2022年高中物理 第二章 交變電流 第四、五節(jié) 電感器對(duì)交變電流的作用電容器對(duì)交變電流的作用講義（含解析）粵教版選修3-2

2022年高中物理 第二章 交變電流 第四、五節(jié) 電感器對(duì)交變電流的作用電容器對(duì)交變電流的作用講義（含解析）粵教版選修3-21電感器對(duì)恒定電流是導(dǎo)通的，對(duì)交變電流有阻礙作用，交變電流的頻率越高，電感器對(duì)交變電流的阻礙作用就越大。2低頻扼流圈能夠“通直流、阻交流”；高頻扼流圈能夠“通直流、通低頻、阻高頻”。3電容器具有“隔直流，通交流”的特性。4電容器對(duì)交變電流也有一定的阻礙作用，電容越大，交變電流頻率越高，阻礙作用越小。一、電感器對(duì)交變電流的作用1電感器(1)構(gòu)成：由絕緣導(dǎo)線一圈緊靠一圈地繞制而成。(2)符號(hào)：在電路中，電感器用字母“L”及電路符號(hào)“ ”表示。2電感器對(duì)交變電流的作用(1)現(xiàn)象：電感器對(duì)恒定電流是導(dǎo)通的，對(duì)交變電流有阻礙的作用。(2)原因：由于線圈的自感作用產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，阻礙電流的變化。(3)影響因素：電感器的自感系數(shù)越大，阻礙作用越大；交變電流的頻率越高，阻礙作用越大。(4)應(yīng)用：低頻扼流圈：通直流，阻交流。高頻扼流圈：通直流，通低頻，阻高頻。二、電容器對(duì)交變電流的作用1特性隔直流，通交流。2原因(1)恒定電流不能通過(guò)電容器，是因?yàn)殡娙萜鞯膬蓚€(gè)極板被絕緣介質(zhì)隔開(kāi)了。(2)交變電流能夠通過(guò)電容器，是由于兩極板間的電壓在變化。電容器交替進(jìn)行充電和放電，就好像交變電流“通過(guò)”了電容器。3影響電容器對(duì)交變電流阻礙作用的因素(1)電容器的電容越大，阻礙作用越小。(2)交變電流的頻率越高，阻礙作用越小。4應(yīng)用(1)隔直電容器：通交流，隔直流。(2)高頻旁路電容器：通高頻、阻低頻。1自主思考判一判(1)電感線圈對(duì)交變電流有阻礙作用。()(2)低頻扼流圈只能阻礙低頻交變電流，不能阻礙高頻交變電流。(×)(3)電感線圈中通入交變電流后，交變電流的瞬時(shí)值為0的瞬間，線圈仍然對(duì)交變電流有阻礙作用。()(4)直流電不能通過(guò)電容器。()(5)交變電流“通過(guò)”電容器的實(shí)質(zhì)是電容器不斷充電放電，并不是真正流過(guò)電容器。()(6)交變電流的電流值越大，越容易通過(guò)電容器，與交變電流的頻率無(wú)關(guān)。(×)2合作探究議一議(1)為什么電感器對(duì)交變電流有阻礙作用？提示：交變電流通過(guò)線圈(電感器)時(shí)，電流時(shí)刻在變化，由于線圈的自感現(xiàn)象，必然產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)阻礙電流的變化，就形成了電感器對(duì)交變電流的阻礙作用。(2)電容器兩極板之間是絕緣介質(zhì)，它阻隔導(dǎo)體中自由電子的通過(guò)，為什么交變電流能通過(guò)電容器呢？提示：電流是由電荷的定向移動(dòng)形成的，把交流電源接到電容器的兩個(gè)極板上后，當(dāng)電源電壓升高時(shí)，電源給電容器充電，電荷向電容器極板上聚集，在電路中形成充電電流；當(dāng)電源電壓降低時(shí)，電容器放電，原來(lái)聚集在極板上的電荷又放出，在電路中形成放電電流。