高二物理-知识讲解 电感和电容对交变电流的影响.doc

电感和电容对交变电流的影响编稿：张金虎 审稿：代洪【学习目标】1 通过实验，了解电感器和电容器对交流电的阻碍作用。2 知道感抗和容抗的物理意义及影响因素。3 通过猜想、假设、实验、交流合作与分析论证，体验科学探究过程。【要点梳理】要点一、电感对交变电流的阻碍作用 1电感线圈对交变电流的阻碍作用。交变电流通过线圈时，由于电流时刻在变化，所以自感现象就不断发生，而自感电动势总是阻碍电流变化的，这就是线圈的电感对交变电流的阻碍作用。 2电感对交变电流阻碍作用的大小用感抗来表示。线圈的自感系数越大，交变电流的频率越高，产生的自感电动势就越大，电感对交变电流的阻碍作用就越大，感抗也就越大。 3由影响感抗的因素“频率”可知：电感线圈对恒定电流没有感抗作用，因此电感线圈可以概括为“通直流，阻交流”。同时对频率越高的交变电流，感抗越大，即所谓“通低频，阻高频”。 由影响感抗的因素“自感系数”可知：要使低频扼流圈感抗大，就要用自感系数较大的线圈即匝数较多并有铁芯的扼流圈来担任；高频扼流圈的自感系数要小得多，可以用匝数少且没有铁芯的扼流圈来担任。根据电感线圈匝数的不同，扼流圈可分为两种：（1）低频扼流圈：通直流，阻交流；（2）高频扼流圈：通低频，阻高频。要点二、电容器对交变电流的阻碍作用 1交变电流能够“通过”电容器 电容器两极板间是绝缘材料，当电容器接到交流电源上时，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，极板上聚集的电荷又放出，在电路中形成放电电流。电容器交替进行充电和放电，电路中就有了电流，好像是交变电流“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电容器对交变电流的阻碍作用 对于导线中形成电流的自由电荷来说，当电源的电压推动它们向某一方向做定向运动时，电容器两极板上积累的电荷会阻碍它们向这个方向运动，这就产生了电容对交变电流的阻碍作用。电容对交变电流的这种阻碍作用的大小就称为容抗。 要点诠释：（1）容抗表示电容对交变电流阻碍作用的大小。 （2）容抗大小由电容器的电容和交变电流的频率决定。电容越大，交变电流的频率越高，容抗越小。 （3）电容对交变电流阻碍作用的实质。当交变电流“通过”电容器时，给电容器充电或放电，使电容器两极形成跟原电压相反的电压，阻碍电流，形成容抗。 （4）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；旁路电容器：通高频、阻低频。 实际应用电路如图所示。 要点三、直流电路和交流电路的区别 在直流电路中，电流的大小由电压和电阻决定，而在交流电路中，决定电流大小的除了电压和电阻外，还与电感和电容对交变电流的阻碍作用有关，电路中电感线圈和电容器的两端均有电压，在交变电流的频率不变时，纯电感电路中和纯电容电路中，电流大小跟电压成正比。要点四、电阻、感抗、容抗的比较电阻感抗容抗产生的原因定向移动的自由电荷与不动的离子间的碰撞由于电感线圈的自感现象阻碍电流的变化电容器两极板上积累的电荷对向这个方向定向移动的电荷的反抗作用在电路中的特点对直流、交流均有阻碍作用只对变化的电流，如交流有阻碍作用不能通直流，只能通变化的电流。对直流的阻碍作用无限大，对交流的阻碍作用随频率的降低而增大决定因素由导体本身（长短、粗细、材料）决定，与温度有关由线圈本身的自感系数和交流的频率决定（成正比）由电容的大小和交流的频率决定（成反比）能量转化电流通过电阻做功，电能转化为内能电能和磁场能往复转化电能与电场能往复转化 说明：电感、电容接到交流电源上时，电能与磁场能或电场能往复转化，所以电感、电容上不会消耗电能，而电流通过电阻时，必然会产生焦耳热，从而造成电能的损耗。要点五、电容器、电感器的应用 1电容器的应用 （1）隔直电容器，如图甲所示，作用是“通交流、隔直流”。因为直流不能通过电容器，交变电流能“通过”电容器。起这样作用的电容器电容要大些。 （2）高频旁路电容器。如图乙所示，作用是“通高频，阻低频”，因为对不同频率的交变电流，频率越高，容抗越小，频率越低，容抗越大，即电容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。 