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2.3探究电阻、电感和电容的作用 学案(2020年沪科版高中物理选修3-2)

1、2.3 探究电阻探究电阻、电感和电容的作用电感和电容的作用 学科素养与目标要求 物理观念:1.了解电阻器对交变电流的阻碍作用.2.了解电感器和电容器对交变电流的阻碍和 导通作用.3.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阻器、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、电阻器对交变电流的作用 阅读教材相关内容,结合图 1 回答下列问题(A、B 是规格相同的灯泡): 图 1 (1)当开关 S 扳向交流电源时,两只灯泡的亮度是否相同?这说明什么问题? (2)把开

2、关 S 扳向直流电源和交流电源, 比较这两种情况下灯泡 A 的亮度有没有变化, 这又说 明什么问题? 答案 (1)B 比 A 更亮些,这说明电阻器对交流电有阻碍作用. (2)开关 S 扳向直流电源和交流电源, 两种情况下灯泡 A 的亮度相同, 这说明电阻器对交流的 阻碍作用跟对直流的阻碍作用相同. 要点总结 1.电阻器对交变电流和直流电的阻碍作用是相同的. 2.在交流电路中,电阻定律和欧姆定律都成立. 二、电感器对交变电流的作用 如图 2 所示,把带铁心的线圈 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 到交流电源上,取直流电源的电压与交流电压的有效值相等. 图 2 (1)对比两

3、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. 要点总结 1.感抗:电感器对交变电流的阻碍作用的大小. 2.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. 3.电感器对交变电流的阻碍作用的大小用感抗 XL表示,XL2fL.所以感抗的两个决定因

4、素: (1)电感器的电感量(自感系数); (2)交变电流的频率. 4.电感器在电路中的作用 (1)通直流,阻交流;(2)通低频,阻高频. 例 1 (多选)如图 3 所示实验电路中,若直流电压和交流电压的有效值相等,S 为双刀双掷 开关,下面叙述正确的是( ) 图 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,把电感线圈中的铁心抽出时灯变亮 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 线圈对恒定电流无感抗,对交变电流有感抗,当交流电频率减小时,感抗变小,灯变 亮,

5、并且是有铁心时感抗更大,故铁心抽出时灯变亮. 三、电容器对交变电流的作用 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,观察灯泡的发光情况. 图 4 (1)分析电容器能通交流的原因. (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? 答案 (1)把交流电源接到电容器两个极板上后,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;当电源电压降低时,电容器放电,电荷 从极板上流出,在电路中形成放电电流.电容器交替进行充

6、电和放电,电路中就有了电流,好 像是交流“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. (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)电容变大时,灯泡变亮;频率增大时,灯泡变亮. 要点总结 1.容抗:电容器对交变电流的阻碍作用的大小. 2.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时,电容器极板上积累的电荷会阻碍自由电荷向此方向做定 向运动,这就产生了电容器对交变电流的阻碍作用. 3.电容器对交变电流的阻碍作用的大小用容抗 XC表示, XC 1 2fC, 所以决定容抗的两个因素: (1)电容器的电容量;(2)交变电流的频率. 4.电容器

7、能通交变电流,并不是电荷真的穿过了电容器. 5.电容器在电路中的作用: 通交流,隔直流,通高频,阻低频. 例 2 (多选)如图 5 所示,接在交流电源上的灯泡正常发光,以下说法正确的是 ( ) 图 5 A.把电介质插入电容器,灯泡变亮 B.增大电容器两极板间的距离,灯泡变亮 C.减小电容器两极板间的正对面积,灯泡变暗 D.使交变电流频率减小,灯泡变暗 答案 ACD 解析 把电介质插入电容器,电容变大,容抗变小,电容器对交变电流阻碍作用变小,所以 灯泡变亮,故 A 正确;增大电容器两极板间的距离,电容变小,电容器对交变电流阻碍作用 变大,所以灯泡变暗,故 B 错误;减小电容器两极板间的正对面积,

8、电容变小,灯泡变暗, 故 C 正确;使交变电流频率减小,电容器对交变电流阻碍作用变大,灯泡变暗,故 D 正确. 四、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, 还与交变电流的频率有关.频率越高, 容抗越小.(选 填“大”或“小”) 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,频率越高,感 抗越大.(选填“大”或“小”) 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 3 (多选)(2017 成都市高二检测)如图 6 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

9、6 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 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

10、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 3 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. 1.(感抗的理解)(多选)在如图 7 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

11、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 7 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,

12、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 8 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 8 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

13、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 9 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 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 9 A.灯泡 L1最亮,灯泡 L

14、3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 10 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 10

15、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.(对容抗的理解)如图 11 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 11 A.

16、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;电容器两端的电压减小,由QCU 可知,选项 A 错误. 6.(对感抗的理解)(多选)如图 12 所示,图甲、乙中电源为交流电源,图丙中电源为直流电源, 各电路中线圈自感系数相同且直流电阻不计,各电压表示数相同,下列说法正确的是( ) 图 12 A.灯 L1比灯 L2亮 B.灯 L3比灯 L1亮 C.灯 L2与灯 L3一样亮 D.灯 L1与灯 L3一样亮 答案 BC 解析 题图甲中电源电压 UU1UL1,线圈对交流有阻碍作用,相当于串联了一个电阻,根 据电阻的分压作用可知 U10,灯泡两端电压 UL1U;题图乙中线圈与灯泡并联,相当于灯 泡与一个电阻并联,并联电路中各支路的电压相同,灯泡电压 UL2U;题图丙中,线圈对直 流电没有阻碍作用,线圈就像一根没有电阻的导线,灯泡电压 UL3U,故 UL1UL2UL3, 即 L2与 L3一样亮且都比 L1亮,B、C 正确,A、D 错误.