5.3 电感和电容对交变电流的影响.doc

53 电感和电容对交变电流的影响新课标要求（一）知识与技能1理解为什么电感对交变电流有阻碍作用。2知道用感抗来表示电感对交变电流阻碍作用的大小，知道感抗与哪些因素有关。3知道交变电流能通过电容器.知道为什么电容器对交变电流有阻碍作用。4知道用容抗来表示电容对交变电流的阻碍作用的大小.知道容抗与哪些因素有关。（二）过程与方法1培养学生独立思考的思维习惯。2培养学生用学过的知识去理解、分析新问题的习惯。（三）情感、态度与价值观培养学生有志于把所学的物理知识应用到实际中去的学习习惯。教学重点1电感、电容对交变电流的阻碍作用。2感抗、容抗的物理意义。教学难点1感抗的概念及影响感抗大小的因素。2容抗概念及影响容抗大小的因素。教学过程（一）引入新课在直流电路中，影响电流跟电压关系的只有电阻。在交变电流路中，影响电流跟电压关系的，除了电阻外，还有电感和电容。电阻器、电感器、电容器是交变电流路中三种基本元件。这节课我们学习电感、电容对交变电流的影响。（二）进行新课1电感对交变电流的阻碍作用演示电阻、电感对交、直流的影响。实验电路如下图甲、乙所示： 首先演示甲图，电键分别接到交、直流电源上，引导学生观察两次灯的亮度，说明了什么道理？灯的亮度相同。说明电阻对交流和直流的阻碍作用相同。再演示乙图，电键分别接到交、直流电源上，引导学生观察两次灯的亮度，说明了什么道理？电键接到直流上，亮度不变；接到交流上时，灯泡亮度变暗。说明线圈对直流电和交变电流的阻碍作用不同。确实如此。线圈对直流电的阻碍作用只是电阻；而对交变电流的阻碍作用除了电阻之外，还有电感.为什么会产生这种现象呢？由电磁感应的知识可知，当线圈中通过交变电流时，产生自感电动势，阻碍电流的变化。电感对交变电流阻碍作用的大小，用感抗来表示。感抗的大小与哪些因素有关？请同学们阅读教材后回答。感抗决定于线圈的自感系数和交变电流的频率。线圈的自感系数越大，自感作用就越大，感抗就越大；交变电流的频率越高，电流变化越快，自感作用越大，感抗越大。线圈在电子技术中有广泛应用，有两种扼流圈就是利用电感对交变电流的阻碍作用制成的。出示扼流圈，并介绍其构造和作用。（1）低频扼流圈构造：线圈绕在闭合铁芯上，匝数多，自感系数很大。作用：对低频交变电流有很大的阻碍作用。即“通直流、阻交流”。（2）高频扼流圈构造：线圈绕在铁氧体芯上，线圈匝数少，自感系数小。作用：对低频交变电流阻碍小，对高频交变电流阻碍大。即“通低频、阻高频”。2交变电流能够通过电容器演示电容对交、直流的影响。实验电路如图所示：开关S分别接到直流电源和交变电流源上，观察到什么现象？说明了什么道理？接通直流电源，灯泡不亮；接通交变电流源，灯泡亮了。说明了直流电不能够通过电容器，交变电流能够“通过”电容器。电容器的两极板间是绝缘介质，为什么交变电流能够通过呢？用CAI课件展示电容器接到交变电流源上，充、放电的动态过程。强调自由电荷并没有通过电容器两极板间的绝缘介质，只是当电源电压升高时电容器充电，电荷向电容器的极板上集聚，形成充电电流；当电源电压降低时电容器放电，电荷从电容器的极板上放出，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，表现为交流通过了电容器。3电容器对交变电流的阻碍作用演示电容器对交变电流的影响将刚才实验电路中“1000 F，15 V”的电容器去掉，观察灯泡的亮度，说明了什么道理？灯泡的亮度变亮了。说明电容器对交变电流也有阻碍作用。的确是这样。物理上用容抗来表示电容器对交变电流阻碍作用的大小。容抗跟哪些因素有关呢？请同学们阅读教材后回答。容抗决定于电容器电容的大小和交变电流的频率.电容越大，在同样电压下电容器容纳电荷越多，因此充放电的电流越大，容抗就越小；交变电流的频率越高，充放电进行得越快，充放电电流越大，容抗越小.即电容器的电容越大，交变电流频率越高，容抗越小。电容器具有“通交流、隔直流”“通高频、阻低频”的特点。（三）课堂总结、点评本节课主要学习了以下几个问题：1由于电感线圈中通过交变电流时产生自感电动势，阻碍电流变化，对交变电流有阻碍作用.电感对交变电流阻碍作用大小用感抗来表示.线圈自感系数越大，交变电流的频率越高，感抗越大，即线圈有“通直流、阻交流”或“通低频，阻高频”特征.2交变电流“通过”电容器过程，就是电容器充放电过程.由于电容器极板上积累电荷反抗自由电荷做定向移动，电容器对交变电流有阻碍作用.用容抗表示阻碍作用的大小.