2电感器的应用 （1）低频扼流圈：可起到“通直流、阻交流”的作用。 （2）高频扼流圈：可起到“通直流、通低频，阻高频”的作用。 3电感和电容的组合应用 根据电感、电容对交变电流阻碍作用的特点，可以将二者结合到一起来完成一定的任务。 （1）如果将电容与负载并联，然后与电感串联，就能更好的起到滤掉电流中交流成分或高频成分的作用。如图所示。 （2）如果将电感与负载并联，然后与电容串联，就能更好的起到滤掉电流中直流成分或低频成分的作用。如图所示。 【典型例题】类型一、电感对交变电流的阻碍作用 例1交变电流通过一段长直导线时，电流为，如果把这根长直导线绕成线圈，接入原电路，通过线圈的电流为，则 （ ） A B C D无法比较【答案】B【解析】本题考查电感对交变电流的阻碍作用，关键要知道电感线圈对直流和交变电流的阻碍作用有区别。 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作是纯电阻，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。 【点评】直流电阻不计的线圈对直流无阻碍作用，相当于短路，对交变电流有阻碍作用。 例2一个灯泡通过一个粗导线绕成的线圈与一交流电源相连接，如图所示。一铁芯插进线圈之后，该灯将（ ） A变亮 B变暗 C对灯没影响 D以上说法都不正确 【答案】B【解析】本题考查感抗的决定因素和电路知识，解题的关键是知道线圈中插入铁芯使线圈的自感系数变大。 线圈和灯泡是串联的，因此加在串联电路两端的总电压等于线圈上的电势差与灯泡上的电势差之和。由墙上插孔所提供的220 V电压，一部分降落在线圈上，剩余的降落在灯泡上。如果一个大电压降落在线圈上，则仅有一小部分电压降落在灯泡上。灯泡上电压变小，将使它变暗。什么原因使得电压降落在线圈上呢?是由于它的电阻吗？由于线圈导线是粗的，其电阻很小。在线圈上产生电压降的主要原因是其内部存在改变着的磁场。 在线圈内由于改变磁场而产生的感应电动势，总是反抗电流的变化，正是这种反抗变化的特性（电惰性），使线圈产生了感抗。 【点评】感抗，的大小与线圈的形状、长度、横截面积及有无铁芯均有关系。例3在如图所示电路中，为电感线圈，为灯泡，电流表内阻为零，电压表内阻无限大，交流电源的电压。若保持电压的有效值不变，只将电源频率改为，下列说法中正确的是（ ） 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】本题考查了感抗的决定因素、交变电流有效值等知识，解题关键是要清楚频率增大，感抗增大。 由，可得电源原来的频率为，当电源频率由原来的增为时，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。 灯泡的电阻是一定的，电流减小时，实际消耗的电功率减小，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；设灯泡两端电压为，则电源电压的有效值为，因，故电流减小时，减小。因电源电压有效值保持不变，故增大，选项B正确。 【点评】感抗大小的决定式为，为交变电流频率，为电感（自感系数），感抗和频率、电感成正比。 例4关于电子电路中的扼流圈，下列说法正确的是（ ） A扼流圈是利用电感线圈对交流的阻碍作用来工作的 B高频扼流圈的作用是允许低频交流通过，而阻碍高频交流通过 C低频扼流圈的作用是不仅要阻碍高频交流通过，还要阻碍低频交流通过 D高频扼流圈的电感比低频扼流圈的电感大【答案】ABC 【解析】本题考查了高频扼流圈、低频扼流圈。扼流圈是利用变化的电流通过线圈时，感应出感应电动势，从而来阻碍电流的变化的，故A正确。高频扼流圈是“通低频、阻高频”，故B正确；低频扼流圈是“阻高频、阻低频、通直流”，故C正确；高频扼流圈比低频扼流圈自感系数小，故D错。 【点评】清楚高频扼流圈是“通低频、阻高频”，低频扼流圈是“通直流、阻交流”。类型二、电容对交变电流的影响 例5如图所示的电路中，正弦交流电源电压的有效值为，则关于交流电压表的示数，以下说法中正确的是（ ） A等于 B大于 C小于 D等于零【答案】C【解析】本题考查了电容器对交变电流的阻碍作用。 