高中物理 第2章 交變電流與發(fā)電機 2_3探究電阻、電感和電容的作用教師用書 滬科版選修3-2

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2.3　探究電阻、電感和電容的作用 學(xué) 習(xí) 目 標 知 識 脈 絡(luò) 1.了解電阻器對交變電流的阻礙作用. 2.知道電感對交變電流的阻礙作用，知道感抗與哪些因素有關(guān).(重點) 3.掌握電容對交變電流的阻礙作用，知道容抗與哪些因素有關(guān).(重點) 4.掌握交變電流能“通過”電容器，理解阻抗感抗和容抗的實質(zhì).(難點) 電 阻 器、 電 感 器 對 交 變 電 流 的 作 用 1.電阻對交流電的影響 電阻器對直流和交變電流的影響是相同的. 2.電感對交流電的影響 電感既能讓直流電通過又能讓交變電流通過，但對交變電流有阻礙作用. (1)線圈的自感系數(shù)越大，電感對交變電流的阻礙作用也越大. (2)交變電流的頻率越高，電感對交變電流的阻礙作用也越大. 3.感抗 (1)定義：電感器對交變電流所起的阻礙作用的大小，叫感抗. (2)公式：XL＝2πfL，單位：歐姆，國際代號：Ω. (3)規(guī)律：遵循歐姆定律，表達形式：I＝. 1.電阻器對直流和交流都有阻礙作用，但對交流電阻礙作用更大.() 2.電感器對交流電阻礙作用與頻率有關(guān)，頻率越高，阻礙作用越大.(√) 3.電感器對恒定電流沒有阻礙作用.() 1.電感器對交變電流的阻礙，與交變電流的頻率有關(guān)嗎？ 【提示】　有關(guān).交變電流的頻率越高，電感器的阻礙作用就越大. 2.電感對交變電流有阻礙作用，怎樣理解頻率越高，感抗越大？ 【提示】　當(dāng)交變電流通過線圈時，線圈中就要產(chǎn)生自感電動勢，而自感電動勢總是阻礙電流的變化，這種阻礙作用與交變電流的頻率有關(guān)，頻率越高，電流變化越快，磁通量變化率越大，自感電動勢越大，阻礙作用越大. 如圖231所示，把線圈L與白熾燈串聯(lián)起來，先把它們接到直流電源上，再把它們接到交流電源上.取直流電源的電壓與交流電壓的有效值相等. 圖231 探討1：把開關(guān)接1、開關(guān)接2，待穩(wěn)定時兩白熾燈的亮度相同嗎？若不同，哪種情況亮些？ 【提示】　不同，開關(guān)接1時亮些. 探討2：在開關(guān)接2的情況下，向線圈L中插入鐵芯，將會觀察到什么現(xiàn)象？ 【提示】　白熾燈變暗. 1.電感器對交變電流的阻礙作用是怎樣形成的：交變電流通過電感器時，由于電流時刻都在變化.因此在線圈中就會產(chǎn)生自感電動勢.而自感電動勢總是阻礙原電流的變化.故電感器對交變電流會起阻礙作用. 2.電感器對交變電流的阻礙作用的大?。鹤愿须妱觿莸拇笮∨c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)生的自感電動勢就越大，對交變電流的阻礙作用就越大.描述電感對交變電流的阻礙作用大小的物理量叫作感抗，用XL表示，且XL＝2πfL.感抗的大小由線圈的自感系數(shù)L和交變電流的頻率f共同決定. 3.電感線圈在電路中的應(yīng)用： (1)低頻扼流圈. ①構(gòu)造：閉合鐵心、繞在鐵心上的線圈. ②特點：匝數(shù)多、自感系數(shù)L大、線圈電阻很小.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，故低頻扼流圈的作用是“通直流，阻交流”. (2)高頻扼流圈. ①構(gòu)造：它的線圈有的是繞在圓柱形的鐵氧體芯上或空心. ②特點：匝數(shù)少，自感系數(shù)L小.它只對頻率很高的交流電產(chǎn)生很大的阻礙作用，而對低頻交流電的阻礙作用較小.故高頻扼流圈的作用是“通低頻、阻高頻”. 1.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，接入原電路，通過線圈的電流為I′，則(　　) A.I′＞I　　　 B.I′＜I C.I′＝I D.