1、3 电感和电容对交变电流的影响电感和电容对交变电流的影响 学科素养与目标要求 物理观念：1.了解电感器和电容器对交变电流的阻碍和导通作用. 2.建立感抗和容抗的概念，知道其物理意义及影响因素. 科学探究：通过观察演示实验的现象归纳出电感器和电容器对交变电流的作用. 科学态度与责任：在利用科学知识解释实验现象的过程中，逐步培养学生大胆提出科学猜想 的精神. 一、电感器对交变电流的阻碍作用 1.在交流电路中，若绕制电感器的导线的电阻忽略不计，电感器对交流有(填“有”或“没 有”)阻碍作用. 2.感抗： (1)定义：电感器对交流的阻碍作用的大小. (2)影响因素：线圈的自感系数和交流电的频率.线圈的
2、自感系数越大，交流电的频率越高，电 感对交变电流的阻碍作用越大，即线圈的感抗就越大. 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.容抗 (1)定义：电容器对交流的阻碍作用的大小. (2)影响因素：电容器的电容和交流电的频率.电容器的电容越大，交流电的频率越高，电容器 对交流的阻碍作用就越小，即电容器的容抗就越小. 3.电容器在电路中的作用：通交流，隔直流；通高频，阻低频. 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
3、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.( ) (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，保持其他条件不变，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 “变大”“变小”或“不变”) 图 1 答案 不变 变大
4、 变小 一、电感器对交变电流的阻碍作用 如图所示，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. (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. 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
5、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 2 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( ) 图 2 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
6、碍作用 如图甲、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. (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)题图甲中的灯泡不亮， 题图乙中的灯泡亮.题图甲中的电源是直流电源， 电容器在电 路中相当于断路，电路中没有电流，灯泡不亮.题图乙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
7、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. 1.电容器对交变电流的阻碍作用： 电源电压推动自由电荷定向移动，而电容器两极板上积累的电荷抗拒自由电荷的定向移动， 从而使电容器对交变电流有阻碍作用. 2.电容器在电路中常见的作用有两种： 隔直电容器：通交流，隔直流. 高频旁路电容器：通高频，阻低频. 例 2 如图 3 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 3 A.电容
8、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 QCU 可知，选项 A 错误. 例 3 (多选)图 4 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 4 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
9、.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器自身的性质有关外，还与交变电流的频率有关.若用 XC表示容抗， 则 XC 1 2fC. 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，
10、只取决于电阻本身. 例 4 (多选)(2017 成都市高二检测)如图 5 所示的电路中，A、B、C 三灯亮度相同，电源为 220 V、50 Hz 的交流电源，以下叙述中正确的是( ) 图 5 A.改接 220 V、100 Hz 的交流电源时，A 灯变亮，B 灯变暗，C 灯亮度不变 B.改接 220 V、100 Hz 的交流电源时，A 灯变暗，B 灯变亮，C 灯变亮 C.改接 220 V 的直流电源时，A 灯熄灭，B 灯变亮，C 灯亮度不变 D.改接 220 V 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，电阻的阻碍作用不变，故
11、A 灯变亮， B 灯变暗，C 灯亮度不变，故 A 正确，B 错误；改接直流电源时，电容器相当于断路，A 灯 熄灭，线圈无感抗，B 灯更亮，电阻 R 阻碍作用不变，C 灯亮度不变，故 C 正确，D 错误. 提示 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. 学科素养 通过例 4 进一步建立了感抗和容抗的概念；知道电阻、电感器、电容器在直流 电路和交流电路中的作用：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.电容器通交流、隔直流，通高频、阻低频.3.电感器通直流、阻交流，通低频、阻 高频. 通过这样的提炼和升华，很好地体现了“物理观念”的学科素养
12、. 1.(感抗的理解)(多选)在如图 6 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 u220 2sin (100t) 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( ) 图 6 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 u220 2sin (100t) V， 可得电源原来的频率 f 2 100 2 Hz50 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
13、泡的电阻值 R 是一定的， 电流减小时， 灯泡实际消耗的电功率(PI2R)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 UULUR，因 URIR，故电流 I 减小时，UR 减小，因电源电压的有效值保持不变，故 ULUUR增大，选项 B 正确. 2.(容抗的理解)如图 7 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 7 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
14、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)(2018 抚顺市六校高二下学期期末)在一小型交流发电机中，矩形 金属线圈 abcd 的面积为 S，匝数为 n，线圈总电阻为 r，外电路如图 8 所示，其中三个灯泡 都可视为阻值相等的定值电阻，如果线圈在磁感应强度大小为
15、 B 的匀强磁场中绕垂直于磁场 的 OO轴匀速转动，角速度为 时灯泡 L1最亮，灯泡 L2、L3一样亮，现将线圈转动的角 速度增大到 2，则下列说法中正确的是( ) 图 8 A.灯泡 L1最亮，灯泡 L3次之，L2最暗 B.灯泡 L1最亮，灯泡 L2次之，L3最暗 C.灯泡 L1最亮，灯泡 L2、L3一样亮 D.灯泡 L3最亮，灯泡 L1次之，L2最暗 答案 A 解析 当线圈转动的角速度变大时，感应电动势的最大值变大，交流电的频率变大，则电感 线圈对交流电的感抗增大，电容器对交流电的容抗减小，灯泡 L1最亮，灯泡 L3次之，L2最 暗，A 正确. 4.(电阻、感抗、容抗的对比)(多选)如图 9
16、 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( ) 图 9 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”，选项 A 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，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
17、所占百分比远远大于高频交流所占的百分比，选项 D 正确. 5.(电容器和电感器的作用)(多选)如图10 所示， 某电子电路的输入端输入电流既有直流成分， 又有交流低频成分和交流高频成分.若通过该电路只把交流的低频成分输送到下一级， 那么关 于该电路中各器件的作用，下列说法中正确的有( ) 图 10 A.L 在此的功能为通直流，阻交流，叫高频扼流圈 B.C1在此的功能为通交流，隔直流，叫隔直电容 C.C2在此的功能为通高频、阻低频，叫高频旁路电容 D.上述说法都正确 答案 BC 解析 L 在此的功能为通直流、阻交流，将低频的交流成分送到下一级，是低频扼流圈，自 感系数很大，故 A 错误；C1在此
18、的功能为通交流，隔直流，使直流不能到达下一级电路，叫 隔直电容，故 B 正确；C2与输出电路并联，功能为通高频，阻低频，使高频成分能通过，低 频成分到达下一级，C2又叫高频旁路电容，故 C 正确；由以上分析可知，D 错误. 6.(电容器和电感器的应用)(多选)(2017 江苏单科)某音响电路的简化电路图如图 11 所示，输 入信号既有高频成分，也有低频成分，则( ) 图 11 A.电感线圈 L1的作用是通高频 B.电容器 C2的作用是通高频 C.扬声器甲用于输出高频成分 D.扬声器乙用于输出高频成分 答案 BD 解析 在电路中电感线圈的作用是“通直流、阻交流，通低频、阻高频”，在电路中电容器 的作用是“通交流、隔直流，通高频、阻低频”，所以 A 错误，B 正确.扬声器甲输出低频成 分，扬声器乙输出高频成分，故 C 错误，D 正确.