2.3探究电阻、电感和电容的作用 学案（2020年沪科版高中物理选修3-2）

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1、2.3 探究电阻探究电阻、电感和电容的作用电感和电容的作用 学科素养与目标要求 物理观念：1.了解电阻器对交变电流的阻碍作用.2.了解电感器和电容器对交变电流的阻碍和 导通作用.3.建立感抗和容抗的概念，知道其物理意义及影响因素. 科学探究：通过观察演示实验的现象归纳出电阻器、电感器和电容器对交变电流的作用. 科学态度与责任：在利用科学知识解释实验现象的过程中，逐步培养学生大胆提出科学猜想 的精神. 一、电阻器对交变电流的作用 阅读教材相关内容，结合图 1 回答下列问题(A、B 是规格相同的灯泡)： 图 1 (1)当开关 S 扳向交流电源时，两只灯泡的亮度是否相同？这说明什么问题？ (2)把开

2、关 S 扳向直流电源和交流电源， 比较这两种情况下灯泡 A 的亮度有没有变化， 这又说 明什么问题？ 答案 (1)B 比 A 更亮些，这说明电阻器对交流电有阻碍作用. (2)开关 S 扳向直流电源和交流电源， 两种情况下灯泡 A 的亮度相同， 这说明电阻器对交流的 阻碍作用跟对直流的阻碍作用相同. 要点总结 1.电阻器对交变电流和直流电的阻碍作用是相同的. 2.在交流电路中，电阻定律和欧姆定律都成立. 二、电感器对交变电流的作用 如图 2 所示，把带铁心的线圈 L 与小灯泡串联起来，先把它们接到直流电源上，再把它们接 到交流电源上，取直流电源的电压与交流电压的有效值相等. 图 2 (1)对比两

3、种情况下灯泡的亮度有什么不同？说明了什么？ (2)乙图中换用自感系数更大的线圈或调换频率更高的交流电源，灯泡的亮度有何变化？说明 了什么？ 答案 (1)甲图中灯泡比乙图中灯泡更亮，说明电感器对交变电流有阻碍作用. (2)不论是换用自感系数更大的线圈还是调换频率更高的交流电源，灯泡均变得更暗，说明线 圈的自感系数越大，交流电的频率越高，线圈对交流电的阻碍作用越大. 要点总结 1.感抗：电感器对交变电流的阻碍作用的大小. 2.电感器的感抗是由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. 3.电感器对交变电流的阻碍作用的大小用感抗 XL表示，XL2fL.所以感抗的两个决定因

4、素： (1)电感器的电感量(自感系数)； (2)交变电流的频率. 4.电感器在电路中的作用 (1)通直流，阻交流；(2)通低频，阻高频. 例 1 (多选)如图 3 所示实验电路中，若直流电压和交流电压的有效值相等，S 为双刀双掷 开关，下面叙述正确的是( ) 图 3 A.当 S 掷向 a、b 时灯较亮，掷向 c、d 时灯较暗 B.当 S 掷向 a、b 时灯较暗，掷向 c、d 时灯较亮 C.S 掷向 c、d，把电感线圈中的铁心抽出时灯变亮 D.S 掷向 c、d，电源电压不变，而使频率减小时，灯变暗 答案 AC 解析 线圈对恒定电流无感抗，对交变电流有感抗，当交流电频率减小时，感抗变小，灯变 亮，

5、并且是有铁心时感抗更大，故铁心抽出时灯变亮. 三、电容器对交变电流的作用 如图 4 甲、乙所示，把灯泡和电容器串联起来，先把它们接到直流电源上，再把它们接到交 流电源上，观察灯泡的发光情况. 图 4 (1)分析电容器能通交流的原因. (2)若把图乙中的电容器去掉，变成图丙所示电路，会发生什么现象？说明了什么？ (3)在图乙中，改变电容器的电容和电源频率，灯泡亮度会有什么变化？ 答案 (1)把交流电源接到电容器两个极板上后，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，电荷 从极板上流出，在电路中形成放电电流.电容器交替进行充

