5.3 電感和電容對(duì)交變電流的影響.doc

53 電感和電容對(duì)交變電流的影響新課標(biāo)要求（一）知識(shí)與技能1理解為什么電感對(duì)交變電流有阻礙作用。2知道用感抗來(lái)表示電感對(duì)交變電流阻礙作用的大小，知道感抗與哪些因素有關(guān)。3知道交變電流能通過(guò)電容器.知道為什么電容器對(duì)交變電流有阻礙作用。4知道用容抗來(lái)表示電容對(duì)交變電流的阻礙作用的大小.知道容抗與哪些因素有關(guān)。（二）過(guò)程與方法1培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的思維習(xí)慣。2培養(yǎng)學(xué)生用學(xué)過(guò)的知識(shí)去理解、分析新問(wèn)題的習(xí)慣。（三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀(guān)培養(yǎng)學(xué)生有志于把所學(xué)的物理知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際中去的學(xué)習(xí)習(xí)慣。教學(xué)重點(diǎn)1電感、電容對(duì)交變電流的阻礙作用。2感抗、容抗的物理意義。教學(xué)難點(diǎn)1感抗的概念及影響感抗大小的因素。2容抗概念及影響容抗大小的因素。教學(xué)過(guò)程（一）引入新課在直流電路中，影響電流跟電壓關(guān)系的只有電阻。在交變電流路中，影響電流跟電壓關(guān)系的，除了電阻外，還有電感和電容。電阻器、電感器、電容器是交變電流路中三種基本元件。這節(jié)課我們學(xué)習(xí)電感、電容對(duì)交變電流的影響。（二）進(jìn)行新課1電感對(duì)交變電流的阻礙作用演示電阻、電感對(duì)交、直流的影響。實(shí)驗(yàn)電路如下圖甲、乙所示： 首先演示甲圖，電鍵分別接到交、直流電源上，引導(dǎo)學(xué)生觀(guān)察兩次燈的亮度，說(shuō)明了什么道理？燈的亮度相同。說(shuō)明電阻對(duì)交流和直流的阻礙作用相同。再演示乙圖，電鍵分別接到交、直流電源上，引導(dǎo)學(xué)生觀(guān)察兩次燈的亮度，說(shuō)明了什么道理？電鍵接到直流上，亮度不變；接到交流上時(shí)，燈泡亮度變暗。說(shuō)明線(xiàn)圈對(duì)直流電和交變電流的阻礙作用不同。確實(shí)如此。線(xiàn)圈對(duì)直流電的阻礙作用只是電阻；而對(duì)交變電流的阻礙作用除了電阻之外，還有電感.為什么會(huì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象呢？由電磁感應(yīng)的知識(shí)可知，當(dāng)線(xiàn)圈中通過(guò)交變電流時(shí)，產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)，阻礙電流的變化。電感對(duì)交變電流阻礙作用的大小，用感抗來(lái)表示。感抗的大小與哪些因素有關(guān)？請(qǐng)同學(xué)們閱讀教材后回答。感抗決定于線(xiàn)圈的自感系數(shù)和交變電流的頻率。線(xiàn)圈的自感系數(shù)越大，自感作用就越大，感抗就越大；交變電流的頻率越高，電流變化越快，自感作用越大，感抗越大。線(xiàn)圈在電子技術(shù)中有廣泛應(yīng)用，有兩種扼流圈就是利用電感對(duì)交變電流的阻礙作用制成的。出示扼流圈，并介紹其構(gòu)造和作用。（1）低頻扼流圈構(gòu)造：線(xiàn)圈繞在閉合鐵芯上，匝數(shù)多，自感系數(shù)很大。作用：對(duì)低頻交變電流有很大的阻礙作用。即“通直流、阻交流”。（2）高頻扼流圈構(gòu)造：線(xiàn)圈繞在鐵氧體芯上，線(xiàn)圈匝數(shù)少，自感系數(shù)小。作用：對(duì)低頻交變電流阻礙小，對(duì)高頻交變電流阻礙大。即“通低頻、阻高頻”。2交變電流能夠通過(guò)電容器演示電容對(duì)交、直流的影響。實(shí)驗(yàn)電路如圖所示：開(kāi)關(guān)S分別接到直流電源和交變電流源上，觀(guān)察到什么現(xiàn)象？說(shuō)明了什么道理？接通直流電源，燈泡不亮；接通交變電流源，燈泡亮了。