第五章交变电流 【二】 学案 -高中物理人教版选修3-2

交变电流【二】电感和电容对交变电流的影响【要点梳理】1要点一、电感对交变电流的阻碍作用1、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：电感对交变电流的阻碍作用就越大，感抗也就越大。2、电感线圈：“通直流，阻交流”。“通低频，阻高频”。低频扼流圈自感系数大，要用匝数较多并有铁芯的扼流圈来担任，作用：通直流，阻交流高频扼流圈自感系数小，可用匝数少且没有铁芯的扼流圈来担任，作用：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2．电容器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。（1）电容越大，交变电流的频率越高，容抗越小。（2）电容对交变电流阻碍作用的实质：极板上积累电荷对向这个方向定向移动的电荷的反抗作用（3）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。要点三、直流电路和交流电路的区别在交流电路中，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。要点四、电阻、感抗、容抗的比较电阻感抗容抗成因定向移动的自由电荷与非自由电荷间的碰撞由于电感线圈的自感现象阻碍电流的变化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特点对直流、交流均有阻碍作用只对变化的电流有阻碍作用，频率越高，阻碍越强对直流电，阻碍作用无限大对交流电，频率越低，阻碍越强决定因素由导体长短、粗细、材料决定，与温度有关线圈的自感系数、交流的频率决定（成正比）电容的大小、交流的频率决定（成反比）能量转化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【典型例题】1类型一、电感对交变电流的阻碍作用例1例1、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。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、以上说法都不正确例2例2、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、灯泡变亮类型二、电容对交变电流的影响例3例3、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、等于零类型三、电感、电容对交变电流的影响例4例4、如图，当交流电源的电压有效值U=220V，频率f=50Hz时，3只灯L1、L2、L3的亮度相同（A、L1灯比原来亮B、L2灯比原来亮C、L3灯和原来一样亮D、L3灯比原来亮例5、“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a、b端输入，L1和L2是线圈，C1和C2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、A、甲扬声器是高音扬声器B、C2的作用是阻碍低频电流通过乙扬声器C、L1的作用是阻碍低频电流通过甲扬声器D、L2的作用是减弱乙扬声器中的低频电流变压器【要点梳理】2要点一、变压器的原理1．构造：变压器由一个闭合的铁芯、原线圈和副线圈组成，两个线圈都是由绝缘导线绕制而成的，铁芯由涂有绝缘漆的硅钢片叠合而成，是用来改变交流电压的装置（图甲、乙分别为单相变压器的构造示意图及电路图）。1．构造：变压器由一个闭合的铁芯、原线圈和副线圈组成，两个线圈都是由绝缘导线绕制而成的，铁芯由涂有绝缘漆的硅钢片叠合而成，是用来改变交流电压的装置（图甲、乙分别为单相变压器的构造示意图及电路图）。2．工作原理电磁感应：如图所示，当原线圈中就有交变电流时，它在铁芯中产生交变的磁通量，在原、副线圈中都要产生感应电动势。如果副线圈是闭合的，则副线圈中将产生交变的感应电流。