2018年教科版物理选修3-2 第2章 4.电容器在交流电路中的作用 5.电感器在交流电路中的作用

4.电容器在交流电路中的作用

5.电感器在交流电路中的作用

学

习 目 标 知 识 脉 络

1.了解电容器对交变电流的阻碍作用及其原因．(难点)

2．了解电感器对交变电流的阻碍作用及其原因．(难点)

3．知道感抗和容抗以及与哪些因素有关．(重点)

4．了解电容器和电感器通交流电的特性．(重点)

电 容 器

在 交 流 电

路 中 的 作 用

[先填空]

1．电容器对交流电的导通作用

(1)实验电路(如图2-4-1)

图2-4-1

(2)实验现象：电路中串有电容器时，接通直流电源，灯泡不亮；接通交流电源时，灯泡亮．

(3)实验结论：

交变电流能够通过电容器，直流电不能通过电容器．

(4)电容器导通交流电的实质

电容器接入交变电路时，使电容器反复地充电和放电，使电路中形成交变电流．

2．电容器对交流电的阻碍作用

(1)容抗：电容器对交流电的阻碍作用称为容抗．

(2)容抗大小的影响因素

容抗的大小跟电容和交流电的频率有关．电容越小、频率越低，容抗越大，容抗大小的公式是XC＝12πfC.

(3)电容的作用：通交流，隔直流，通高频，阻低频．

3．电容器在电子技术中的应用

(1)隔直电容：利用了电容器通交流、隔直流的性质．只让交流信号通过而直流成分不能通过．如图2-4-2甲所示．

(2)旁路电容：利用了电容器对高频电流阻碍小而对低频电流阻碍作用大的特性．低频信号不能通过而高频干扰信号可以通过，如图2-4-2乙所示．

甲 乙

图2-4-2

[再判断]

(1)对于同一个电容器，容抗可以发生变化．(√)

(2)在有电容器的交流电路中，没有电荷通过电容器．(√)

(3)电气设备和电子仪器的金属外壳都应该接地．(√)

[后思考]

电阻、容抗对电流的阻碍作用相同吗？

【提示】 不同．电阻对直流电和交流电的阻碍作用相同，与交流电的频率无关；而容抗对交流电的阻碍作用与交流电的频率有关，频率越高，阻碍作用越小．

[合作探讨]

探讨1：试解释为什么交变电流能够“通过”电容器． 【提示】 电容器接到交流电源上，电压升高时，电容器极板上的电荷量增加，形成充电电流；电压降低时，电容器极板上的电荷量减少，形成放电电流，充、放电交替进行，电路中就好像交变电流“通过”了电容器．实际上，自由电荷并没有通过两极板间的绝缘介质．

探讨2：从能量转化的角度分析交变电流通过电容器时能量的转化情况．

【提示】 当电容器充电时，电能转化为电场能，当电容器放电时，电场能转化为电能，电能和电场能不断地相互转化．

[核心点击]

1．对电容器容抗的理解

(1)产生原因

电容器的极板充电带有电荷后，会产生阻碍电流的反向电压，从而对继续充电产生阻碍作用．

(2)相关因素

①电容：电容器的电容越大，充电过程中两极间电压增长越慢，对继续充电阻碍作用越小．

②频率：交流电频率越高，电流方向变化越快，对继续充电的阻碍作用越小．

2．电容器在电子技术中的两种应用

(1)隔直电容器：如图2-4-3所示，作用是“通交流、隔直流”，因为直流电不能通过电容器，交流电能“通过”电容器．起这样作用的电容器电容要大些．

图2-4-3 图2-4-4

(2)高频旁路电容器：如图2-4-4所示，作用是“通高频，阻低频”，因为对不同频率的交流电，频率越高，容抗越小，频率越低，容抗越大，即电容器对低频交变电流阻碍作用大，对高频交变电流阻碍作用小，起这样作用的电容器电容要小些．

1．电容对交变电流影响的下列说法中，错误的是( )

A．交变电流能通过电容器 B．电容器具有通直流、阻交流的作用

C．电容器电容较小，它具有通高频、阻低频的作用

D．电容器的电容越大，交变电流的频率越高，电容器对交变电流的阻碍作用就越小

【解析】 电容器“通交流、隔直流”，但对交流电有阻碍作用，电容越大，频率越高，容抗越小，所以选项A、C、D均正确，B错误．

【答案】 B

2．(多选)如图2-4-5所示，白炽灯和电容器串联后接在交变电源的两端，当交流电源的频率增加时( )

【导学号：46042114】

图2-4-5

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

【解析】 由频率增大可知，容抗减小，电流增大，灯泡两端电压增大，电压表示数变小，灯泡功率增大而变亮，故A、D两项正确．

【答案】 AD

3．(多选)如图2-4-6所示，接在交流电源上的电灯泡正常发光，以下说法正确的是(

)

图2-4-6

A．把电介质插入电容器，灯泡变亮

B．增大电容器两板间的距离，灯泡变亮 C．减小电容器两板间的正对面积，灯泡变暗

D．使交变电流频率减小，灯泡变暗

【解析】 电容器的电容与介电常数成正比，与正对面积成正比，与两板间距离成反比．而容抗与电容成反比，与频率成反比．把介质插入电容器，电容变大，容抗减小，灯泡变亮，A正确；电容器两板间距离增大，电容减小，容抗增大，灯泡变暗，B错；减小电容器两板正对面积，电容减小，容抗增大，灯泡变暗，C正确；交流电的频率减小，容抗增大，灯泡变暗，D正确．

【答案】

ACD

1．电容器通交变电流的实质是充放电．

2．决定容抗大小的因素：电容器电容的大小和电源的频率．交变电流的频率越高，容抗越小；交变电流的频率越低，容抗越大．

电

感 器 在 交 流 电 路 中 的 作 用

[先填空]

1．电感器对交流电的阻碍作用

(1)感抗：表示电感器对交流电阻碍作用的大小．

(2)影响感抗大小的因素

线圈的电感(即自感系数L)越大，交流电的频率越高，对交流电的阻碍作用越大，即感抗越大．感抗大小的公式是XL＝2πfL.