虽然交变电流能通过电容器，但也要受到阻碍作用，电容器与电阻串联，根据分压原理可知电阻两端的电压小于电源电压，电压表测的是电阻两端的电压，C正确。 【点评】交变电流不同于直流，交变电流能“通过”电容器，所以电压表有示数。 例6电路由交变电源供电，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（ ） A电容器上的电荷量最大值增大 B电容器容抗增大 C电路中灯泡亮度变亮 D电路中灯泡亮度变暗【答案】C 【解析】电容器的容抗由电容器本身决定，B错；当交变电流的频率升高时，电容器的容抗减小，电容器电压减小，的最大值减小，A错；灯泡电压增大，灯泡的亮度变亮，故选项C正确，选项D错误。 【点评】容抗表达式为，由此可知电容器的容抗和交变电流频率、电容成反比。 例7如图所示的电路，为一交流发电机，为平行板电容器，为使电流表A示数增大，可行的办法是（ ） A使发电机的转速增大 B使发电机的转速减小 C平行板电容器间换用介电常数较小的电介质 D使电容器两板间距离增大【答案】A【解析】本题考查了容抗的决定因素及交变电流的频率。发电机转速增大，交变电流频率，增大，容抗变小，电流增大，故A正确。电容器所充电介质的介电常数变小，板间距离增大，电容均变小，容抗变大，电流变小，C、D不正确。 【点评】容抗和交变电流频率、电容成反比；电容和电介质的介电常数成正比，和两板正对面积成正比，和板间距离成反比。例8如图所示的甲、乙、丙三种电路是电子技术中常用的电路，是输入端，其中高频成分用“”表示，低频成分用“”表示，直流成分用“”表示，则甲、乙、丙图中的负载上得到的电流特征是什么？ 【答案】见解析【解析】本题考查电容对电流的阻碍作用。甲图：上的电流是交流成分（低频），因为电容有隔直流作用。乙图：上的电容是低频成分，因为电容对高频成分有旁通作用，即通高频、阻低频。丙图：上的电流是直流成分，因为电容对交流有旁通作用，即隔直流、通交流。 【点评】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；旁路电容器：通高频、阻低频。举一反三【高清课堂：电感和电容对交变电流的影响 例5】【变式】下列甲、乙两图是电子技术中的常用电路，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上得到的电流特征是（ ）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图乙中R得到的是高频成分【答案】AC类型三、电感、电容对交变电流的影响 例9在交流电路中，下列说法正确的是（ ） A影响电流与电压关系的，不仅有电阻，还有电感和电容 B电感对交变电流有阻碍作用，是因为交变电流通过电感线圈时，线圈中产生自感电动势阻碍电流的变化 C交变电流能通过电容器，是因为交变电压的最大值大于击穿电压，电容器被击穿了 D电容器的电容越大、交流的频率越高，容抗就越大【答案】AB【解析】本题考查了电阻、电感、电容在交流电路中的作用。交变电流能通过电容器是因为交流电路中电容器的两极加上交变电压，两极板上不断进行充、放电，电路中产生电流，表现为交变电流“通过”了电容器，故C错。电容器的电容越大、交流的频率越高，容抗越小，D错。 【点评】电感和电容对交流的阻碍作用的大小不但跟电感、电容本身有关，还跟交流的频率有关。这种关系可以简单概括为： 电感是“通直流、阻交流，通低频、阻高频”， 感抗（参考公式）； 电容是“通交流、隔直流，通高频、阻低频” 容抗（参考公式）。举一反三【高清课堂：电感和电容对交变电流的影响 例4】【变式】以下说法正确的是（）A、低频扼流圈对低频交流有很大的阻碍作用，而对高频交流的阻碍较小B、高频扼流圈对高频交流有很大的阻碍作用，而对低频交流的阻碍较小C、电容器的容抗是电容器本身的固有属性，与外界的条件无关D、电容器在交流电路中“容抗”来阻碍电流变化，所以电容越大，阻碍越强【答案】B 例10如图所示，当交流电源的电压有效值，频率时，只灯的亮度相同（无直流电阻），若将交流电源的频率变为，则（ ） A灯比原来亮 B灯比原来亮 C灯和原来一样亮 D灯比原来亮【答案】AC【解析】本题综合考查了电容、电感对交变电流的阻碍作用。电容的容抗与交变电流的频率有关，频率高、容抗小，即对高频交变电流的阻碍作用小，所以A项对。