電容器交替地進(jìn)行充電和放電，電路中就形成了電流，好像是交流“通過(guò)”了電容器(實(shí)際上自由電荷并沒(méi)有通過(guò)電容器兩極板間的絕緣介質(zhì))。(3)電容器對(duì)交變電流為什么有阻礙作用？提示：因?yàn)橥N電荷相互排斥，當(dāng)電容器充電時(shí)，已經(jīng)到達(dá)電容器極板上的電荷對(duì)后來(lái)流向極板的電荷有阻礙作用，所以電容器對(duì)交變電流有阻礙作用。對(duì)電感器和電容器的理解電感和電容對(duì)交變電流的阻礙作用的大小不但跟電感、電容有關(guān)，還跟交流電的頻率有關(guān)。它們之間的關(guān)系可以簡(jiǎn)單概括為：電感：“通直流、阻交流，通低頻、阻高頻”，感抗公式：XL2fL(公式僅作了解)。電容：“通交流、隔直流，通高頻、阻低頻”，容抗公式：XC(公式僅作了解)。1如圖2­4­1所示，交流電源的電壓有效值跟直流電源的電壓相等，當(dāng)將雙刀雙擲開(kāi)關(guān)接到直流電源上時(shí)，燈泡的實(shí)際功率為P1，而將雙刀雙擲開(kāi)關(guān)接到交流電源上時(shí)，燈泡的實(shí)際功率為P2，則()圖2­4­1AP1P2BP1>P2CP1<P2 D不能比較解析：選B接在直流電源上，線圈對(duì)直流沒(méi)有阻礙作用，這時(shí)通過(guò)燈泡的電流大，功率大；而當(dāng)雙刀雙擲開(kāi)關(guān)接在交流電源上時(shí)，線圈對(duì)交流有阻礙作用，這時(shí)通過(guò)燈泡的電流小，功率小。因此，P1>P2。B正確。2如圖2­4­2所示，白熾燈和電容器串聯(lián)后接在交流電源的兩端，當(dāng)交流電源的頻率增加時(shí)()圖2­4­2A電容器電容增大B電容器電容減小C電燈變暗D電燈變亮解析：選D電容器的電容是由電容器本身的特性所決定的，與外加的交流電源的頻率無(wú)關(guān)，故選項(xiàng)A和B是錯(cuò)誤的。當(dāng)交流電源的頻率增大時(shí)，電容器充、放電的過(guò)程加快，電容器的容抗減小，電流增大，電燈變亮，故選項(xiàng)C錯(cuò)誤，D正確。3(多選)在如圖2­4­3所示的電路中，L為電感線圈，R為燈泡的電阻，電流表內(nèi)阻為零，電壓表內(nèi)阻無(wú)限大，交流電源的電壓u220sin 100t V。若保持電源電壓有效值不變，只將電源頻率改為100 Hz，下列說(shuō)法正確的有()圖2­4­3A電流表示數(shù)增大 B電壓表示數(shù)增大C燈泡變暗 D燈泡變亮解析：選BC由u220sin 100t V，可得電源原來(lái)的頻率為f Hz50 Hz。當(dāng)電源頻率由原來(lái)的50 Hz增為100 Hz時(shí)，線圈的感抗增大；在電壓不變的情況下，電路中的電流減小，選項(xiàng)A錯(cuò)誤。燈泡的電阻R是一定的，電流減小時(shí)，實(shí)際消耗的電功率(PI2R)減小，燈泡變暗，選項(xiàng)C正確，D錯(cuò)誤。電壓表與電感線圈并聯(lián)，其示數(shù)為線圈兩端的電壓UL；設(shè)燈泡兩端電壓為UR，則電源電壓的有效值為UULUR，因URIR，電流I減小時(shí)，UR減小，因電源電壓有效值保持不變，故UL(UUR)增大，選項(xiàng)B正確。