無法比較 【解析】　長直導(dǎo)線的自感系數(shù)很小，其對交變電流的阻礙作用可以看做是純電阻，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僅有電阻，而且有線圈的阻礙作用(感抗)，阻礙作用增大，電流減小，即I′＜I，故B對. 【答案】　B 2.(多選)如圖232所示電路中，L為電感線圈，R為燈泡，電流表內(nèi)阻為零，電壓表內(nèi)阻無限大，交流電源的電壓u＝220sin 100πt V，若保持電壓的有效值不變，只將電源頻率改為100 Hz，下列說法正確的是(　　) 圖232 A.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】　由u＝220sin 100πt V可得電源原來的頻率為f＝ Hz＝50 Hz.當(dāng)電源頻率由原來的50 Hz增為100 Hz時，線圈的感抗增大；線圈兩端電壓有效值增大，電壓表示數(shù)增大，故選項B正確；在總電壓的有效值不變的情況下，電路中的電流減少，選項A錯.燈泡的電阻R是一定的，電流減小時，實際消耗的電功率減小，燈泡變暗，選項C正確，D錯. 【答案】　BC 3.(多選)如圖233所示實驗電路中，若直流電壓和交變電壓的有效值相等，S為雙刀雙擲開關(guān)，下面哪些敘述正確(　　) 圖233 A.當(dāng)S擲向a、b時燈較亮，擲向c、d時燈較暗 B.當(dāng)S擲向a、b時燈較暗，擲向c、d時燈較亮 C.S擲向c、d，把電感線圈中的鐵芯抽出來時燈變亮 D.S擲向c、d，電源電壓不變，而使頻率減小時，燈變暗 【解析】　線圈對恒定電流無感抗，對交變電流有感抗，當(dāng)交流電頻率減小時，感抗變小，燈變亮，并且是有鐵芯時感抗更大，故鐵芯抽出時燈變亮. 【答案】　AC 對電感器的認識 感抗隨交變電流頻率的增大而增大，自感系數(shù)越大，感抗也越大，而感抗在電路中所起作用與電阻的阻礙作用相同. 電 容 器 對 交 變 電 流 的 作 用 1.電容對交流電的影響 電容器不能讓直流“通過”但能讓交變電流“通過”，但對交變電流有阻礙作用. (1)電容器的電容越大，阻礙作用越小. (2)交流電的頻率越高，阻礙作用越小. 2.容抗 (1)定義：電容器對交變電流所起阻礙作用的大小，叫容抗. (2)公式：XC＝，單位：歐姆，國際代號：Ω. (3)規(guī)律：遵循歐姆定律，表達形式：I＝. 1.電容器兩極板間是絕緣的，因而任何情況下電容支路上都沒有電流通過.() 2.電阻、電感、電容對交流電的阻礙本質(zhì)是不同的.(√) 3.電容器交替進行充放電，電路中就有電流“通過”了電容器.(√) 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.交變電流是真的通過了電容器嗎？ 【提示】　不是.交變電流反復(fù)給電容器充電、放電，在電容器的充、放電過程中，形成了充電電流和放電電流，可以對外做功，如使燈泡發(fā)光，好象是交變電流“通過”了電容器.實質(zhì)上沒有通過. 如圖234所示，白熾燈L與電容器C串聯(lián)后接在A、B兩點，A、B兩點再連接在電壓為U的直流或交流電源上. 圖234 探討1：在A、B兩點連在直流電源和交流電源上，白熾燈L的發(fā)光情況如何？ 【提示】　在A、B兩點連在直流電源上時，白熾燈L不發(fā)光，連在交流電源上時，白熾燈L發(fā)光. 探討2：增大交變電流的頻率，白熾燈的亮度如何變化？ 【提示】　白熾燈L變亮. 1.交變電流能“通過”電容器的實質(zhì) 電容器的兩極板之間是相互絕緣的，不論是恒定電流還是交變電流，自由電荷都不能通過兩極板之間的絕緣介質(zhì).通常所說的交變電流“通過”電容器，并不是自由電荷穿過了電容器，而是在交流電源作用下，當(dāng)電壓升高時電容器充電，電容器極板上的電荷量增加，形成充電電流，如圖235甲；當(dāng)電壓降低時電容器放電，電容器極板上的電荷量減少，形成放電電流，如圖235乙.由于電容器反復(fù)不斷地充電和放電，使電路中有持續(xù)的交變電流. 甲：充電　　　　　　　　乙：放電 圖235 2.