6、电和放电，电路中就有了电流，好 像是交流“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)灯泡变得比乙中亮，说明电容器对交变电流有阻碍作用. (3)电容变大时，灯泡变亮；频率增大时，灯泡变亮. 要点总结 1.容抗：电容器对交变电流的阻碍作用的大小. 2.电容器对交变电流的阻碍作用： 电源电压推动自由电荷定向移动时，电容器极板上积累的电荷会阻碍自由电荷向此方向做定 向运动，这就产生了电容器对交变电流的阻碍作用. 3.电容器对交变电流的阻碍作用的大小用容抗 XC表示， XC 1 2fC， 所以决定容抗的两个因素： (1)电容器的电容量；(2)交变电流的频率. 4.电容器

7、能通交变电流，并不是电荷真的穿过了电容器. 5.电容器在电路中的作用： 通交流，隔直流，通高频，阻低频. 例 2 (多选)如图 5 所示，接在交流电源上的灯泡正常发光，以下说法正确的是 ( ) 图 5 A.把电介质插入电容器，灯泡变亮 B.增大电容器两极板间的距离，灯泡变亮 C.减小电容器两极板间的正对面积，灯泡变暗 D.使交变电流频率减小，灯泡变暗 答案 ACD 解析 把电介质插入电容器，电容变大，容抗变小，电容器对交变电流阻碍作用变小，所以 灯泡变亮，故 A 正确；增大电容器两极板间的距离，电容变小，电容器对交变电流阻碍作用 变大，所以灯泡变暗，故 B 错误；减小电容器两极板间的正对面积，

8、电容变小，灯泡变暗， 故 C 正确；使交变电流频率减小，电容器对交变电流阻碍作用变大，灯泡变暗，故 D 正确. 四、电阻、感抗、容抗的对比 1.容抗的大小除了与电容自身的性质有关， 还与交变电流的频率有关.频率越高， 容抗越小.(选 填“大”或“小”) 2.感抗的大小除了与电感线圈自身的性质有关外，还与交变电流的频率有关，频率越高，感 抗越大.(选填“大”或“小”) 3.电阻无论对直流还是交流，阻碍作用相同，只取决于电阻本身. 例 3 (多选)(2017 成都市高二检测)如图 6 所示的电路中，A、B、C 三灯亮度相同，电源为 220 V、50 Hz 的交流电源，以下叙述中正确的是( ) 图

9、6 A.改接 220 V、100 Hz 的交流电源时，A 灯变亮，B 灯变暗，C 灯亮度不变 B.改接 220 V、100 Hz 的交流电源时，A 灯变暗，B 灯变亮，C 灯变亮 C.改接 220 V 的直流电源时，A 灯熄灭，B 灯变亮，C 灯亮度不变 D.改接 220 V 的直流电源时，A 灯熄灭，B 灯变亮，C 灯变暗 答案 AC 解析 增加交流电源的频率时，感抗增大，容抗减小，电阻的阻碍作用不变，故 A 灯变亮， B 灯变暗，C 灯亮度不变，故 A 正确，B 错误；改接直流电源时，电容器相当于断路，A 灯 熄灭，线圈无感抗，B 灯更亮，电阻 R 阻碍作用不变，C 灯亮度不变，故 C 正

10、确，D 错误. 提示 在分析电流变化时，把感抗、容抗类比于导体的电阻，再用欧姆定律分析. 学科素养 通过例 3 进一步建立了感抗和容抗的概念；知道电阻、电感器、电容器在直流 电路和交流电路中的作用：1.电阻对交流、直流有相同的阻碍作用，交流频率变化时，阻碍 作用不变.2.电容器通交流、隔直流，通高频、阻低频.3.电感器通直流、阻交流，通低频、阻 高频.通过这样的提炼和升华，很好地体现了“物理观念”的学科素养. 1.(感抗的理解)(多选)在如图 7 所示的电路中，L 为电感线圈，灯泡的电阻值为 R，电流表内 阻为零，电压表内阻无限大，交流电源的电压 u220 2sin (100t) V.若保持电

11、压的有效值不 变，只将电源频率改为 100 Hz，下列说法正确的是( ) 图 7 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 由 u220 2sin (100t) V， 可得电源原来的频率 f 2 100 2 Hz50 Hz， 当电源频率 由原来的 50 Hz 增为 100 Hz 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；灯泡的电阻值 R 是一定的，电流减小时，灯泡实际消耗的电功率(PI2R)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 UL，设 灯泡两端电压为 UR，