電阻、感抗、容抗的比較電阻感抗容抗產(chǎn)生原因定向移動(dòng)的自由電荷與不動(dòng)的離子間的碰撞由于電感線圈的自感現(xiàn)象阻礙電流的變化電容器兩極板上積累的電荷對(duì)向這個(gè)方向定向移動(dòng)的電荷的反抗作用在電路中特點(diǎn)對(duì)直流、交流均有阻礙作用阻交流通直流阻高頻通低頻隔直流通交流阻低頻通高頻決定因素由導(dǎo)體本身(長(zhǎng)短、粗細(xì)、材料)決定，與溫度有關(guān)由線圈本身的自感系數(shù)和交流電的頻率f決定由電容的大小和交流電的頻率f決定電能的轉(zhuǎn)化電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能電能和磁場(chǎng)能往復(fù)轉(zhuǎn)化電能與電場(chǎng)能往復(fù)轉(zhuǎn)化典例如圖2­4­4所示的電路中，交流電的有效值不變，如果交流電的頻率增大，三盞電燈的亮度將如何改變？為什么？圖2­4­4解析當(dāng)交變電流的頻率增大時(shí)，線圈對(duì)交變電流的阻礙作用增大，通過(guò)燈泡L1的電流將減小，所以燈泡L1的亮度將變暗；而電容器對(duì)交變電流的阻礙作用隨交變電流頻率的增大而減小，即流過(guò)燈泡L2的電流增大，所以燈泡L2的亮度將變亮；由于電阻的大小與交變電流的頻率無(wú)關(guān)，流過(guò)燈泡L3的電流不變，因此其亮度不變。答案見(jiàn)解析(1)電阻的大小與交變電流的頻率無(wú)關(guān)。(2)感抗的大小隨交變電流頻率的增大而增大。(3)容抗的大小隨交變電流頻率的增大而減小。 1(多選)在頻率為f的交變電流電路中，如圖2­4­5所示，當(dāng)開(kāi)關(guān)S依次分別接通R、C、L支路，這時(shí)通過(guò)各支路的電流有效值相等。若將交變電流的頻率提高到2f，維持其他條件不變，則下列幾種情況可能的是()圖2­4­5A通過(guò)R的電流有效值不變B通過(guò)C的電流有效值變大C通過(guò)L的電流有效值減小D通過(guò)R、C、L的電流有效值都不變解析：選ABC電阻對(duì)交變電流的阻礙作用即電阻大小，與電流的頻率無(wú)關(guān)，因此通過(guò)電阻的電流有效值不變，A對(duì)；電感對(duì)交變電流的阻礙作用感抗隨交變電流頻率變大而變大，通過(guò)L的電流有效值減小，C對(duì)；電容的容抗隨交變電流頻率變大而變小，通過(guò)C的有效值變大，B對(duì)，D錯(cuò)。2如圖2­4­6所示，三個(gè)燈泡相同，而且足夠耐壓，電源內(nèi)阻忽略。單刀雙擲開(kāi)關(guān)S接A時(shí)，三個(gè)燈亮度相同，那么S接B時(shí)()圖2­4­6A三個(gè)燈亮度相同B甲燈最亮，丙燈不亮C甲燈和乙燈亮度相同，丙燈不亮D只有丙燈不亮，乙燈最亮解析：選D開(kāi)關(guān)S接A時(shí)，甲、乙、丙三個(gè)支路均有交流電通過(guò)。開(kāi)關(guān)S接B時(shí)，電路處于直流工作狀態(tài)，電容器C“隔直流、通交流”；電感線圈L“阻交流、通直流”；R對(duì)交流和直流有相同的阻抗。可判斷此時(shí)電路中I丙0，I甲不變，I乙增大；又因?yàn)闊襞萘炼扰c電功率(PI2R)成正比，所以只有丙燈不亮，乙燈最亮。