說(shuō)明了直流電不能夠通過(guò)電容器，交變電流能夠“通過(guò)”電容器。電容器的兩極板間是絕緣介質(zhì)，為什么交變電流能夠通過(guò)呢？用CAI課件展示電容器接到交變電流源上，充、放電的動(dòng)態(tài)過(guò)程。強(qiáng)調(diào)自由電荷并沒(méi)有通過(guò)電容器兩極板間的絕緣介質(zhì)，只是當(dāng)電源電壓升高時(shí)電容器充電，電荷向電容器的極板上集聚，形成充電電流；當(dāng)電源電壓降低時(shí)電容器放電，電荷從電容器的極板上放出，形成放電電流。電容器交替進(jìn)行充電和放電，電路中就有了電流，表現(xiàn)為交流通過(guò)了電容器。3電容器對(duì)交變電流的阻礙作用演示電容器對(duì)交變電流的影響將剛才實(shí)驗(yàn)電路中“1000 F，15 V”的電容器去掉，觀(guān)察燈泡的亮度，說(shuō)明了什么道理？燈泡的亮度變亮了。說(shuō)明電容器對(duì)交變電流也有阻礙作用。的確是這樣。物理上用容抗來(lái)表示電容器對(duì)交變電流阻礙作用的大小。容抗跟哪些因素有關(guān)呢？請(qǐng)同學(xué)們閱讀教材后回答。容抗決定于電容器電容的大小和交變電流的頻率.電容越大，在同樣電壓下電容器容納電荷越多，因此充放電的電流越大，容抗就越小；交變電流的頻率越高，充放電進(jìn)行得越快，充放電電流越大，容抗越小.即電容器的電容越大，交變電流頻率越高，容抗越小。電容器具有“通交流、隔直流”“通高頻、阻低頻”的特點(diǎn)。（三）課堂總結(jié)、點(diǎn)評(píng)本節(jié)課主要學(xué)習(xí)了以下幾個(gè)問(wèn)題：1由于電感線(xiàn)圈中通過(guò)交變電流時(shí)產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)，阻礙電流變化，對(duì)交變電流有阻礙作用.電感對(duì)交變電流阻礙作用大小用感抗來(lái)表示.線(xiàn)圈自感系數(shù)越大，交變電流的頻率越高，感抗越大，即線(xiàn)圈有“通直流、阻交流”或“通低頻，阻高頻”特征.2交變電流“通過(guò)”電容器過(guò)程，就是電容器充放電過(guò)程.由于電容器極板上積累電荷反抗自由電荷做定向移動(dòng)，電容器對(duì)交變電流有阻礙作用.用容抗表示阻礙作用的大小.電容器的電容越大，交流的頻率越高，容抗越小.故電容器在電路中有“通交流、隔直流”或“通高頻、阻低頻”特征。（四）實(shí)例探究電感對(duì)交變電流的影響【例1】如圖所示電路中，L為電感線(xiàn)圈，R為燈泡，電流表內(nèi)阻為零。電壓表內(nèi)阻無(wú)限大，交流電源的電壓u=220sin10t V。若保持電壓的有效值不變，只將電源頻率改為25Hz，下列說(shuō)法中正確的是 （ ）A電流表示數(shù)增大B電壓表示數(shù)減小C燈泡變暗D燈泡變亮解析：由u=220sin100t，可得電源頻率f= Hz=50 Hz當(dāng)電源頻率由原來(lái)的50 Hz改為25 Hz時(shí)，線(xiàn)圈的感抗減小，在電壓不變的情況下，電路中的電流增大，選項(xiàng)A正確。燈泡的電阻R是一定的，電流增大時(shí)，實(shí)際消耗的電功率（P=I2R）變大，燈泡變暗，選項(xiàng)C錯(cuò)誤，D正確。電壓表與電感線(xiàn)圈并聯(lián)，其示數(shù)為線(xiàn)圈兩端電壓UL，設(shè)燈泡兩端的電壓為UR，則電源電壓的有效值為U=UL+UR因UR=IR，I增大，UR增大，因電源電壓有效值不變，故UL=（U-UR）減小，故選項(xiàng)B正確.答案：ABD點(diǎn)評(píng)：解決該類(lèi)問(wèn)題時(shí)將電感和電容看成特殊“電阻”，在交變電流電路中串、并聯(lián)關(guān)系仍是適用的。電感和電容對(duì)交變電流的影響【例2】圖所示是電視機(jī)電源部分的濾波裝置，當(dāng)輸入端輸入含有直流成分、交流低頻成分的電流后，能在輸出端得到較穩(wěn)定的直流電，試分析其工作原理及各電容和電感的作用。解析：當(dāng)含有多種成分的電流輸入到C1兩端，則由于C1的“通交流、隔直流”功能，電流中的交流成分被衰減，而線(xiàn)圈L有“通直流、阻交流”功能，直流成分電流順利通過(guò)L.