2017-2018学年高中物理 第二章 交变电流 4-5 电容器、电感器在交流电路中的作用学案 教科版选修3-2.doc

4-5 电容器、电感器在交流电路中的作用目标定位1.通过实验了解电容、电感对交变电流的阻碍，能够分析简单电路中的电容、电感的作用.2.知道感抗、容抗，了解感抗、容抗与哪些因素有关.一、电容器在交流电路中的作用1.电容器对交流电的导通作用(1)实验电路(如图1)：图1(2)实验现象：电路中串有电容器时，接通直流电源，灯泡不亮；接通交流电源，灯泡亮.(3)实验结论：交变电流能够通过电容器，直流不能通过电容器.2.电容器对交流电的阻碍作用图2(1)容抗定义：电容器对交变电流阻碍作用的大小.影响因素：电容器的电容越大，交流的频率越高，容抗越小.(2)应用隔直电容：如图2，直流不能通过电容器C，只能经电阻R形成回路.旁路电容：如图3，C的电容较小，低频信号不能通过，但高频干扰信号可以通过.图3深度思考(1)交变电流为什么能“通过”电容器？(2)电容器为什么会对交变电流有阻碍作用？答案(1)把交流电源接到电容器两个极板，电容器交替进行充电和放电，于是电路中就有了电流，好像是交变电流“通过”了电容器，但实际自由电荷并没有通过电容器两极板间的绝缘介质.(2)对于在导线中形成电流的自由电子来说，当电源的电动势推动它们向某一方向做定向运动时，电容器两极板上积聚的电荷就阻碍它们向这个方向运动，这就产生了电容器对交变电流的阻碍作用.例1如图4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4A.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QCU可知，选项A错误.答案C交变电流不同于直流，交变电流能“通过”电容器，所以灯泡会亮.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2如图5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5A.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得到的是高频成分解析当交变电流加在电容器上时，有“通交流，隔直流，通高频、阻低频”的特性，甲图中电容器隔直流，R得到的是交流成分，A正确，B错误；乙图中电容器能通过交流高频成分，阻碍交流低频成分，R得到的是低频成分，C正确，D错误.答案AC电容器对交流电的阻碍作用概括为“通交流、隔直流；通高频，阻低频”.二、电感器在交流电路中的作用1.实验探究：(如图6所示)图6该实验中直流电源的电压与交流电电压的有效值相等.(1)实验现象：接通直流电源时，灯泡亮些；接通交流电源时，灯泡暗些.(填“亮些”或“暗些”)(2)实验结论：电感线圈对交变电流有阻碍作用.2.感抗：(1)定义：电感器对交变电流阻碍作用的大小.(2)影响因素：线圈的自感系数越大，交流的频率越高，感抗越大.(3)感抗的应用类型区别低频扼流圈高频扼流圈自感系数较大较小感抗大小较大较小作用通直流、阻交流通直流、通低频、阻高频深度思考电感器为什么对交变电流有阻碍作用？答案电感器的阻碍作用是由交变电流通过线圈时的自感电动势引起的，自感系数越大，交变电流的频率越高，自感电动势越大，对电流的阻碍作用越大.例3在如图7所示的电路中，L为电感线圈，D为灯泡，电流表的内阻为0，电压表的内阻无限大，交流电源的电压为u220sin (100t) V.若保持电压的有效值不变，只将电源的频率改为100Hz，下列说法中正确的是()图7A.电流表的示数增大B.电压表的示数增大C.灯泡变暗D.灯泡变亮解析由u220sin (100t) V，可得电源原来的频率为fHz50Hz，当电源的频率由原来的50Hz增大为100Hz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D的电阻是一定的，电流减小时，灯泡D实际消耗的电功率PI2R减小，灯泡D变暗，选项C正确，选项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D两端的电压为UD，则电源电压的有效值为UULUD，因UDIR，故电流I减小时，UD减小，因电源电压的有效值保持不变，故ULUUD增大，选项B正确.