電容器對交變電流產(chǎn)生阻礙作用的實質(zhì) (1)在電容器充電與放電過程中，電容器兩極間形成跟原電壓相反的電壓，這就對電流產(chǎn)生了阻礙作用，即容抗XC. (2)電容越大，在同樣電壓下電容器聚集的電荷就越多，因此容抗就越小；交變電流的頻率越高，充電和放電就進行得越快，因此容抗就越小.電容器的容抗XC跟它的電容C和交變電流頻率f間關(guān)系：XC＝. 3.電阻、感抗、容抗的區(qū)別 電阻 感抗 容抗 產(chǎn)生的原因 定向移動的自由電荷與不動的離子間的碰撞 電感器的自感現(xiàn)象阻礙電流的變化 電容器兩極板上積累的電荷對向這個方向定向移動的電荷的反抗作用 在電路中特點 對直流、交流均有阻礙作用 通直流、阻交流、通低頻、阻高頻 通交流、隔直流、通高頻、阻低頻 決定因素 由導(dǎo)體本身(長短、粗細、材料)決定，與溫度有關(guān) 由電感器本身的自感系數(shù)和交流電的頻率決定 由電容的大小和交流電的頻率決定 電能的轉(zhuǎn)化與做功 電流通過電阻做功，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 電能和磁場能往復(fù)轉(zhuǎn)化 電流的能與電場的能往復(fù)轉(zhuǎn)化 4.兩個相同的燈泡L1和L2，分別與兩個相同的電容器C1和C2連接，如圖236所示.圖中甲電路兩端加恒定電壓U1，乙電路兩端加最大值為1.2U1的正弦交變電壓U2，則此兩燈的發(fā)光情況是(　　) 甲　　　　　　　　　　乙 圖236 A.L1燈比L2燈亮 B.L1燈發(fā)光，L2燈不發(fā)光 C.L1燈不發(fā)光，L2燈發(fā)光 D.兩燈亮度相同 【解析】　電容器通交流、隔直流，所以L1燈不發(fā)光. 【答案】　C 5.(多選)如圖237所示，當(dāng)交流電源的電壓(有效值)U＝220 V，頻率f＝50 Hz時，3只燈L1、L2、L3的亮度相同(L無直流電阻)，若將交流電源的頻率變?yōu)閒＝100 Hz，則(　　) 圖237 A.L1燈比原來亮 B.L2燈比原來亮 C.L3燈和原來一樣亮 D.L3燈比原來亮 【解析】　電容的容抗與交流電的頻率有關(guān)，頻率越高，容抗越小，即對高頻交流電的阻礙作用小，所以A項對；電感線圈對交流電的阻礙作用隨頻率升高而增加，所以B項錯；電阻R中電流只與交流電有效值及R值有關(guān)，所以C項正確，D項錯誤. 【答案】　AC 6.如圖238所示的電路，F(xiàn)為一交流發(fā)電機，C為平行板電容器，為使電流表A的示數(shù)增加，可行的辦法是(　　) 圖238 A.使發(fā)電機F的轉(zhuǎn)速增加 B.使發(fā)電機F的轉(zhuǎn)速減小 C.在平行板電容器間換用介電常數(shù)較小的電介質(zhì) D.使電容器兩極板間距離增大 【解析】　當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速增加時，交變電流的頻率增大，容抗減小，電流表A的讀數(shù)增大，A項正確，B項錯誤；在平行板電容器間換用介電常數(shù)較小的電介質(zhì)時，電容器的電容減小，使電容器兩極板間距離增大時電容也減小，當(dāng)電容減小時，容抗增大，對交變電流的阻礙作用增大，電流表A示數(shù)減小，C，D錯誤，故正確答案為A. 【答案】　A 電容器的充放電 (1)當(dāng)電容器與直流電源的兩極相連接時，接通的瞬間因電容器充電產(chǎn)生瞬時電流.充電完畢后，電容器兩極板間電壓與電源兩極間電壓相等，電路中沒有電流. (2)當(dāng)電容器與交流電源相連時，由于交流電壓不斷變化，所以電容器不斷充電、放電，形成充、放電電流. 學(xué)業(yè)分層測評(九)　 (建議用時：45分鐘) [學(xué)業(yè)達標] 1.關(guān)于電感對交變電流的影響，以下說法中正確的是(　　) A.電感對交變電流沒有影響 B.