燈泡變暗d燈泡變亮解析：選bc由u220sin 100t v，可得電源原來的頻率為f hz50 hz。當(dāng)電源頻率由原來的50 hz增大為100 hz時，線圈的感抗增大，在電壓不變的情況下，電路中的電流減小，選項(xiàng)a錯誤；燈泡的電阻r是一定的，電流減小時，實(shí)際消耗的電功率(pi2r)減小，燈泡變暗，選項(xiàng)c正確，d錯誤；電壓表與電感線圈并聯(lián)，其示數(shù)為線圈兩端的電壓ul，設(shè)燈泡兩端電壓為ur，則電源電壓的有效值為uulur。因urir，故電流i減小時，ur減小。因電源電壓有效值保持不變，可知ul增大，選項(xiàng)b正確。3.如圖339所示，交流電源的電壓有效值跟直流電源的電壓相等，當(dāng)將雙刀雙擲開關(guān)接到直流電源上時，燈泡的實(shí)際功率為p1，而將雙刀雙擲開關(guān)接到交流電源上時，燈泡的實(shí)際功率為p2，則()圖339ap1p2bp1p2cp1p2。b正確。電容和電感的綜合應(yīng)用典例如圖3310所示， 線圈的自感系數(shù)l和電容器的電容c都很小(如l1 mh，c200 pf)，此電路的重要作用是()圖3310a阻直流通交流，輸出交流b阻交流通直流，輸出直流c阻低頻通高頻，輸出高頻交流d阻高頻通低頻，輸出低頻交流和直流思路點(diǎn)撥解答本題時，應(yīng)把握以下兩點(diǎn)：(1)弄清楚電路中包含哪些元件及電路的連接方式；(2)明確電感器、電容器對交變電流的阻礙作用的特點(diǎn)。解析因線圈自感系數(shù)l很小，所以對低頻成分的阻礙作用很小，這樣直流和低頻成分能順利通過線圈，電容器并聯(lián)在電路中，起旁路作用，因電容c很小，對低頻成分的阻礙作用很大，而對部分通過線圈的高頻成分阻礙作用很小，被它旁路，最終輸出的是低頻交流和直流。答案d電感和電容的組合應(yīng)用連接方式作用能夠更好地濾掉電流中的交流成分或高頻成分能夠更好地濾掉電流中的直流成分和低頻成分1.在收音機(jī)線路中，天線接收下來的電信號既有高頻成分又有低頻成分，經(jīng)放大后送給下一級，需要把低頻成分和高頻成分分開，只讓低頻成分輸入給下一級，我們采用了如圖3311裝置電路，其中代號a、b應(yīng)選擇的元件是()圖3311aa是電容較大的電容器，b是低頻扼流線圈ba是電容較大的電容器，b是高頻扼流線圈ca是電容較小的電容器，b是高頻扼流線圈da是電容較小的電容器，b是低頻扼流線圈解析：選c電容器具有“通高頻、阻低頻”作用，這樣的電容器電容應(yīng)較小，故a處接電容較小的電容器。電感線圈在該電路中要求做“通低頻、阻高頻”，所以b處應(yīng)接一個高頻扼流線圈。2(多選)從某一裝置輸出的交流常常既有高頻成分，又有低頻成分。如果只需要把低頻成分輸送到下一級裝置，可采用的電路是()解析：選ad由于只需將低頻成分輸送到下一級裝置，可將高頻成分分流，但低頻成分不能通過，即需要高頻旁路電容器，選項(xiàng)a正確。也可以直接阻礙高頻成分通過，即阻高頻、通低頻，可以采用高頻扼流圈，選項(xiàng)d正確。3. “二分頻”音箱內(nèi)有兩個不同口徑的揚(yáng)聲器，它們的固有頻率分別處于高音、低音頻段，分別稱為高音揚(yáng)聲器和低音揚(yáng)聲器。音箱要將擴(kuò)音機(jī)送來的含有不同頻率的混合音頻電流按高、低頻段分離出來，送往相應(yīng)的揚(yáng)聲器，以便使電流所攜帶的音頻信息按原比例還原成高、低頻的機(jī)械振動。