一小部分交流通過(guò)L，到達(dá)C2兩端時(shí)，C2進(jìn)一步濾除電流中殘余的交流成分，這樣就在輸出端得到較穩(wěn)定的直流電，這個(gè)直流電供電視機(jī)內(nèi)芯正常工作。點(diǎn)評(píng)：本題聯(lián)系電視機(jī)中的實(shí)際電路，應(yīng)分別考慮L、C的作用：L對(duì)直流起“短路”作用，對(duì)交流起阻礙作用；C對(duì)直流“斷路”，對(duì)交流有旁路分流作用.本題C1、C2兩次對(duì)交流分流，濾波效果 更好（五）鞏固練習(xí)1關(guān)于低頻扼流圈，下列說(shuō)法正確的是 （ ）A這種線(xiàn)圈的自感系數(shù)很小，對(duì)直流有很大的阻礙作用B這種線(xiàn)圈的自感系數(shù)很大，對(duì)低頻電流有很大的阻礙作用C這種線(xiàn)圈的自感系數(shù)很大，對(duì)高頻交流的阻礙作用比低頻交流的阻礙作用更大D這種線(xiàn)圈的自感系數(shù)很小，對(duì)高頻交流的阻礙作用很大而對(duì)低頻交流的阻礙作用很小答案：BC2下列說(shuō)法中正確的是 （ ）A電感線(xiàn)圈對(duì)交流具有阻礙作用的主要原因是線(xiàn)圈具有電阻B電容器對(duì)交流具有阻礙作用的原因是兩板間的絕緣體電阻很大C在交流電路中，電阻、感抗、容抗可以同時(shí)存在D感抗、容抗和電阻一樣，交流電通過(guò)它們做功時(shí)都是電能轉(zhuǎn)化為 內(nèi)能解析：D選項(xiàng)中電流通過(guò)感抗時(shí)有一部分電能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能，經(jīng)容抗時(shí)一部分電能轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能.答案：C3在圖所示電路中，u是有效值為200 V的交流電源，C是電容器，R是電阻.關(guān)于交流電壓表的示數(shù)，下列說(shuō)法正確的是 （ ）A等于220 VB大于220 VC小于220 VD等于零解析：電容器的容抗與電阻串聯(lián)，根據(jù)串聯(lián)分壓原理可知電阻兩端電壓應(yīng)小于電源電壓.答案：C4在圖所示的電路中，a、b兩端連接的交流電源既含高頻交流，又含低頻交流；L是一個(gè)25 mH的高頻扼流圈，C是一個(gè)100 pF的電容器，R是負(fù)載電阻，下列說(shuō)法中正確的是 （ ）A.L的作用是“通低頻，阻高頻”B.C的作用是“通交流，隔直流”C.C的作用是“通高頻，阻低頻”D.通過(guò)R的電流中，低頻電流所占的百分比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高頻交流所占的百分比解析：L是一個(gè)自感系數(shù)很小的高頻扼流圈，其作用是“通低頻，阻高頻”，A正確.C是一個(gè)電容很小的電容器，在本題電路中，對(duì)高頻交變電流的容抗遠(yuǎn)小于對(duì)低頻交變電流的容抗，其作是“通高頻、阻低頻”，選項(xiàng)C正確.因電路中無(wú)直流電流，故B錯(cuò)誤，由于L對(duì)高頻交變電流的阻礙作用和C對(duì)高頻電流的旁通作用，使得通過(guò)R的電流中低頻交變電流所占的百分比遠(yuǎn)高于高頻交變電流所占的百分比，選項(xiàng)D正確.答案：ACD5如圖所示，交變電流電壓的瞬時(shí)表達(dá)式u=311sin157t V時(shí)，三個(gè)電流表的示數(shù)相同，若電源電壓改為u=sin314t V時(shí)，則 （ ）A電流表 的示數(shù)減小B電流表的示數(shù)增大C電流表的示數(shù)不變解析：當(dāng)由u變?yōu)閡時(shí)，變化的是交電流電壓的頻率（變大），電壓的有效值不變，當(dāng)頻率變大，電感L的感抗變大，故的示數(shù)減??；電容C的容抗變小，故示數(shù)變大，電阻R的阻值不變，故示數(shù)不變.答案：ABC6如圖所示，一平行板電容器和一個(gè)燈泡串聯(lián)，接在交流電源上，燈泡正常發(fā)光，下列哪些情況中燈泡會(huì)變亮（燈不會(huì)燒毀） （ ）A電容器兩極板間插入介電常數(shù)為的電介質(zhì)B電容器兩板間距增大C提高交變電流的頻率D電容器兩板正對(duì)面積減小解析：電容器對(duì)電流有阻礙作用，容抗越大則燈泡變暗，容抗小則燈泡變亮，容抗大小與電容C有關(guān)，電容大，容抗小，由C=知，A使C變大，而B(niǎo)、D選項(xiàng)中涉及因素使C變小，容抗大小與交變電流的頻率有關(guān)，交變電流頻率越高，容抗越小，故選項(xiàng)C正確.