电容器的电容越大，交流的频率越高，容抗越小.故电容器在电路中有“通交流、隔直流”或“通高频、阻低频”特征。（四）实例探究电感对交变电流的影响【例1】如图所示电路中，L为电感线圈，R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u=220sin10t V。若保持电压的有效值不变，只将电源频率改为25Hz，下列说法中正确的是 （ ）A电流表示数增大B电压表示数减小C灯泡变暗D灯泡变亮解析：由u=220sin100t，可得电源频率f= Hz=50 Hz当电源频率由原来的50 Hz改为25 Hz时，线圈的感抗减小，在电压不变的情况下，电路中的电流增大，选项A正确。灯泡的电阻R是一定的，电流增大时，实际消耗的电功率（P=I2R）变大，灯泡变暗，选项C错误，D正确。电压表与电感线圈并联，其示数为线圈两端电压UL，设灯泡两端的电压为UR，则电源电压的有效值为U=UL+UR因UR=IR，I增大，UR增大，因电源电压有效值不变，故UL=（U-UR）减小，故选项B正确.答案：ABD点评：解决该类问题时将电感和电容看成特殊“电阻”，在交变电流电路中串、并联关系仍是适用的。电感和电容对交变电流的影响【例2】图所示是电视机电源部分的滤波装置，当输入端输入含有直流成分、交流低频成分的电流后，能在输出端得到较稳定的直流电，试分析其工作原理及各电容和电感的作用。解析：当含有多种成分的电流输入到C1两端，则由于C1的“通交流、隔直流”功能，电流中的交流成分被衰减，而线圈L有“通直流、阻交流”功能，直流成分电流顺利通过L.一小部分交流通过L，到达C2两端时，C2进一步滤除电流中残余的交流成分，这样就在输出端得到较稳定的直流电，这个直流电供电视机内芯正常工作。点评：本题联系电视机中的实际电路，应分别考虑L、C的作用：L对直流起“短路”作用，对交流起阻碍作用；C对直流“断路”，对交流有旁路分流作用.本题C1、C2两次对交流分流，滤波效果 更好（五）巩固练习1关于低频扼流圈，下列说法正确的是 （ ）A这种线圈的自感系数很小，对直流有很大的阻碍作用B这种线圈的自感系数很大，对低频电流有很大的阻碍作用C这种线圈的自感系数很大，对高频交流的阻碍作用比低频交流的阻碍作用更大D这种线圈的自感系数很小，对高频交流的阻碍作用很大而对低频交流的阻碍作用很小答案：BC2下列说法中正确的是 （ ）A电感线圈对交流具有阻碍作用的主要原因是线圈具有电阻B电容器对交流具有阻碍作用的原因是两板间的绝缘体电阻很大C在交流电路中，电阻、感抗、容抗可以同时存在D感抗、容抗和电阻一样，交流电通过它们做功时都是电能转化为 内能解析：D选项中电流通过感抗时有一部分电能转化为磁场能，经容抗时一部分电能转化为电场能.答案：C3在图所示电路中，u是有效值为200 V的交流电源，C是电容器，R是电阻.关于交流电压表的示数，下列说法正确的是 （ ）A等于220 VB大于220 VC小于220 VD等于零解析：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.答案：C4在图所示的电路中，a、b两端连接的交流电源既含高频交流，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，下列说法中正确的是 （ ）A.L的作用是“通低频，阻高频”B.C的作用是“通交流，隔直流”C.C的作用是“通高频，阻低频”D.通过R的电流中，低频电流所占的百分比远远大于高频交流所占的百分比解析：L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”，A正确.C是一个电容很小的电容器，在本题电路中，对高频交变电流的容抗远小于对低频交变电流的容抗，其作是“通高频、阻低频”，选项C正确.因电路中无直流电流，故B错误，由于L对高频交变电流的阻碍作用和C对高频电流的旁通作用，使得通过R的电流中低频交变电流所占的百分比远高于高频交变电流所占的百分比，选项D正确.答案：ACD5如图所示，交变电流电压的瞬时表达式u=311sin157t V时，三个电流表的示数相同，若电源电压改为u=sin314t V时，则 （ ）A电流表 的示数减小B电流表的示数增大C电流表的示数不变解析：当由u变为u时，变化的是交电流电压的频率（变大），电压的有效值不变，当频率变大，电感L的感抗变大，故的示数减小；电容C的容抗变小，故示数变大，电阻R的阻值不变，故示数不变.