2020版高中物理 第五章 交变电流

2020版高中物理 第五章 交变电流

‎3　电感和电容对交变电流的影响 ‎[学习目标] 1.通过演示实验，了解电感器和电容器对交变电流的阻碍和导通作用.2.知道感抗和容抗的物理意义以及与哪些因素有关.3.能够分析简单电路中的电容器、电感器的作用．‎ 一、电感器对交变电流的阻碍作用 ‎1．电感器的感抗是由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．是表征电感器对交变电流的阻碍作用的大小的物理量．‎ ‎2．线圈的自感系数越大，交流电的频率越高，电感线圈对交变电流的阻碍作用越大．‎ ‎3．电感线圈在电路中的作用：通直流，阻交流；通低频，阻高频．‎ 二、电容器对交变电流的阻碍作用 ‎1．电容器接到交流电源两端时，交替地进行充电和放电，电路中就有了电流，表现为交流“通过”了电容器．‎ ‎2．电容器在电路中的作用：通交流，隔直流；通高频，阻低频．‎ ‎3．电容器的电容越大，交流电的频率越高，电容器对交变电流的阻碍作用越小．‎ ‎[即学即用]‎ ‎1．判断下列说法的正误．‎ ‎(1)线圈的匝数越多，对同一个交变电流的阻碍作用就越大．(　√　)‎ ‎(2)线圈对交变电流的阻碍作用随着交变电流的频率的变大而减小．(　×　)‎ 8‎ ‎(3)电流通过电容器，并不是电荷穿过电容器两极板间的绝缘层到达另一极板，而是电容器不断地充放电的表现．(　√　)‎ ‎(4)电容器的电容越大，对同一交变电流的阻碍作用就越大．(　×　)‎ ‎2．在频率为f的交变电流电路中，如图1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，维持其他条件不变，则通过R的电流有效值_____，通过C的电流有效值______，通过L的电流有效值_____．(选填“不变”“变大”或“变小”)‎ 图1‎ 答案　不变　变大　变小 一、电感器对交变电流的阻碍作用 ‎[导学探究]　如图2所示，把带铁芯的线圈L与小灯泡串联起来，先把它们接到直流电源上，再把它们接到有效值等于直流电源电压的交流电源上．‎ 图2‎ ‎(1)两种情况下灯泡的亮度有什么不同？说明了什么？‎ ‎(2)乙图中换用自感系数更大的线圈或调换频率更高的交流电源，灯泡的亮度有何变化？说明了什么？‎ 答案　(1)甲图中灯泡比乙图中灯泡更亮，说明电感器对交变电流有阻碍作用．‎ ‎(2)不论是换用自感系数更大的线圈还是调换频率更高的交流电源，灯泡均变得更暗，说明线圈的自感系数越大，交流电的频率越高，线圈对交流电的阻碍作用越大．‎ ‎[知识深化]‎ 交变电流通过电感器时，由于电流时刻在变化，在线圈中就会产生自感电动势，而自感电动势总是阻碍原电流的变化，故电感器对交变电流产生阻碍作用．‎ 例1　(多选)如图3所示实验电路中，若直流电压和交变电压的有效值相等，S为双刀双掷开关，下面叙述正确的是(　　)‎ 8‎ 图3‎ A．当S掷向a、b时灯较亮，掷向c、d时灯较暗 B．当S掷向a、b时灯较暗，掷向c、d时灯较亮 C．S掷向c、d，把电感线圈中的铁芯抽出时灯变亮 D．S掷向c、d，电源电压不变，而使频率减小时，灯变暗 答案　AC 解析　线圈对直流无感抗，对交变电流有感抗，当交流电频率减小时，感抗变小，灯变亮；有铁芯时感抗更大，故铁芯抽出时灯变亮．‎ 二、电容器对交变电流的阻碍作用 ‎[导学探究]　如图4甲、乙所示，把灯泡和电容器串联起来，先把它们接到直流电源上，再把它们接到交流电源上．‎ 图4‎ ‎(1)观察灯泡的发光情况，并分析原因．‎ ‎(2)若把图乙中的电容器去掉，变成图丙所示电路，会发生什么现象？说明了什么？‎ ‎(3)在图乙中，改变电容器的电容和电源频率，灯泡亮度会有什么变化？说明了什么？‎ 答案　(1)甲图中的灯泡不亮，乙图中的灯泡亮．甲图中的电源是直流电源，电容器在电路中是断路，电路中没有电流，灯泡不亮．乙图中的电源是交流电源，把交流电源接到电容器两个极板上后，电容器交替进行充电和放电，电路中就有了电流，好像是交流“通过”了电容器，灯泡就亮了，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．‎ ‎(2)灯泡变得比乙中亮，说明电容器对交变电流有阻碍作用．‎ ‎(3)电容越大，灯泡越亮；频率越高，灯泡越亮．电容器的电容和交变电流的频率都对电容器对交变电流的阻碍作用有影响．‎ ‎[知识深化]‎ 电容器在充放电的过程中电容器两极板上聚集着等量异种电荷，从而在两极板间存在着电场，此电场的电场力阻碍电荷的定向移动，其表现就是电容器对交流电的阻碍作用．‎ 例2‎ 8‎ ‎　如图5所示，电路由交流电源供电，最大电压保持不变，如果交变电流的频率升高，则下列说法中正确的是(　　)‎ 图5‎ A．电容器上的电荷量最大值增大 B．电容器的容抗增大 C．电路中灯泡的亮度变亮 D．电路中灯泡的亮度变暗 答案　C 解析　当交变电流的频率升高时，电容器的容抗减小，灯泡的亮度变亮，灯泡两端的电压变大，故选项C正确，选项B、D错误；由Q＝CU可知，选项A错误．‎ 交变电流不同于直流，交变电流能“通过”电容器.交变电流的频率改变，电容器的容抗改变，电容器两端的电压变化，灯泡两端的电压也随着变化.