電感和電容的綜合應(yīng)用典例如圖2­4­7所示， 線圈的自感系數(shù)L和電容器的電容C都很小(如L1 mH，C200 pF)，此電路的重要作用是()圖2­4­7A阻直流通交流，輸出交流B阻交流通直流，輸出直流C阻低頻通高頻，輸出高頻交流D阻高頻通低頻，輸出低頻交流和直流思路點(diǎn)撥解答本題時(shí)，應(yīng)把握以下兩點(diǎn)：(1)弄清楚電路中包含哪些元件及電路的連接方式；(2)明確電感器、電容器對(duì)交變電流的阻礙作用的特點(diǎn)。解析因線圈自感系數(shù)L很小，所以對(duì)低頻成分的阻礙作用很小，這樣直流和低頻成分能順利通過(guò)線圈，電容器并聯(lián)在電路中，起旁路作用，因電容C很小，對(duì)低頻成分的阻礙作用很大，而對(duì)部分通過(guò)線圈的高頻成分阻礙作用很小，被它旁路，最終輸出的是低頻交流和直流。答案D電感和電容的組合應(yīng)用連接方式作用能夠更好地濾掉電流中的交流成分或高頻成分能夠更好地濾掉電流中的直流成分和低頻成分1在收音機(jī)線路中，天線接收下來(lái)的電信號(hào)既有高頻成分又有低頻成分，經(jīng)放大后送給下一級(jí)，需要把低頻成分和高頻成分分開(kāi)，只讓低頻成分輸入給下一級(jí)，我們采用了如圖2­4­8裝置電路，其中代號(hào)a、b應(yīng)選擇的元件是()圖2­4­8Aa是電容較大的電容器，b是低頻扼流線圈Ba是電容較大的電容器，b是高頻扼流線圈Ca是電容較小的電容器，b是高頻扼流線圈Da是電容較小的電容器，b是低頻扼流線圈解析：選C電容器具有“通高頻、阻低頻”作用，這樣的電容器電容應(yīng)較小，故a處接電容較小的電容器。電感線圈在該電路中要求做“通低頻、阻高頻”，所以b處應(yīng)接一個(gè)高頻扼流線圈。2如圖2­4­9所示是常用電器中電源部分的濾波裝置，當(dāng)輸入端輸入含有直流成分、交流高頻成分和交流低頻成分的電流時(shí)，能在輸出端得到穩(wěn)定的直流電。試分析其工作原理及各電容器和電感器的作用。圖2­4­9解析：當(dāng)含有多種成分的電流輸入到C1兩端時(shí)，由于C1的“通交流、隔直流”的作用，電流中的交流成分被衰減，而線圈L有“通直流、阻交流”的作用，直流成分順利通過(guò)L, 一小部分交流通過(guò)L，到達(dá)C2兩端時(shí)，C2進(jìn)一步濾掉交流成分，這樣在輸出端就得到較穩(wěn)定的直流電。答案：見(jiàn)解析1一個(gè)燈泡通過(guò)一個(gè)粗導(dǎo)線的線圈與一交流電源相連接，如圖1所示。一鐵芯插進(jìn)線圈之后，該燈將()圖1A變亮B變暗C對(duì)燈沒(méi)影響D無(wú)法判斷解析：選B加入鐵芯改變了電感的自感系數(shù)，自感系數(shù)增大，感抗增大，降落的電壓增大，降落在燈上的電壓減小，所以燈變暗。2如圖2所示的電路，F(xiàn)為一交流發(fā)電機(jī)，C為平行板電容器，為使電流表A的示數(shù)增加，可行的辦法是()圖2A使發(fā)電機(jī)F的轉(zhuǎn)速增加B使發(fā)電機(jī)F的轉(zhuǎn)速減小C在平行板電容器間換用介電常數(shù)較小的電介質(zhì)D使電容器兩極板間的距離增大解析：選A當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，交變電流的頻率增大，容抗減小，電流表A的讀數(shù)增大，A項(xiàng)正確，B項(xiàng)錯(cuò)誤；在平行板電容器間換用介電常數(shù)較小的電介質(zhì)時(shí)，電容器的電容減小，使電容器兩極板間距離增大時(shí)電容也減小，當(dāng)電容減小時(shí)，容抗增大，對(duì)交變電流的阻礙作用增大，電流表A示數(shù)減小，C、D兩項(xiàng)均錯(cuò)誤。