电磁感应：如图所示，当原线圈中就有交变电流时，它在铁芯中产生交变的磁通量，在原、副线圈中都要产生感应电动势。如果副线圈是闭合的，则副线圈中将产生交变的感应电流。其能量转换方式为：原线圈电能→磁场能→副线圈电能。要点二、理想变压器的规律1．理想变压器：没有漏磁和发热损失（铜损、铁损）的变压器，即没有能量损失的变压器。（1）因为理想变压器不计一切电磁能量损失，因此，理想变压器的输入功率等于输出功率。（2）实际变压器（特别是大型变压器）一般都可以看成是理想变压器。2．电压关系理想变压器原、副线圈的匝数分别为，原线圈两端加交变电压，通过闭合铁芯的磁通量发生改变。由于穿过原、副线圈的磁通量变化率相同，在原、副线圈两端分别产生感应电动势E1、E2，由法拉第电磁感应定律得E1=n1∆Φ对于理想变压器，不考虑原、副线圈电压损失，则，，即U1U2=注意：变压器的电动势关系、电压关系是有效值（或最大值）间的关系。3．功率关系：对于理想变压器，不考虑能量损失，P入=P出。4．电流关系：由功率关系，当只有一个副线圈时：，得：I1I当有多个副线圈时：，得，要点三、几种常用的变压器1．自耦变压器：特点：只有一个线圈，三个抽头，可升压，也可降压。2．调压变压器：特点：属于自耦变压器，但电压可连续调节。3．互感器：使用互感器时，一定要将互感器的外壳和副线圈接地。①电压互感器：高电压变为低电压。用处：测量交流高电压，并联在电路中。如图甲。②电流互感器：大电流变为小电流。用处：测量交流大电流，串联在电路中。如图乙。①电压互感器：高电压变为低电压。用处：测量交流高电压，并联在电路中。如图甲。②电流互感器：大电流变为小电流。用处：测量交流大电流，串联在电路中。如图乙。要点四、理想变压器各物理量变化的决定因素如图所示，当理想变压器的原、副线圈的匝数不变时，如果变压器的负载发生变化，要确定其他物理量变化，可依据下列原则：（1）输入电压如图所示，当理想变压器的原、副线圈的匝数不变时，如果变压器的负载发生变化，要确定其他物理量变化，可依据下列原则：（1）输入电压决定输出电压。（2）输出电流决定输入电流。（3）输出功率决定输入功率。要点五、含有变压器的动态电路分析一要符合变压器的基本规律（电压、电流、功率关系）；二要遵循欧姆定律。（1）原、副线圈匝数比不变，分析原、副线圈的电压，电流，输出和输入功率随负载电阻变化而变化的情况。将变压器接到交流电源上，原线圈的输入电压为、输出电压U1、U2为定值，流过副线圈的电流I2随负载电阻的减小而增大，变压器输出功率P2也随着增大，不计变压器损失的能量，则变压器输入功率P1也增大，流过原线圈的电流I1也增大。进行动态分析的顺序是。（2）负载不变，上述物理量随原线圈、副线圈匝数比的变化而变化的情况：一般情况下，我们认为原线圈输入电压U1和匝数n1不变，当副线圈匝数n2增大时，副线圈两端电压U2增大，流过副线圈的电流I2增大，变压器输出功率P2增大，则理想变压器的输入功率P1增大，流过原线圈的电流增大。【典型例题】2类型一、变压器的原理例1、如图，一理想变压器原线圈的匝数n1＝1100匝，副线圈的匝数n2＝220匝，交流电源的电压，R为负载电阻，电压表、电流表均为理想电表，则下列说法中正确的是()A、交流电的频率为100HzB、电压表的示数为44VA、交流电的频率为100HzB、电压表的示数为44VC、电流表A1的示数大于电流表A2的示数D、变压器的输入功率大于输出功率类型二、理想变压器中的电压、电流和功率关系例2、一理想变压器原副线圈的匝数比为n例2、一理想变压器原副线圈的匝数比为n1:n2=1:2，电源电压U=2202sinωt(V)，原线圈电路中接入一熔断电流I0=1AA、B、C、D、举一反三【变式1】【变式1】如图，理想变压器的端加上某一交流电压（电压有效值保持不变），副线圈端所接灯泡恰好正常发光。此时滑线变阻器的滑片于图示位置。现将滑片下移(导线电阻不计)，则以下说法中正确的是（）A、灯仍能正常发光，原线圈输入电流变小B、灯不能正常发光，原线圈输入功率变大C、灯不能正常发光，原线圈输入电压变大D、灯仍能正常发光，原线圈输入功率不变【变式2】【变式2】如图，理想变压器原、副线圈匝数之比为20:1，两个标有“12V，6W”的小灯泡并联在副线圈的两端。