答案：AC7如圖所示交流電源的電壓有效值跟直流的電壓相等，當(dāng)將雙刀雙擲開(kāi)關(guān)接到直流電源上時(shí)，燈泡的實(shí)際功率為P1，而將雙刀雙擲開(kāi)關(guān)接在交流電源上時(shí)，燈泡的實(shí)際功率為P2，則 （ ）AP1=P2BP1P2CP1P2D不能比較解析：電感L對(duì)直流基本無(wú)阻礙作用，此時(shí)燈泡消耗的功率P1=（U為直流電壓值），當(dāng)接入交流電路中時(shí)，電感L對(duì)交流有感抗作用，燈泡兩端電壓UR小于交變電源的電壓有效值U，所以P2=P1.答案：B8兩位同學(xué)利用圖所示裝置做實(shí)驗(yàn)，第一位同學(xué)使金屬棒ab在導(dǎo)軌上做勻速運(yùn)動(dòng)，第二位同學(xué)使金屬棒ab在導(dǎo)軌上做變速運(yùn)動(dòng)（導(dǎo)軌處于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中），但兩位同學(xué)對(duì)ab棒做的功一樣多，若第一位同學(xué)做實(shí)驗(yàn)時(shí)小燈泡消耗的電能為E1，第二位同學(xué)做實(shí)驗(yàn)時(shí)小燈泡消耗的電能為E2，則 （ ）AE1=E2BE1E2CE1E2D無(wú)法確定解析：兩位同學(xué)做功一樣，說(shuō)明有相同多的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電路中的電能（忽略做功時(shí)克服摩擦等因素）.第一位同學(xué)仍為勻速運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生電流為恒定電流，電感L消耗電能很少，絕大多數(shù)電能為小燈泡所消耗;而第二位同學(xué)仍為變速運(yùn)動(dòng)，電路中產(chǎn)生的感應(yīng)電流將是變化的電流，由于L的感抗作用，有一部分電能消耗在L上（主要轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能）答案：B9電感線(xiàn)圈和電容器對(duì)交流電路來(lái)說(shuō)都相當(dāng)于一個(gè)電阻，而導(dǎo)體的電阻是導(dǎo)體本身的特性，與加在導(dǎo)體上的電源沒(méi)有關(guān)系.因此感抗和容抗也是線(xiàn)圈和電容器的特性，由它們本身性質(zhì)決定，與加在線(xiàn)圈和電容器上的電源沒(méi)有關(guān)系.這種說(shuō)法正確嗎？解析：電感線(xiàn)圈和電容器在交流電路中相當(dāng)于一個(gè)電阻，表示它們對(duì)交流阻礙作用大小的感抗和容抗的單位都是歐姆.但感抗和容抗與導(dǎo)體的電阻有很大的不同.導(dǎo)體的電阻由導(dǎo)體本身性質(zhì)決定,與接在導(dǎo)體上的電源無(wú)關(guān).而感抗和容抗則不然，它們不僅與線(xiàn)圈和電容器本身性質(zhì)有關(guān)，還與電源的頻率有關(guān).對(duì)于同一個(gè)電感線(xiàn)圈或電容器來(lái)說(shuō)，它們的感抗和容抗都不是固定不變的，而是隨電源頻率的變化而變化.答案：不正確資料袋空心杯直流電動(dòng)機(jī)1820年的一天，丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特驚喜地發(fā)現(xiàn)：當(dāng)電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體旁邊的磁針產(chǎn)生了擺動(dòng)，這表明電流周?chē)嬖诖艌?chǎng).奧斯特的發(fā)現(xiàn)揭示了電與磁之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而開(kāi)辟了電磁學(xué)的新紀(jì)元。