圖3312所示為音箱的電路圖，高、低頻混合電流由a、b端輸入，l1和l2是線圈，c1和c2是電容器，則()圖3312a甲揚(yáng)聲器是高音揚(yáng)聲器bc2的作用是阻礙低頻電流通過乙揚(yáng)聲器cl1的作用是阻礙低頻電流通過甲揚(yáng)聲器dl2的作用是減弱乙揚(yáng)聲器的高頻電流解析：選b甲揚(yáng)聲器中，l1串聯(lián)在電路中，對高頻電流的阻礙作用很大，對低頻電流的阻礙作用較?。籧1并聯(lián)在電路中，對高頻電流的阻礙作用小，可以給高頻電流提供通路，使低頻電流通過甲揚(yáng)聲器傳出，所以甲為低音揚(yáng)聲器。乙揚(yáng)聲器中，c2串聯(lián)在電路中，對低頻電流的阻礙作用很大，對高頻電流的阻礙作用較小，l2并聯(lián)在電路中，對低頻電流的阻礙作用較小，可以給低頻電流提供通路，使高頻電流通過乙揚(yáng)聲器傳出，所以乙為高音揚(yáng)聲器。1(多選)在交流電路中，下列說法正確的是()a影響電流與電壓關(guān)系的，不僅有電阻，還有電感和電容b電感對交變電流有阻礙作用，是因?yàn)榻蛔冸娏魍ㄟ^電感線圈時，線圈中產(chǎn)生自感電動勢阻礙電流的變化c交變電流能通過電容器，是因?yàn)榻蛔冸妷旱淖畲笾荡笥趽舸╇妷?，電容器被擊穿了d電容器的電容越大、交流的頻率越高，容抗就越大解析：選ab交變電流能通過電容器是因?yàn)榻涣麟娐分须娙萜鞯膬蓸O加上交變電壓后，兩極板上不斷進(jìn)行充、放電，電路中產(chǎn)生電流，表現(xiàn)為交變電流“通過”了電容器，故c錯；電容器的電容越大、交流的頻率越高，容抗越小，d錯；電路中的電阻、電感、電容都對交流電路產(chǎn)生影響，a正確；電感線圈對電流的變化有阻礙作用，b正確。2有兩個電容器的電容分別為c15 f和c23 f，分別加上峰值一定的交變電源，在下列各種情況下，哪一種情況下通過電容器的電流最大()a在c1上所加交變電流的頻率為50 hzb在c2上所加交變電流的頻率為50 hzc在c1上所加交變電流的頻率為60 hzd在c2上所加交變電流的頻率為60 hz解析：選c電容器對電流的阻礙作用的大小，即為容抗。容抗的大小是由電容器電容c和交變電流的頻率共同決定的。交變電流的頻率越高，電容器的電容越大，電容器的容抗就越小，電流就越大。因此要使通過電容器的電流最大則必須頻率最高，電容最大。3.如圖1所示的電路中，正弦式交流電源電壓的有效值為220 v，則關(guān)于交流電壓表的示數(shù)，以下說法中正確的是()圖1a等于220 vb大于220 vc小于220 v d等于零解析：選c交流電不同于直流電，交流電能“通過”電容器，所以電壓表有示數(shù)。雖然交流電能通過電容器，但也受到阻礙作用，電容器與電阻串聯(lián)，根據(jù)分壓原理可知電阻兩端的電壓小于電源電壓，電壓表測的是電阻兩端的電壓，故正確選項(xiàng)為c。4交變電流通過一段長直導(dǎo)線時，電流為i，如果把這根長直導(dǎo)線繞成線圈再接入原電路，通過線圈的電流為i，則()aiibiiciid無法比較解析：選b長直導(dǎo)線的自感系數(shù)很小，感抗可忽略不計(jì)，其對交變電流的阻礙作用可以看成純電阻，流經(jīng)它的交變電流只受到導(dǎo)線電阻的阻礙作用。當(dāng)導(dǎo)線繞成線圈后，電阻值未變，但自感系數(shù)增大，對交變電流的阻礙作用不但有電阻，而且有感抗，其阻礙作用增大，電流減小。