线圈对交变电流的阻碍作用随频率升高而增加，所以B项错，电阻中电流只与交变电流有效值及值有关，所以C项正确。 【点评】电感、电容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频率无关，电阻中的电流由交变电流有效值和决定。举一反三【高清课堂：电感和电容对交变电流的影响 例6】【变式1】两个相同的白炽灯泡和接到如图4所示的电路中，灯与电容器串联，灯与电感线圈串联。当间处接电压最大值为、频率为的正弦交流电源时，两灯都发光，且亮度相同。更换一个新的正弦交流电源后，灯的亮度低于灯的亮度。新电源两极的电压最大值和频率可能是（ ） A. 最大值仍为，而频率大于 B. 最大值仍为，而频率小于 C. 最大值大于，而频率仍为 D. 最大值小于，而频率仍为【答案】B【高清课堂：电感和电容对交变电流的影响 例1】【变式2】如图所示，理想变压器的输出端有三组次级线圈，分别接有电阻元件、电感元件和电容元件。若用、分别表示通过、和的电流，则下列说法中正确的是（ ） A若接正弦式交流电，则B若接正弦式交流电，则C若接恒定电流，则D若接恒定电流，则【答案】B 例11“二分频”音箱内有两个不同口径的扬声器，它们的固有频率分别处于高音、低音频段，分别称为高音扬声器和低音扬声器；音箱要将扩音机送来的含有不同频率的混合音频电流按高、低频段分离出来，送往相应的扬声器，以便使电流所携带的音频信息按原比例还原成高、低频的机械振动。图为音箱的电路图，高、低频混合电流由端输入，和是线圈，和是电容器，则下列说法正确的是（ ） A甲扬声器是高音扬声器 B的作用是阻碍低频电流通过乙扬声器 C的作用是阻碍低频电流通过甲扬声器 D的作用是减弱乙扬声器中的低频电流【答案】BD【解析】本题综合考查电感和电容在电路中所起的作用。甲扬声器中，串联在电路中，对高频电流的阻碍作用很大，对低频电流阻碍作用较小；并联在电路中，对高频电流的阻碍作用小，可以给高频电流提供通路，使低频电流通过扬声器传出，所以甲为低频扬声器。乙扬声器中，串联在电路中，对低频电流的阻碍作用很大，对高频电流阻碍作用很小；并联在电路中，对低频电流的阻碍作用小，可以给低频电流提供通路，使高频电流通过扬声器传出，所以乙为高频扬声器，故答案为B、D。 【点评】牢记电感线圈“通低频、阻高频”；电容器“通高频、阻低频”，解题时直接运用即可。举一反三【高清课堂：电感和电容对交变电流的影响 例7】【变式】“二分频”音箱内有高、低两个扬声器。音箱要将扩音机送来的含有不同频率的混合音频电流按高、低段分离出来，送往相应的扬声器，以便使电流所携带的音频信息按原比例还原成高、低频的机械振动。图为音箱的电路简化图，高低频混合电流由端输入，是线圈，是电容器，则( ) A、甲扬声器是高音扬声器 B、的作用是阻碍低频电流通过乙扬声器C、的作用是阻碍低频电流通过甲扬声器 D、乙扬声器的振幅一定大【答案】B 例12如图所示，两端连接的交流电源既含高频交流，又含低频交流；是一个的高频扼流圈，是一个的电容器，是负载电阻。下列说法正确的是（ ） A的作用是“通低频，阻高频” B的作用是“隔直流，通交流” C的作用是“通高频，阻低频” D通过的电流中，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】本题考查了高频旁路电容器和高频扼流圈。是一个自感系数很小的高频扼流圈，其作用是“通低频，阻高频”，选项A正确。 是一个电容很小的电容器，在图示电路中，对高频交流的容抗远小于对低频交流的容抗，其作用是“通高频，阻低频”，选项C正确。因电路中无直流电流，选项B错误。 由于对高频交流的阻碍作用和对高频交流的旁路作用，使得通过的电流中，低频交流所占的百分比远大干高频交流所占的百分比，选项D正确。 【点评】电容和电感对交变电流的作用是不同的，解题时注意区别。举一反三【高清课堂：电感和电容对交变电流的影响 例2】【变式】如图所示，甲、乙是规格相同的灯泡，两端加直流电压时，甲灯正常发光，乙灯完全不亮；当两端加上有效值和直流电压相等的交流电压时，甲灯发出微弱的光，乙灯能正常发光。下列说法正确的有：（ ） A与甲灯串联的元件是电容器B与乙灯串联的元件是电容器C与甲灯串联的元件是电感线圈D与乙灯串联的元件是电感线圈【答案】BC