‎ 例3　(多选)图6甲、乙两图是电子技术中的常用电路，a、b是各部分电路的输入端，其中输入的交流高频成分用“～～～”表示，交流低频成分用“～”表示，直流成分用“－”表示．关于两图中负载电阻R上得到的电流特征是(　　)‎ 图6‎ A．图甲中R得到的是交流成分 B．图甲中R得到的是直流成分 C．图乙中R得到的是低频成分 D．图乙中R得到的是高频成分 答案　AC 解析　当交变电流加在电容器上时，电容器有“通交流、隔直流，通高频、阻低频”的特性，题图甲中电容器隔直流，R得到的是交流成分，A正确，B错误；题图乙中交流高频成分能通过电容器，电容器阻碍交流低频成分，R得到的是低频成分，C正确，D错误．‎ 三、电阻、感抗、容抗的对比 ‎1．容抗的大小除了与电容自身的性质有关外，还与交变电流的频率有关．若用XC 8‎ 表示容抗，则XC＝.‎ ‎2．感抗的大小除了与电感线圈自身的性质有关外，还与交变电流的频率有关．若用XL表示感抗，则XL＝2πfL.‎ ‎3．电阻无论对直流还是交流，阻碍作用相同，只取决于电阻本身．‎ 例4　如图7所示，电路中完全相同的三只灯泡L1、L2、L3分别与电阻R、线圈L、电容器C串联，然后再并联到220 V、50 Hz的交流电源上，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(　　)‎ 图7‎ A．三灯亮度不变 B．三灯均变亮 C．L1不变、L2变亮、L3变暗 D．L1不变、L2变暗、L3变亮 答案　D 解析　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L3变亮，L2变暗．又因为电阻在直流和交流电路中起相同的作用，故L1亮度不变，所以选D.‎ ‎1．电阻对交流、直流有相同的阻碍作用，交流频率变化时，阻碍作用不变．‎ ‎2．电感器通直流、阻交流，通低频、阻高频．‎ ‎3．电容器通交流、隔直流，通高频、阻低频．‎ ‎4．在分析电流变化时，把感抗、容抗类比于导体的电阻，再用欧姆定律分析.‎ ‎1．(感抗的理解)(多选)在如图8所示的电路中，L为电感线圈，灯泡的电阻值为R，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，下列说法正确的是(　　)‎ 8‎ 图8‎ 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 答案　BC 解析　由u＝220sin (100πt) V，可得电源原来的频率f＝＝ Hz＝50 Hz，当电源频率由原来的50 Hz增为100 Hz时，线圈的感抗增大，在电压不变的情况下，电路中的电流减小，选项A错误；灯泡的电阻值R是一定的，电流减小时，实际消耗的电功率(P＝I2R)减小，灯泡变暗，选项C正确，D错误；电压表与电感线圈并联，其示数为线圈两端的电压UL，设灯泡两端电压为UR，则电源电压的有效值为U＝UL＋UR，因UR＝IR，故电流I减小时，UR减小，因电源电压的有效值保持不变，故UL＝U－UR增大，选项B正确．‎ 8‎ ‎2．(容抗的理解)如图9所示的电路，F为一交流发电机，C为平行板电容器，为使电流表A的示数增大，可行的办法是 (　　)‎ 图9‎ A．使发电机F的转速增大 B．使发电机F的转速减小 C．在平行板电容器间换用相对介电常数较小的电介质 D．使电容器两极板间的距离增大 答案　A 解析　当发电机转速增大时，交变电流的频率增大，电容器容抗减小，电流表A的示数增大，A项正确，B项错误；在平行板电容器间换用相对介电常数较小的电介质时，电容器的电容减小，电容器两极板间距离增大时电容也减小，当电容减小时，容抗增大，对交变电流的阻碍作用增大，电流表A的示数减小，C、D项错误．‎ ‎3．(电阻、感抗、容抗的对比)如图10所示，把电阻R、电感线圈L、电容器C并联到一交流电源上，三个电流表的示数相同．若保持电源电压大小不变，而将频率降低，则三个电流表的示数I1、I2、I3的关系是(　　)‎ 图10‎ A．I1＝I2＝I3 B．I1>I2>I3‎ C．I2>I1>I3 D．I3>I1>I2‎ 答案　C 解析　在交流电路中，当频率减小时，电阻对交流的阻碍作用不变，电感线圈对交流的阻碍作用(感抗)减小，电容器对交流的阻碍作用(容抗)增大．电流与电压、电阻(感抗、容抗)的关系符合欧姆定律．所以R支路电流I1不变，L支路电流I2增大，C支路电流I3减小，选项C正确．‎ ‎4．(电阻、感抗、容抗的对比)(多选)如图11所示的电路中，a、b两端连接的交流电源中既含高频交流，又含低频交流，L是一个25 mH的高频扼流圈，C是一个100 pF的电容器，R是负载电阻，下列说法正确的是(　　)‎ 8‎ 图11‎ A．L的作用是“通低频，阻高频”‎ B．C的作用是“通低频，隔高频”‎ 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远大于高频交流所占的百分比 答案　ACD 解析　因为电感器L是一个高频扼流圈，“通低频，阻高频”，A选项正确；C是一个电容较小的电容器，所以对低频的交流容抗就较大，故选项C正确，B错误；根据分析可知通过电阻R的电流中，低频交流所占百分比远远大于高频交流所占的百分比，选项D正确．‎ 8‎