故b正確。5直流電源的電壓與交流電源電壓的有效值相同，自感線圈的直流電阻不計(jì)，則燈泡發(fā)光最亮的是()解析：選d電容c、電感l(wèi)都對交流電有阻礙作用，故a、b兩圖中燈不是最亮的；c圖中燈被短路，不亮；d圖中電容c有隔直流作用，所以d中燈泡最亮。6如圖2所示的電路中，線圈的自感系數(shù)和電容器的電容都很小，這個電路的主要作用是()圖2a阻直流，通交流，輸出交流電b阻交流，通直流，輸出直流電c阻高頻，通低頻，輸出低頻交流電和直流電d阻低頻，通高頻，輸出高頻交流電和直流電解析：選c因線圈l的自感系數(shù)很小，所以對低頻成分的阻礙作用很小，這樣，直流和低頻成分能順利通過線圈。電容器c為一旁路電容，因其電容很小，對高頻成分的阻礙作用很小，這樣，通過線圈的高頻成分又經(jīng)電容器c形成回路，最終輸出的應(yīng)為低頻交流電和直流電。7.某同學(xué)在研究電容器、電感器對恒定電流與交變電流的影響時，采用了如圖3所示的電路，其中l(wèi)1、l2是兩個完全相同的燈泡，已知把開關(guān)置于3、4時，電路與交流電源接通，穩(wěn)定后的兩個燈泡亮度相同，則該同學(xué)在如下操作過程中能觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是()圖3a當(dāng)開關(guān)置于1、2時，穩(wěn)定后l1、l2兩個燈泡均發(fā)光，且亮度相同b當(dāng)開關(guān)置于1、2時，穩(wěn)定后l1、l2兩個燈泡均發(fā)光，但l1比l2亮c當(dāng)開關(guān)置于3、4時，穩(wěn)定后，若只增加交變電流的頻率，則兩個燈泡的亮度將同時變暗d在開關(guān)置于3、4瞬間，l2立即發(fā)光，而l1亮度慢慢增加解析：選d當(dāng)開關(guān)置于1、2時，穩(wěn)定后因電容器隔直流，故l2支路斷開，l2不發(fā)光，選項(xiàng)a、b錯誤；在開關(guān)置于3、4的瞬間，電容器通交流，l2立即發(fā)光，由于電感線圈的自感作用，l1亮度慢慢增加，選項(xiàng)d正確；當(dāng)開關(guān)置于3、4穩(wěn)定后，增加交變電流頻率，容抗減小，感抗增大，l1變暗，l2變亮，選項(xiàng)c錯誤。8(多選)如圖4所示是一個判定a、b之間電源性質(zhì)的儀器。下列說法中正確的是()圖4a若接通電源后只有綠燈亮，則a、b間為直流電源b若接通電源后只有綠燈亮，則a、b間為交流電源c若接通電源后只有紅燈或黃燈亮，則a、b間為直流電源d若接通電源后只有紅燈或黃燈亮，則a、b間為交流電源解析：選bc綠燈與電容器c串聯(lián)，綠燈亮說明a、b間為交流電源，a錯，b對；直流電不能通過電容器，且二極管具有單向?qū)щ娦裕糁挥屑t燈或黃燈亮，則說明a、b間為直流電源，c對，d錯。9.如圖5所示，電路中完全相同的三只燈泡l1、l2、l3分別與電阻r、電感l(wèi)、電容c串聯(lián)，然后再并聯(lián)到220 v、50 hz的交流電路上，三只燈泡亮度恰好相同。若保持交變電壓不變，將交變電流的頻率增大到60 hz，則發(fā)生的現(xiàn)象是()圖5a三燈亮度不變b三燈均變亮cl1不變、l2變亮、l3變暗dl1不變、l2變暗、l3變亮解析：選d當(dāng)交變電流的頻率變大時，線圈的感抗變大，電容器的容抗變小，因此