12、则电源电压的有效值为 UULUR，因 URIR，故电流 I 减小时，UR 减小，因电源电压的有效值保持不变，故 ULUUR增大，选项 B 正确. 2.(容抗的理解)如图 8 所示的电路，F 为一交流发电机，C 为平行板电容器，为使电流表 A 的 示数增大，可行的办法是 ( ) 图 8 A.使发电机 F 的转速增大 B.使发电机 F 的转速减小 C.在平行板电容器间换用相对介电常数较小的电介质 D.使电容器两极板间的距离增大 答案 A 解析 当发电机转速增大时， 交变电流的频率增大， 电容器容抗减小， 电流表 A 的示数增大， A 项正确，B 项错误；在平行板电容器间换用相对介电常数较小的电介质

13、时，电容器的电容 减小，电容器两极板间距离增大时电容也减小，当电容减小时，容抗增大，对交变电流的阻 碍作用增大，电流表 A 的示数减小，C、D 项错误. 3.(电阻、感抗、容抗的对比)(2018 抚顺市六校高二下期末)在一小型交流发电机中，矩形金属 线圈 abcd 的面积为 S，匝数为 n，线圈总电阻为 r，外电路如图 9 所示，其中三个灯泡都可 视为阻值相等的定值电阻，如果线圈在磁感应强度大小为 B 的匀强磁场中绕垂直于磁场的 OO轴匀速转动，角速度为 时灯泡 L1最亮，灯泡 L2、L3一样亮，现将线圈转动的角速度 增大到 2，则下列说法中正确的是( ) 图 9 A.灯泡 L1最亮，灯泡 L

14、3次之，L2最暗 B.灯泡 L1最亮，灯泡 L2次之，L3最暗 C.灯泡 L1最亮，灯泡 L2、L3一样亮 D.灯泡 L3最亮，灯泡 L1次之，L2最暗 答案 A 解析 当线圈转动的角速度变大时，感应电动势的最大值变大，交流电的频率变大，则电感 线圈对交流电的感抗增大，电容器对交流电的容抗减小，灯泡 L1最亮，灯泡 L3次之，L2最 暗，A 正确. 4.(电阻、感抗、容抗的对比)(多选)如图 10 所示的电路中，a、b 两端连接的交流电源中既含 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，下列说法正确的是( ) 图 10

15、A.L 的作用是“通低频，阻高频” B.C 的作用是“通低频，隔高频” C.C 的作用是“通高频，阻低频” D.通过 R 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 因为电感器 L 是一个高频扼流圈，“通低频，阻高频”，选项 A 正确；C 是一个电容 较小的电容器，所以对低频的交流容抗较大，选项 C 正确，B 错误；根据分析可知通过电阻 R 的电流中，低频交流所占百分比远远大于高频交流所占的百分比，选项 D 正确. 5.(对容抗的理解)如图 11 所示，电路由交流电源供电，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( ) 图 11 A.

16、电容器上的电荷量最大值增大 B.电容器的容抗增大 C.电路中灯泡的亮度变亮 D.电路中灯泡的亮度变暗 答案 C 解析 当交变电流的频率升高时，电容器的容抗减小，灯泡的亮度变亮，灯泡两端的电压变 大，故选项C 正确，选项B、D 错误；电容器两端的电压减小，由QCU 可知，选项 A 错误. 6.(对感抗的理解)(多选)如图 12 所示，图甲、乙中电源为交流电源，图丙中电源为直流电源， 各电路中线圈自感系数相同且直流电阻不计，各电压表示数相同，下列说法正确的是( ) 图 12 A.灯 L1比灯 L2亮 B.灯 L3比灯 L1亮 C.灯 L2与灯 L3一样亮 D.灯 L1与灯 L3一样亮 答案 BC 解析 题图甲中电源电压 UU1UL1，线圈对交流有阻碍作用，相当于串联了一个电阻，根 据电阻的分压作用可知 U10，灯泡两端电压 UL1U；题图乙中线圈与灯泡并联，相当于灯 泡与一个电阻并联，并联电路中各支路的电压相同，灯泡电压 UL2U；题图丙中，线圈对直 流电没有阻碍作用，线圈就像一根没有电阻的导线，灯泡电压 UL3U，故 UL1UL2UL3， 即 L2与 L3一样亮且都比 L1亮，B、C 正确，A、D 错误.