3下列說(shuō)法中錯(cuò)誤的是()A電感的感抗只由線圈自身決定B同一電感對(duì)于不同頻率的交變電流的感抗不同C電容器的容抗與電容器的電容值及交變電流的頻率都有關(guān)D同一電容器，接入不同頻率的電路中，電容器的容抗不同解析：選A電感的感抗由線圈的自感系數(shù)L和交變電流的頻率f共同決定，A錯(cuò)，B對(duì)；電容是電容器本身的特點(diǎn)，容抗由電容C和交變電流的頻率f共同決定，C、D正確。4(多選)對(duì)電容器能通過(guò)交變電流的原因，下列說(shuō)法中正確的是()A當(dāng)電容器接到交流電源上時(shí)，因?yàn)橛凶杂呻姾赏ㄟ^(guò)電容器，電路中才有交變電流B當(dāng)電容器接到交流電源上時(shí)，電容器交替進(jìn)行充電和放電，電路中才有交變電流C在有電容器的交流電路中，沒(méi)有電荷定向移動(dòng)D在有電容器的交流電路中，沒(méi)有電荷通過(guò)電容器解析：選BD直流電不能通過(guò)電容器，將電容器接在交流電路中，由于電容器上電壓改變，電容器充放電交替進(jìn)行，在電路上形成了電流，相當(dāng)于交變電流“通過(guò)”了電容器。電容器通電實(shí)質(zhì)是反復(fù)充放電來(lái)實(shí)現(xiàn)通電的，實(shí)際并無(wú)電荷通過(guò)電容器。5(多選)電感對(duì)交變電流影響的以下說(shuō)法中，正確的是()A電感對(duì)交變電流有阻礙作用B電感對(duì)交變電流阻礙作用越大，感抗就越小C電感具有“通交流、阻直流，通高頻、阻低頻”的性質(zhì)D線圈的自感系數(shù)越大，交變電流的頻率越高，電感對(duì)交變電流的阻礙作用就越大解析：選AD電感對(duì)交變電流有阻礙作用，且頻率越高阻礙作用越大。線圈自感系數(shù)越大，對(duì)相同頻率的交變電流阻礙作用越大，故A、D正確。電感有“通直流、阻交流，通低頻、阻高頻”的特點(diǎn)，故C錯(cuò)。6直流電源的電壓與交流電源電壓的有效值相同，自感線圈的直流電阻不計(jì)，則燈泡發(fā)光最亮的是()解析：選D電容C、電感L都對(duì)交流電有阻礙作用，故A、B兩圖中燈不是最亮的；C圖中燈被短路，不亮；D圖中電容C有隔直流作用，所以D中燈泡最亮。7如圖3所示的電路中，正弦交流電源電壓的有效值為220 V，則關(guān)于交流電壓表的示數(shù)，以下說(shuō)法中正確的是()圖3A等于220 VB大于220 VC小于220 V D等于零解析：選C雖然交變電流能通過(guò)電容器，但也受到阻礙作用，電容器與電阻串聯(lián)，根據(jù)分壓原理可知電阻兩端的電壓小于電源電壓，電壓表測(cè)的是電阻兩端的電壓，C正確。8某信號(hào)源中有直流成分、交流高頻成分和交流低頻成分，為使放大器僅得到交流低頻成分，電路中可行的選項(xiàng)是()解析：選D信號(hào)中含有三種成分，去掉直流成分用隔直電容即可，因此排除A、B。而C中交流高、低頻成分均進(jìn)入放大器，需加入另一旁路電容C2，所以D項(xiàng)正確。9如圖4所示，a、b兩端連接的交流電源既含高頻交流，又含低頻交流；L是一個(gè)20 mH的高頻扼流圈，C是一個(gè)100 pF的電容器，R是負(fù)載電阻。