2．电感器在电子技术中的应用

(1)低频扼流圈

特点：电感较大、电阻较小，感抗较大．对低频交流电产生较大的感抗．

作用：可用来“通直流、阻交流”．

(2)高频扼流圈

特点：匝数较少，自感系数较小，感抗较小，对高频交流电产生较大的感抗．

作用：“通低频、阻高频”．

[再判断] (1)电感器的感抗只由线圈本身决定．(×)

(2)电感器对直流电的阻碍作用也较大．(×)

(3)电感器对直流没有阻碍作用，对所有交流电的阻碍作用都一样．(×)

[后思考]

电感线圈对交变电流的阻碍作用为什么随线圈的自感系数、交变电流的频率的增大而增大？

【提示】 电感线圈的阻碍作用是由交变电流通过线圈产生的自感电动势引起的，自感系数越大时产生的自感电动势也越大；交变电流的频率越高，电流的变化率也越大，感应电动势也就越大，所以阻碍作用就越大，感抗也就越大．

[合作探讨]

探讨1：在忽略线圈电阻的情况下，电感线圈对恒定电流有阻碍作用吗？

【提示】 由于恒定电流的大小、方向不发生变化，在线圈中不会产生自感电动势，在忽略线圈电阻的情况下，电感线圈对恒定电流不会产生阻碍作用．

探讨2：分析交变电流通过电感线圈时能量转化的情况．

【提示】 变化的电流通过电感线圈时，电能与磁场能不断地相互转化．若为纯电感电路，没有焦耳热产生，只有电能与磁场能的转化．

[核心点击]

1．电感器

由导线绕成的各种形状的线圈，电感器用字母“L”及电路符号“”表示．

2．电感对交变电流的阻碍作用的成因

交变电流通过电感器时，由于电流时刻都在变化，所以自感现象就不断地发生，而自感电动势总是要阻碍电流的变化，故电感器表现出对交变电流的阻碍作用．

3．扼流圈及其作用

(1)低频扼流圈，线圈绕在铁芯上，匝数为几千甚至超过一万，自感系数较大，对低频电流感抗也较大，所以有“通直流、阻交流”的作用．

(2)高频扼流圈，线圈绕在铁氧体芯上，匝数有几百或几十，自感系数较小，只对高频电流有较大的阻碍作用，对低频电流和直流阻碍都很小，所以有“通直流、通低频，阻高频”的作用．

4．(多选)电感对交变电流的影响的以下说法中，正确的是( )

A．电感对交变电流有阻碍作用

B．电感对交变电流阻碍作用的大小叫感抗

C．电感对某一频率的交变电流的阻碍作用跟线圈的自感系数无关

D．线圈的自感系数越大，交变电流的频率越高，电感对交变电流的阻碍作用就越大

【解析】 电感对交流电有影响，其阻碍作用的大小和线圈的自感系数L、交流电的频率f有关，L越大，f越高，阻碍作用越大，故选项A、B、D均正确．

【答案】 ABD

5．交变电流通过一段长直导线时，电流为I，如果把这根长直导线绕成线圈，再接入原电路，通过线圈的电流为I′，则( )

【导学号：46042115】

A．I′＞I B．I′＜I

C．I′＝I D．无法比较

【解析】 长直导线的自感系数很小，其对交变电流的阻碍作用可以看做是纯电阻，流经它的交变电流只受到导线电阻的阻碍作用．当导线绕成线圈后，电阻值未变，但自感系数增大，对交变电流的阻碍作用不但有电阻，而且有线圈的阻碍作用(感抗)．阻碍作用增大，电流减小．

【答案】 B

6. (多选)在如图2-4-7所示的电路中，L为电感线圈，L1为灯泡，电流表内阻为零，电压表内阻无穷大，交流电源的电压u＝2202sin 100πt V．若保持电压的有效值不变，只将电源频率改为60 Hz，下列说法正确的有(

)

图2-4-7

A．电流表示数增大 B．电压表示数增大

C．灯泡变亮 D．灯泡变暗 【解析】 由u＝220 2sin 100πt V，可知电源原来的频率为f＝ω2π＝100π2π Hz＝50 Hz.当电源频率由原来的50 Hz增为60 Hz时，线圈的感抗增大；在电源电压有效值不变的情况下，电路中的电流减小，选项A错误；灯泡的电阻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D正确，C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UL1，则电源电压的有效值为U＝UL＋UL1.因UL1＝IR，故电流I减小时，UL1减小，因电源电压有效值保持不变，故UL＝U－UL1增大，选项B正确．

【答案】

BD

1．电感器的感抗，是由于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．

2．电感器的感抗不仅与线圈本身的自感系数有关，还与电流的频率有关，电流的频率越大感抗就越大．