電感對交變電流阻礙作用越大，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】　電感對交變電流有阻礙作用，阻礙作用的大小可以用感抗表示，感抗與電感線圈的自感系數(shù)、交變電流的頻率成正比，故A選項錯誤、D選項正確；電感對交變電流阻礙作用越大，感抗就越大，故B選項錯誤；電感具有“通直流，阻交流，通低頻、阻高頻”的性質(zhì)，故C選項錯誤. 【答案】　D 2.一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239所示.一塊鐵插進線圈之后，該燈將(　　) 圖239 A.變亮　　 B.變暗 C.沒有影響 D.無法判斷 【解析】　在線圈內(nèi)由于磁場變化而產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，總是反抗電流變化.正是這種反抗變化的特性(電惰性)，使線圈產(chǎn)生了感抗.加入鐵芯改變了電感線圈的自感系數(shù)，自感系數(shù)增大，感抗增大，降落的電壓增大，燈泡上的電壓減小，所以燈變暗，故選項B正確. 【答案】　B 3.(多選)對交變電流能夠通過電容器的正確理解是(　　) A.在有電容器的交流電路中，沒有電荷定向移動 B.在有電容器的交流電路中，有電荷定向移動 C.當(dāng)電容器接到交變電源上時，電容器交替進行充、放電，電路中才有交變電流 D.當(dāng)電容器接到交變電源上時，因為有自由電荷通過電容器，電路中才有交變電流 【解析】　電容器能夠通過交變電流，是通過電容器交替充、放電而進行的，既然電容器交替充、放電，電路中就有了電荷的定向移動，故B對，A錯；實際上自由電荷并沒有通過電容器兩極板間的絕緣介質(zhì)，故C對，D錯. 【答案】　BC 4.(多選)如圖2310，將燈泡與電容器串聯(lián)接入通有交變電流的電路中，燈泡發(fā)光，則(　　) 圖2310 A.自由電荷通過了電容器兩極間的絕緣介質(zhì) B.自由電荷沒有通過電容器兩極間的絕緣介質(zhì) C.接入交變電源使電容器兩極間的絕緣介質(zhì)變成了導(dǎo)體 D.電容器交替進行充放電，電路中就有電流，表現(xiàn)為交變電流“通過”了電容器 【解析】　電容器接入通有交變電流的電路時，由于電壓的變化，電容器交替進行充放電，表現(xiàn)為交變電流“通過”了電容器，實際上，自由電荷并沒有通過電容器兩極間的絕緣介質(zhì)，所以B，D正確. 【答案】　BD 5.兩只相同的白熾燈L1、L2接到如圖2311所示的電路中，燈L1與電容器串聯(lián)，燈L2與電感器串聯(lián)，當(dāng)a、b處接電壓最大值為Um、頻率為f的正弦交流電源時，兩燈都發(fā)光，且亮度相同.更換一個新的正弦交流電源后燈L1的亮度大于燈L2的亮度，新電源的電壓最大值和頻率可能是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號：72000075】 圖2311 A.最大值仍為Um，而頻率大于f B.最大值仍為Um，而頻率小于f C.最大值小于Um，而頻率仍為f D.最大值大于Um，而頻率仍為f 【解析】　燈L1的亮度大于燈L2的亮度，這是因為交變電流頻率增大，容抗減小，燈L1變亮，又頻率增大，感抗增大，燈L2變暗. 【答案】　A 6.如圖2312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2312 A.等于220 V B.大于220 V C.小于220 V D.等于零 【解析】　電感線圈對交變電流產(chǎn)生感抗，具有“通直流、阻交流，通低頻、阻高頻”的作用，故選項C正確. 【答案】　C 7.(多選)如圖2313所示，甲、乙兩圖是電子技術(shù)中的常用電路.a、b是各部分電路的輸入端，其中輸入的交流高頻成分用“”表示，交流低頻成分用“～”表示，直流成分用“—”表示.關(guān)于兩圖中負載電阻R上得到的電流特征是(　　) 甲　　 　乙 圖2313 A.圖甲中R得到的是交流成分 B.圖甲中R得到的是直流成分 C.圖乙中R得到的是低頻成分 D.