答案BC线圈对交变电流感抗的大小不仅与线圈自身(自感系数)有关，还与交变电流的频率有关.交流电的频率越大，感抗越大.三、电阻、感抗、容抗的作用及区别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XL2fL.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8所示，当交流电源电压恒为220V，频率为50Hz时，三只灯泡A、B、D的亮度相同，若将交流电的频率改为100Hz，则()图8A.A灯最暗B.B灯最暗C.D灯最暗D.三只灯泡的亮度依然相同解析当交变电流的频率增大时，线圈的感抗变大，电容器的容抗变小，所以A灯变暗，B灯变亮，D灯亮度不变，故A正确.答案A电感器、电容器对交变电流的阻碍作用与交变电流的频率有关，而电阻对交变电流的阻碍作用和交变电流的频率无关.1(容抗及其应用)在如图9所示电路中，交变电源是有效值为220 V的电源，C是电容器，R是电阻，关于交流电压表的示数，下列说法中正确的是()图9A等于220 V B大于220 VC小于220 V D等于零答案C解析虽然交变电流能通过电容器，但对交流有阻碍作用，电容器的容抗与电阻串联，根据串联分压原理可知电阻两端电压应小于电源电压，而电压表测的是电阻两端的电压，故选项C正确2.(感抗及其应用)(多选)如图10所示的实验电路中，若交流电压的有效值与直流电压相等，S为双刀双掷开关，下列叙述中正确的是()图10A.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来时灯变亮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解析线圈对恒定电流无感抗，对交变电流有感抗，并且有铁芯时感抗变大.故选项A、C正确.3.(感抗、容抗的区别)在收音机线路中，经天线接收下来的电信号既有高频成分又有低频成分，经放大后送给下一级，需要把低频成分和高频成分分开，只让低频成分输入给下一级，我们采用了如图11所示的装置电路，其中代号a、b应选择的元件是()图11A.a是电容较大的电容器，b是低频扼流圈B.a是电容较大的电容器，b是高频扼流圈C.a是电容较小的电容器，b是低频扼流圈D.a是电容较小的电容器，b是高频扼流圈答案D解析a应该将高频成分旁路掉，所以应该用电容较小的电容器；b应该让低频成分通过，所以应该用高频扼流圈.故选项D正确.4.(电阻、感抗、容抗的区别)如图12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12A.I1I2I3B.I1I2I3C.I2I1I3D.I3I1I2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.题组一容抗及其应用1.(多选)对电容器能通交变电流的原因，下列说法正确的是()A.当电容器接到交流电源上时，因为有自由电荷通过电容器，电路中才有交变电流B.当电容器接到交流电源上时，电容器交替进行充电和放电，电路中才有交变电流C.在有电容器的交流电路中，没有电荷定向移动D.在有电容器的交流电路中，没有电荷通过电容器答案BD解析电容器实质上是通过反复充、放电来实现通电的，并无电荷通过电容器.2.如图1所示，白炽灯和电容器串联后接在交流电源的两端，当交流电的频率增加时()图1A.电容器电容增加B.电容器电容减小C.灯变暗D.灯变亮答案D解析由C可知，C与f无关，故C不变，A、B错误.交变电流的频率增加，容抗变小，电流变大，故D正确.3(多选)如图2所示为某电器中电路的一部分，当输入有直流成分、交流低频成分和交流高频成分的电流后，在其输出端得到可调大小的交流低频成分，那么有关各元器件作用的说法，正确的是()图2AC1为高频旁路电容器，交流高频成分被该电容器大量分流BR为滑动变阻器，它的滑片上下移动可以改变输出端电压的大小CC2为隔直电容器，交流低频成分通过该电容器输出DC1的电容较大，C2的电容较小答案ABC解析据题意，欲得到交流低频，则高频交流应通过C1滤掉，直流自然不能通过C2到达输出端，因此C1的作用是高频旁路，其电容应较小；R是起调节输出电压的作用；C2的作用是隔直流，通低频交流，因此其电容较大题组二感抗及其应用4.