当两灯泡都正常工作时，原线圈电路中电压表和电流表（可视为理想的）的示数分别是（）A、120V，0.10AB、240V，0.025AC、120V，0.05AD、240V，0.05A【变式3】【变式3】如图所示，理想变压器原线圈输入交变电流i=Imsinωt，副线圈接有一电流表和负载电阻R，电流表的示数为0.10A。在tA、B、C、D、类型三、理想变压器各物理量的动态分析例3例3右图，为一理想自耦变压器，当它们的滑片向方向移动时，和保持不变，电压表读数将________，电流表的读数将________；若的位置不动，变阻器滑片向上滑动时，电压表的读数将________，电流表的读数将________。（填“变大”“变小”或“不变”，表示滑动变阻器的总电阻）举一反三【变式】【变式】调压变压器是一种自耦变压器，它的构造如图所示．线圈绕在一个圆环形的铁芯上．间加上正弦交流电压，移动滑动触头的位置，就可以调节输出电压．在输出端连接了滑动变阻器和理想交流电流表，变阻器的滑动触头为．则（）A、保持P的位置不动，将Q向下移动时，电流表的读数变大B、保持P的位置不动，将Q向下移动时，电流表的读数变小C、保持Q的位置不动，将P沿逆时针方向移动时，电流表的读数变大D、保持Q的位置不动，将P沿逆时针方向移动时，电流表的读数变小电能的输送及应用【要点梳理】3要点一、输电导线上的电功率损失1．损失电能的分析：设输送电功率：P，输电电压：U，输电线的总长度：L，横截面积：S，电阻率：ρ，则输电线上的功率损失可表示为。2．输送电能的基本要求（1）可靠：保证供电线路正常工作。（2）保质：保证供电质量——电压、频率要稳定。（3，经济：线路建设和运行的费用低——能耗少、电价低。3．减小输电线上功率损失的方法（1）减小输电线的电阻：①减小输电线长度：不现实。②减小电阻率：目前一般用电阻率较小的铜或铝作导线材料。③增大导线的横截面积：成本高，难度大。（2）减小输电电流，①减小输送功率P：不现实。②提高输电电压U：在P、R一定时，输电电压提高n倍，功率损失降为1n采用高压输电是减小输电线上功率损失最有效、最经济的措施。要点二、输电线上的电压损失1．电压损失：输电导线有电阻，电流通过输电导线时，会在导线上产生电势降落，致使输电线路末端的电压比起始端电压输电导线有电阻，电流通过输电导线时，会在导线上产生电势降落，致使输电线路末端的电压比起始端电压低，差值称为输电线路上的电压损失。2．造成电压损失的因素（1）输电线有电阻造成电压损失。（2）输电线的感抗和容抗造成电压损失。要点诠释：高中阶段在计算中只考虑输电线电阻所造成的电压损失。3．减少输电线路上电压损失的方法（1）减小输电线路电阻用增大输电导线横截面积来减小电阻，对低压照明电路有效，在高压线路中，因容抗和感抗造成的电压损失比电阻造成的还要大，故这种方法对高压输电效果不佳。（2）减小输电电流因为，在输送电功率一定的前提下，提高输电电压是有效措施。高压输电既能减小功率损失，也能减小电压损失，但在实际输送电能时，还需综合考虑各种因素，依照不同的情况，选择合适的输电电压。要点三、远距离输电的基本电路要点四、远距离高压输电问题的处理方法1．有关远距离输电问题，应首先画出电路图，并将已知量和待求量写在电路图的相应位置。2．以变压器为界将输电电路划分为几个独立的回路，每个回路都可以用欧姆定律、串并联电路的特点和电功、电功率的公式等进行计算，联系各回路的桥梁是原、副线圈电压、电流与匝数的关系及输入功率和输出功率的关系。3．高压输电的几个基本关系式（1）功率关系：（2）电压、电流关系：，（3）输电电流：（4）输电导线上损耗的电功率：思考：用高压送电，电压是否越高越好并不是电压越高越好，因为电压升高，导线会对空气放电，这就对导线的绝缘性能提出了更高的要求，另外高压送电对变压器也提出了更高的要求，因此输电电压也不是越高越好。在实际输电过程中输电电压要根据输送功率的大小、距离的远近、技术和经济各方面因素综合考虑。