圖乙中R得到的是高頻成分 【解析】　當(dāng)交變電流加在電容器上時，有“通交流、隔直流，通高頻、阻低頻”的特性，題圖甲中電容器隔直流，R得到的是交流成分，A正確、B錯誤；題圖乙中電容器通過交流高頻成分，阻礙交流低頻成分，R得到的是低頻成分，C正確、D錯誤. 【答案】　AC 8.如圖2314所示，甲、乙是規(guī)格相同的燈泡，接線柱a、b接電壓為U的直流電源時，無論電源的正極與哪一個接線柱相連，甲燈均能正常發(fā)光，乙燈完全不亮.當(dāng)a、b接電壓的有效值為U的交流電源時，甲燈發(fā)出微弱的光，乙燈能正常發(fā)光，則下列判斷正確的是(　　) 圖2314 A.與甲燈串聯(lián)的元件x是電容器，與乙燈串聯(lián)的元件y是電感線圈 B.與甲燈串聯(lián)的元件x是電感線圈，與乙燈串聯(lián)的元件y是電容器 C.與甲燈串聯(lián)的元件x是二極管，與乙燈串聯(lián)的元件y是電容器 D.與甲燈串聯(lián)的元件x是電感線圈，與乙燈串聯(lián)的元件y是二極管 【解析】　由a、b接直流電源時的現(xiàn)象可知，元件x“通直流”，元件y“隔直流”，由a、b接交流電源時的現(xiàn)象可知，元件x“阻交流”，元件y“通交流”，根據(jù)電容器和電感線圈的特點可知，元件x是電感線圈，元件y是電容器，選項B正確. 【答案】　B [能力提升] 9.(多選)如圖2315所示，某電子電路的輸入端的輸入電流既有直流成分，又有交流低頻成分和交流高頻成分.若通過該電路只把交流的低頻成分輸送到下一級，那么關(guān)于該電路中各器件的作用，下列說法中正確的有(　　) 圖2315 A.L在此的功能為通直流，阻交流，叫高頻扼流圈 B.C1在此的功能為通交流，隔直流，叫隔直電容 C.C2在此的功能為通高頻、阻低頻，叫做高頻旁路電容 D.上述說法都不對 【解析】　電感線圈L的作用就是通直流阻交流，C1的作用只能讓交流通過，C2的作用就是將高頻部分旁路；故B、C正確. 【答案】　BC 10.(多選)如圖2316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25 mH的高頻扼流圈，C是一個100 pF的電容器，R是負載電阻，下列說法正確的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號：72000076】 圖2316 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R的電流中，低頻交流所占的百分比遠遠大于高頻交流所占的百分比 【解析】　L是一個自感系數(shù)很小的高頻扼流圈，其作用是“通低頻，阻高頻”，A正確；C是一個電容很小的電容器，在題圖示電路中，對高頻交流的容抗遠小于 對低頻交流的容抗，其作用是“通高頻，阻低頻”，C正確；因電路中無直流電流，B錯誤；由于L對高頻交流的阻礙作用和C對高頻交流的旁路作用，使得通過R的電流中，低頻交流所占的百分比遠大于高頻交流的百分比，D正確. 【答案】　ACD 11.如圖2317所示，把電阻、電感器、電容器并聯(lián)接到某一交流電源上，三個電流表的示數(shù)相同，若保持電源電壓不變，而將頻率加大，則三個電流表的示數(shù)I1、I2、I3的大小關(guān)系 . 圖2317 【解析】　在交流電路中，當(dāng)頻率增加時，容抗減小，感抗增大，而電阻是與頻率無關(guān)的，當(dāng)電路中電源電壓不變，頻率增加時，A1讀數(shù)不變，A2讀數(shù)變小，A3讀數(shù)變大，所以I3＞I1＞I2. 【答案】　I3＞I1＞I2 12.如圖2318所示是一個判斷AB之間電源性質(zhì)的儀器.試說明AB之間接交流電源時，什么燈亮？接直流電源時，什么燈亮？ 圖2318 【解析】　由于電容C具有隔直流的特性，故綠燈亮?xí)rAB之間必是交流電源，此時紅燈和黃燈不亮，是由于線圈L具有阻交流的作用.當(dāng)AB之間接入直流電源時，綠燈不亮是顯而易見的，此時是紅燈亮還是黃燈亮，則必須考慮二極管D1和D2的單向?qū)щ娦?AB間接交流電源時，綠燈亮；AB間接直流電源且A端是正極時，紅燈亮；AB間接直流電源且B端是正極時，黃燈亮. 【答案】　見解析