如图3所示的电路中，正弦交流电源电压的有效值为220V，则关于交流电压表的示数，以下说法中正确的是()图3A.等于220VB.大于220VC.小于220VD.等于零答案C解析电感线圈对交变电流产生感抗，具有“通直流、阻交流，通低频、阻高频”的作用，故C正确.5.一个灯泡通过一个线圈与一交流电源相连接，如图4所示.将一铁块插进线圈之后，该灯将()图4A.变亮B.变暗C.没有影响D.无法判断答案B解析插入铁块改变了电感的自感系数，自感系数增大，感抗增大，降落的电压增大，灯泡上的电压减小，所以灯变暗.6如图5所示，两个同学利用图示装置做实验，第一位同学使ab在导轨上匀速运动，第二位同学使ab在导轨上做变速运动，但两位同学对ab杆做的功一样多第一位同学的方法小灯泡消耗的电能为W1，第二位同学的方法小灯泡消耗的电能为W2，它们相比较()图5AW1W2 BW1W2CW1W2 D不能比较答案B解析ab棒匀速运动时，产生的感应电动势是恒定的，感应电流也是恒定的，因此在线圈上不会产生感抗，所以通过小灯泡的电流大，消耗的电能多；当ab变速运动时，产生的感应电动势是变化的，感应电流也是变化的，在线圈上产生感抗，使通过小灯泡的电流减小，因此消耗的电能少，故选项B正确题组三电阻、感抗和容抗的区别7电源的电压与交流电压的有效值相同，自感线圈的直流电阻不计，则灯泡发光最亮的图是下图中的()答案D解析电容C、电感L都对交变电流有阻碍作用，故A、B两图中灯不是最亮的；C图中灯被短路，灯泡不亮；D图中电容C有隔直流作用，所以D中灯泡最亮8.(多选)如图6所示的电路中，A、B、C三灯亮度相同，电源为220V、50Hz的交流电源，以下叙述中正确的是()图6A.改接220V、100Hz的交流电源时，A灯变亮，B灯变暗，C灯亮度不变B.改接220V、100Hz的交流电源时，A灯变暗，B灯变亮，C灯变亮C.改接220V的直流电源时，A灯熄灭，B灯变亮，C灯亮度不变D.改接220V的直流电源时，A灯熄灭，B灯变亮，C灯变暗答案AC解析增加交流电源的频率时，感抗增大，容抗减小，电阻的阻值不变.故A灯变亮，B灯变暗，C灯不变，故A正确，B错误；改为直流电源时，电容断路，A灯熄灭，电感L无感抗，B灯更亮，电阻R阻值不变，C灯亮度不变.9.如图7所示，甲、乙是规格相同的灯泡，接线柱a、b接电压为U的直流电源时，无论电源的正极与哪一个接线柱相连，甲灯均能正常发光，乙灯完全不亮.当a、b接电压的有效值为U的交流电源时，甲灯发出微弱的光，乙灯能正常发光，则下列判断正确的是()图7A.与甲灯串联的元件x是电容器，与乙灯串联的元件y是电感线圈B.与甲灯串联的元件x是电感线圈，与乙灯串联的元件y是电容器C.与甲灯串联的元件x是二极管，与乙灯串联的元件y是电容器D.与甲灯串联的元件x是电感线圈，与乙灯串联的元件y是二极管答案B解析由a、b接直流时的现象可知，元件x“通直流”，元件y“隔直流”，由a、b接交流电源时的现象可知，元件x“阻交流”，元件y“通交流”，根据电容器和电感线圈的特点可判断，元件x是电感线圈，元件y是电容器，选项B正确.10.(多选)某一电学黑箱内可能有电容器、电感线圈、定值电阻等元件，在接线柱间以如图8所示的“Z”字形连接(两接线柱间只有一个元件).为了确定各元件种类，小华同学把DIS计算机辅助实验系统中的电流传感器(相当于电流表)与一直流电源、滑动变阻器、开关串联后，分别将AB、BC、CD接入电路，闭合开关，计算机显示的电流随时间变化的图像分别如图a、b、c所示，则以下判断中正确的是()图8A.AB间是电容器B.BC间是电感线圈C.CD间是电容器D.CD间是定值电阻答案ABD解析根据a图可知，有瞬时充电电流，稳定后电路中无电流，说明AB间是电容器，充电完毕，电路为开路，故A正确.根据b图可知，BC间的元件阻碍电流的增大，但是稳定后电流恒定，符合电感线圈的特点，所以BC间是电感线圈，故B正确.根据c图，接通电路后，电流马上达到稳定值，说明CD间是定值电阻，故C错误，D正确，故选A、B、D.11.如图9所示是一种电风扇减速器电路.通过改变开关S跟05间的6个触点的接触，实现对电风扇电动机M的转速控制.请说明它的调速原理.图9答案见解析解析当开关S接到触点0时，电路断开，风扇不转；当S接到触点1时，电路不经过线圈，电动机转速最大；当S分别接到触点2、3、4、5时，连入电路的线圈匝数逐渐增加，感抗逐渐增大，电动机转速逐渐减小.