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是()圖4AL的作用是“通低頻，阻高頻”BC的作用是“隔直流，通交流”CC的作用是“通高頻，阻低頻”D通過(guò)R的電流中，低頻交流所占的百分比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高頻交流所占的百分比解析：選BL是一個(gè)自感系數(shù)很小的高頻扼流圈，其作用是“通低頻，阻高頻”，選項(xiàng)A正確。C是一個(gè)電容很小的電容器，在圖示電路中，對(duì)高頻交流的容抗遠(yuǎn)小于對(duì)低頻交流的容抗，其作用是“通高頻，阻低頻”，選項(xiàng)C正確。因電路中無(wú)直流，選項(xiàng)B錯(cuò)誤。由于L對(duì)高頻交流的阻礙作用和C對(duì)高頻交流的旁路作用，使得通過(guò)R的電流中，低頻交流所占的百分比遠(yuǎn)大于高頻交流所占的百分比，選項(xiàng)D正確。10(多選)從某一裝置輸出的交流常常既有高頻成分，又有低頻成分。如果只需要把低頻成分輸送到下一級(jí)裝置，可采用的電路是()解析：選AD由于只需將低頻成分輸送到下一級(jí)裝置，可將高頻成分分流，但低頻成分不能通過(guò)，即需要高頻旁路電容器，選項(xiàng)A正確。也可以直接阻礙高頻成分通過(guò)，即阻高頻、通低頻，可以采用高頻扼流圈，選項(xiàng)D正確。11如圖5所示的甲、乙、丙三種電路是電子技術(shù)中的常用電路，a、b是輸入端，其中高頻成分用“”表示，低頻成分用“”表示，直流成分用“”表示，則甲、乙、丙負(fù)載R上得到的電流的主要特征各是什么？圖5解析：甲：低頻成分；因電容器有隔直流作用，低頻可通過(guò)。乙：低頻成分；因電容C對(duì)高頻有旁路作用，C較小，通高頻，阻低頻。丙：直流成分；因電容C有旁路作用和隔直流作用，C越大，容抗越小， 低頻成分越容易通過(guò)旁路。答案：見(jiàn)解析12“二分頻”音箱內(nèi)有兩個(gè)不同口徑的揚(yáng)聲器，它們的固有頻率分別處于高音、低音頻段，分別稱為高音揚(yáng)聲器和低音揚(yáng)聲器。音箱要將擴(kuò)音機(jī)送來(lái)的含有不同頻率的混合音頻電流按高、低頻段分離出來(lái)，送往相應(yīng)的揚(yáng)聲器，以便使電流所攜帶的音頻信息按原比例還原成高、低頻的機(jī)械振動(dòng)。圖6所示為音箱的電路圖，高、低頻混合電流由a、b端輸入，L1和L2是線圈，C1和C2是電容器，則()圖6A甲揚(yáng)聲器是高音揚(yáng)聲器BC2的作用是阻礙低頻電流通過(guò)乙揚(yáng)聲器CL1的作用是阻礙低頻電流通過(guò)甲揚(yáng)聲器DL2的作用是減弱乙揚(yáng)聲器的高頻電流解析：選B甲揚(yáng)聲器中，L1串聯(lián)在電路中，對(duì)高頻電流的阻礙作用很大，對(duì)低頻電流的阻礙作用較??；C1并聯(lián)在電路中，對(duì)高頻電流的阻礙作用小，可以給高頻電流提供通路，使低頻電流通過(guò)甲揚(yáng)聲器傳出，所以甲為低音揚(yáng)聲器。乙揚(yáng)聲器中，C2串聯(lián)在電路中，對(duì)低頻電流的阻礙作用很大，對(duì)高頻電流的阻礙作用較小，L2并聯(lián)在電路中，對(duì)低頻電流的阻礙作用較小，可以給低頻電流提供通路，使高頻電流通過(guò)乙揚(yáng)聲器傳出，所以乙為高音揚(yáng)聲器。