1831年，英國(guó)物理學(xué)家法拉第通過(guò)實(shí)驗(yàn)又發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象.法拉第的這個(gè)發(fā)現(xiàn)可以說(shuō)是劃時(shí)代的，因?yàn)檫@個(gè)發(fā)現(xiàn)使我們?nèi)祟?lèi)進(jìn)入了應(yīng)用電的時(shí)代.從此生產(chǎn)技術(shù)被推向一個(gè)嶄新水平，人們也從早期原始的動(dòng)力中解放出來(lái)。在機(jī)械、冶金、紡織等工業(yè)領(lǐng)域中，電動(dòng)機(jī)作為生產(chǎn)機(jī)械的動(dòng)力裝置，發(fā)揮著人力勞動(dòng)無(wú)法比擬的巨大作用。在日常生活中，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)著這些電器，使我們的生活更加舒適。電動(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用，為加速擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化控制，提高生產(chǎn)效率起著重要作用?，F(xiàn)在，電動(dòng)機(jī)已滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域之中。我們知道直流電動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括兩部分：轉(zhuǎn)子和定子.這種電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)軸、鐵芯及其繞組、換向器等構(gòu)成.定子由磁性材料和機(jī)座等構(gòu)成.利用帶電導(dǎo)體和磁場(chǎng)間的相互作用把電能變?yōu)闄C(jī)械能.然而由于硅鋼片鐵芯的存在，使得電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量高、能量損耗多，重量體積大。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程序的不斷提高，對(duì)電動(dòng)機(jī)的性能也提出了越來(lái)越高的要求.不僅要求電動(dòng)機(jī)具有更低的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、更寬的調(diào)速范圍，更長(zhǎng)的使用壽命，還要求電動(dòng)機(jī)體積小，重量輕.而這是鐵芯電動(dòng)機(jī)無(wú)法達(dá)到的，因此開(kāi)發(fā)無(wú)鐵芯電動(dòng)機(jī)是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。冶金部自動(dòng)化研究院研制的新型空心杯直流電動(dòng)機(jī)，是一種轉(zhuǎn)子無(wú)鐵芯電樞結(jié)構(gòu)的新型微特電機(jī)，它的轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈是用導(dǎo)線(xiàn)按一定角度均勻排列纏繞成杯子形狀.然后與換向器板連接，構(gòu)成新的獨(dú)特的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子.由于空心杯轉(zhuǎn)子替代了硅鋼片鐵芯轉(zhuǎn)子，因而它的結(jié)構(gòu)更加合理，性能大大超過(guò)了普通鐵芯電動(dòng)機(jī)。空心杯電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子只有4.2 g，比鐵芯電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子輕23 g，所以它的機(jī)械時(shí)間常數(shù)只有5至20毫秒，比鐵芯電動(dòng)機(jī)提高一個(gè)數(shù)量級(jí).這意味著空心杯電動(dòng)機(jī)有極快的響應(yīng)速度.由于鐵芯轉(zhuǎn)動(dòng)和渦流的產(chǎn)生都要消耗能量，而空心杯電動(dòng)機(jī)減少了這部分能耗，所以它的效率比鐵芯電