高中物理 第5章 交变电流 第3节 电感和电容对交变电流的影响课堂探究素材 新人教版选修3-2（通用）

高中物理 第5章 交变电流 第3节 电感和电容对交变电流的影响课堂探究素材 新人教版选修3-2（通用）

电感和电容对交变电流的影响 ‎ 课堂探究 探究一 电感对交变电流的阻碍作用 ‎·问题导引·‎ 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，然后再将一铁芯插进线圈，灯的亮度会怎样变化？‎ 提示：加入铁芯改变了电感的自感系数，自感系数增大，感抗增大，电流减小，灯的亮度变暗。‎ ‎·名师精讲·‎ ‎1．电感对交变电流的阻碍作用的成因 通过线圈的电流大小和方向变化，都会引起通过线圈的磁通量发生变化，从而产生感应电动势，这种现象就是自感现象。根据楞次定律，自感电动势所引起的感应电流总是要使它产生的磁场阻碍线圈内原有磁场的变化，所以自感电动势对线圈中电流的变化有阻碍作用，这样就形成了对交变电流的阻碍作用，电感对交变电流阻碍作用的大小就称为感抗。‎ ‎2．感抗的两个决定因素 决定感抗大小的因素有两个：一是交变电流的频率，二是自感系数L。L决定于线圈本身的性质，即线圈匝数、横截面积、有无铁芯等因素。‎ ‎3．低频扼流圈和高频扼流圈的结构和特性比较 低频扼流圈 高频扼流圈 结构 有铁芯、匝数多 铁氧体芯或空心，匝数少 自感系数 大(大到几十亨利)‎ 小(最大几毫亨)‎ 感抗 对高频、低频电流阻碍作用都大 只对高频电流起阻碍作用、低频可忽略 特性 通直流、阻交流 通低频、阻高频 ‎【例题1】 (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＝220sin(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：由u＝220sin(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＝UL＋UL′，因UL′减小，而总电压的有效值不变，所以UL增大，因此选项B也正确。‎ 答案：BC 题后反思 电感与电阻对电流阻碍作用的区别：电阻对直流、交流的阻碍作用大小一样，而电感对恒定电流没有阻碍作用，对交流的阻碍作用大小与频率有关。‎ 探究二 正确理解电容对交变电流的阻碍作用 ‎·问题导引·‎ 如图所示，使用220 V交流电源的电气设备，其金属外壳和电源之间绝缘性良好(即外壳不与电源连接)。但是有时候用手触摸外壳时仍会感到“手麻”，这是什么原因？应如何改进电器设备以避免这种情况？‎ 提示：因为与电源连接的机芯和金属外壳可以看成电容器的两个极板，电源中的交变电流能“通过”这个“电容器”产生“漏电”，故用手触摸设备外壳时有触电的感觉。为确保安全，电气设备外壳应接地。‎ ‎·名师精讲·‎ ‎1．交变电流通过电容器的实质 交变电流加到电容器上后，当电源电压升高时，电源给电容器充电，电荷向电容器极板上聚集，在电路中，形成充电电流，如图甲所示；当电源电压降低时，电容器放电，原来极板上聚集的电荷又放出，在电路中形成放电电流，如图乙所示。电容器交替进行充电和放电，电路中就有了电流，好像是交变电流“通过”了电容器，但实际上自由电荷并没有通过电容器两极板间的绝缘介质。‎ 特别提醒 电容器的两极板之间是绝缘的，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体(电介质)。‎ ‎2．电容对交变电流阻碍作用的实质 当交变电流“通过”电容器时，给电容器充电或放电，使电容器两极板形成跟原电压相反的电压，阻碍电流，形成容抗。‎ ‎3．决定容抗的两个因素 交流电的频率和电容器的电容。‎ ‎4．电容器在电路中的作用 ‎(1)“隔直流，通交流”的作用 直流不能通过电容器，因此电容器有“隔直”作用。对于电容较大的电容器，容易进行充放电，因此这种电容器一般用来“隔直流，通交流”，如隔直电容器。‎ ‎(2)“通高频，阻低频”的作用 对频率不同的交流，频率越高，容抗越小，频率越低，容抗越大。电容较小的电容器，对高频交流的容抗小，阻碍小，对低频交流的容抗大，阻碍大。因此，这种电容器一般用来“通高频，阻低频”，如高频旁路电容器。‎ 实际应用电路如图所示，图中“－”为电路中的直流成分，“～”为电路中的交流低频成分，“”为电路中的交流高频成分。‎ ‎【例题2】 (多选)如图所示，白炽灯和电容器串联后接在交流电源的两端，当交流电源的频率增加时(　　)‎ 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：频率增大可知，容抗减小，电流增大，电灯两端电压增大，电压表示数变小，灯泡功率增大而变亮，故A、D项正确。‎ 答案：AD 题后反思 ‎ ‎ 电容器对交变电流的阻碍作用大小(容抗)与电容大小和交变电流频率都有关。电容越大，容抗越小，频率越高，容抗越小。‎ ‎5．电阻、感抗、容抗的区别 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 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 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的频率决定 由电容的大小和交流的频率决定 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 特别提醒 (1)电感器和电容器在交流电路中，电压和电流有效值的分配关系同恒定电流的电路。‎ ‎(2)交变电流电路中的电感器中，电能和磁场能之间相互转化，本身不消耗电能。‎ ‎(3)交变电流电路中的电容器中，电能和电场能之间相互转化，本身不消耗电能。‎ ‎【例题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60 Hz，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 解析：此题考查电容、电感对交变电流的影响，也就是容抗、感抗与交变电流的关系。当交变电流的频率变大时，线圈的感抗变大，电容器的容抗变小，因此c变亮，b变暗。又因为电阻在直流和交流电路中起相同的作用，故a灯亮度不变。所以选D。‎ 答案：D 题后反思 电容、电感对交变电流的阻碍作用大小除了与自身的性质有关，还与交变电流的频率有关；电阻对交流和直流的阻碍相同，只与电阻本身有关。 ‎