【典型例题】3类型一、远距离输电的定性问题分析例1、下图为远距离输电线路的示意图，若发电机的输出电压不变，则下列叙述中正确的是（）A、升压变压器的原线圈中的电流与用户用电设备的功率无关B、输电线中的电流只由升压变压器原、副线圈的匝数比决定C、当用户用电器的总电阻减少时，输电线上损失的功率增大D、升压变压器的输出电压等于降压变压器的输入电压类型二、远距离输电的应用例2、有一台内阻为的发电机，供给一个学校照明用电，如图所示，升压变压器的匝数比为，降压变压器的匝数比为，输电线的总电阻。全校共个班，每班有的灯盏，若保证全部电灯正常发光，则：（1）发电机输出功率多大？（2）发电机的电动势多大？（3）输出效率是多少？（4）若使用灯数减半并正常发光，发电机输出功率是否减半？举一反三【变式】如图，甲是远距离输电线路的示意图，乙是发电机输出电压随时间变化的图像，则（）【变式】如图，甲是远距离输电线路的示意图，乙是发电机输出电压随时间变化的图像，则（）A、用户用电器上交流电的频率是100HzB、发电机输出交流电的电压有效值是500VC、输电线的电流只由降压变压器原副线圈的匝数比决定D、当用户用电器的总电阻增大时，输电线上损失的功率减小【巩固练习】1一、选择题1、如图所示，平行板电容器与灯泡串联，接在交流电源上，灯泡正常发光，则下列说法中正确的是（）A、把电介质插入电容器，灯泡一定变亮B、把电容器两极板间距离增大，灯泡一定变亮A、把电介质插入电容器，灯泡一定变亮B、把电容器两极板间距离增大，灯泡一定变亮C、把电容器两极板间距离增大，灯泡一定变暗D、使交变电流频率增大，灯泡变暗2、直流电源的电压与交流电压的有效值相同，电感线圈的直流电阻不计，则灯泡发光最亮的图是（）3、下列说法中正确的是（）A、电感对交流的阻碍作用是因为电感存在电阻B、电容对交流的阻碍作用是因为电容器的电阻C、感抗、容抗和电阻一样，电流通过它们做功时都是电能转化为内能D、在交变电路中，电阻、感抗、容抗可以同时存在【巩固练习】2一、选择题1、1、如图，理想变压器原、副线圈匝数比n1∶n2＝2∶1，eq\o\ac(○,V)和eq\o\ac(○,A)均为理想电表，灯泡电阻RL＝6Ω，AB端电压u1=122sin100πt(V)。下列说法正确的是()A、电流频率为100HzB、eq\o\ac(○,V)的读数为24VC、eq\o\ac(○,A)的读数为0.5AD、变压器输入功率为6W2、如图所示，甲、乙是配电房中的互感器和电表的接线图，下列说法中正确的是（）2、如图所示，甲、乙是配电房中的互感器和电表的接线图，下列说法中正确的是（）A、线圈匝数n1＜n2，n3＜n4B、线圈匝数n1＞n2，n3＜n4C、甲图中的电表是电压表，输出端不可以短路D、乙图中的电表是电流表，输出端不可以断路3、用理想变压器给负载供电，变压器输入电压不变，如图所示，如果负载电阻的滑片向上移动，则关于图中所有交流电表的读数及输入功率的变化情况的描述正确的是3、用理想变压器给负载供电，变压器输入电压不变，如图所示，如果负载电阻的滑片向上移动，则关于图中所有交流电表的读数及输入功率的变化情况的描述正确的是（）A、V1、V2不变，A1增大、A2减小，P增大B、V1、V2不变，A1、A2增大，P增大C、V1、V2不变，A1、A2减小，P减小D、V1不变，V2增大，A1减小，A2增大，P减小4、在右图两电路中，当a、b两端与e、f两端分别加上220V的交流电压时，测得c、d间与g、h间的电压均为110V；若分别在c、d与g、h的两端加上110V的交流电压，则a、b间与e、f间的电压分别为（）4、在右图两电路中，当a、b两端与e、f两端分别加上220V的交流电压时，测得c、d间与g、h间的电压均为110V；若分别在c、d与g、h的两端加上110V的交流电压，则a、b间与e、f间的电压分别为（）A、220V，220VB、220V，110VC、110V，110VD、220V，05、如图所示的电路中，变压器是理想变压器。原线圈匝数n1=600匝，装有0.5A的保险丝，副线圈的匝数n2=120匝，要使这个电路正常工作，当原线圈接在180V的正弦交变电源上时，下列判断中正确的是（）A、副线圈可接耐压值为36V的电容器B、副线圈可接“36V40W”的电灯两盏A、副线圈可接耐压值为36V的电容器B、副线圈可接“36V40W”的电灯两盏C、副线圈可接电阻为14Ω的电烙铁D、副线圈可以串联