答案：ABC6如图所示，一平行板电容器和一个灯泡串联，接在交流电源上，灯泡正常发光，下列哪些情况中灯泡会变亮（灯不会烧毁） （ ）A电容器两极板间插入介电常数为的电介质B电容器两板间距增大C提高交变电流的频率D电容器两板正对面积减小解析：电容器对电流有阻碍作用，容抗越大则灯泡变暗，容抗小则灯泡变亮，容抗大小与电容C有关，电容大，容抗小，由C=知，A使C变大，而B、D选项中涉及因素使C变小，容抗大小与交变电流的频率有关，交变电流频率越高，容抗越小，故选项C正确.答案：AC7如图所示交流电源的电压有效值跟直流的电压相等，当将双刀双掷开关接到直流电源上时，灯泡的实际功率为P1，而将双刀双掷开关接在交流电源上时，灯泡的实际功率为P2，则 （ ）AP1=P2BP1P2CP1P2D不能比较解析：电感L对直流基本无阻碍作用，此时灯泡消耗的功率P1=（U为直流电压值），当接入交流电路中时，电感L对交流有感抗作用，灯泡两端电压UR小于交变电源的电压有效值U，所以P2=P1.答案：B8两位同学利用图所示装置做实验，第一位同学使金属棒ab在导轨上做匀速运动，第二位同学使金属棒ab在导轨上做变速运动（导轨处于匀强磁场中），但两位同学对ab棒做的功一样多，若第一位同学做实验时小灯泡消耗的电能为E1，第二位同学做实验时小灯泡消耗的电能为E2，则 （ ）AE1=E2BE1E2CE1E2D无法确定解析：两位同学做功一样，说明有相同多的机械能转化为电路中的电能（忽略做功时克服摩擦等因素）.第一位同学仍为匀速运动，产生电流为恒定电流，电感L消耗电能很少，绝大多数电能为小灯泡所消耗;而第二位同学仍为变速运动，电路中产生的感应电流将是变化的电流，由于L的感抗作用，有一部分电能消耗在L上（主要转化为磁场能）答案：B9电感线圈和电容器对交流电路来说都相当于一个电阻，而导体的电阻是导体本身的特性，与加在导体上的电源没有关系.因此感抗和容抗也是线圈和电容器的特性，由它们本身性质决定，与加在线圈和电容器上的电源没有关系.这种说法正确吗？解析：电感线圈和电容器在交流电路中相当于一个电阻，表示它们对交流阻碍作用大小的感抗和容抗的单位都是欧姆.但感抗和容抗与导体的电阻有很大的不同.导体的电阻由导体本身性质决定,与接在导体上的电源无关.而感抗和容抗则不然，它们不仅与线圈和电容器本身性质有关，还与电源的频率有关.对于同一个电感线圈或电容器来说，它们的感抗和容抗都不是固定不变的，而是随电源频率的变化而变化.答案：不正确资料袋空心杯直流电动机1820年的一天，丹麦物理学家奥斯特惊喜地发现：当电流流过导体时，在导体旁边的磁针产生了摆动，这表明电流周围存在磁场.奥斯特的发现揭示了电与磁之间的内在联系，从而开辟了电磁学的新纪元。1831年，英国物理学家法拉第通过实验又发现了电磁感应现象.法拉第的这个发现可以说是划时代的，因为这个发现使我们人类进入了应用电的时代.从此生产技术被推向一个崭新水平，人们也从早期原始的动力中解放出来。在机械、冶金、纺织等工业领域中，电动机作为生产机械的动力装置，发挥着人力劳动无法比拟的巨大作用。在日常生活中，电动机带动着这些电器，使我们的生活更加舒适。电动机的广泛应用，为加速扩大生产规模，实现生产的自动化控制，提高生产效率起着重要作用。现在，电动机已渗透到国民经济建设的各个领域之中。我们知道直流电动机内部结构主要包括两部分：转子和定子.这种电动机的转子由转轴、铁芯及其绕组、换向器等构成.定子由磁性材料和机座等构成.利用带电导体和磁场间的相互作用把电能变为机械能.然而由于硅钢片铁芯的存在，使得电动机的转动惯量高、能量损耗多，重量体积大。随着科学技术的不断发展，工业生产自动化程序的不断提高，对电动机的性能也提出了越来越高的要求.不仅要求电动机具有更低的转动惯量、更宽的调速范围，更长的使用寿命，还要求电动机体积小，重量轻.而这是铁芯电动机无法达到的，因此开发无铁芯电动机是技术发展的必然趋势。冶金部自动化研究院研制的新型空心杯直流电动机，是一种转子无铁芯电枢结构的新型微特电机，它的转子线圈是用导线按一定角度均匀排列缠绕成杯子形状.然后与换向器板连接，构成新的独特的电动机转子.由于空心杯转子替代了硅钢片铁芯转子，因而它的结构更加合理，性能大大超过了普通铁芯电动机。空心杯电动机转子只有4.2 g，比铁芯电动机转子轻23 g，所以它的机械时间常数只有5至20毫秒，比铁芯电动机提高一个数量级.这意味着空心杯电动机有极快的响应速度.由于铁芯转动和涡流的产生都要消耗能量，而空心杯电动机减少了这部分能耗，所以它的效率比铁芯电