“电感和电容对交变电流的影响”教学案例
根据现象进行猜想,然后经过学生的讨论分析,做出判断。将这三个元件从暗盒中拿出,分别得出1号元件为电阻、2号元件为电感线圈、3号元件为电容器。
从上面观察到的现象说明:除电阻外,电感、电容对直流和交变电流的影响程度是不同的,这是我们要来研究的问题。
二、研究电感线圈对突变电流的阻碍作用
电感对交变电流的阻碍作用的大小用感抗的大小来表示。那么,感抗的大小可能与哪些因素有关呢?
启发学生:可能与自感系数、交变电流的频率和电压等有关。
1.研究感抗与自感系数的关系
提供低压交变电流源、小灯泡、学生实验用的变压器,若干导线,要求学生设计实验,研究感抗与自感系数的定性关系。
学生互动,教师巡回指导,纠正学生的差错在此过程可能出现的问题:(1)基本的连接不会;(2)线圈的连接不会等。
请一组学生简述实验的设计思路及实验现象和由此得到的结果:将灯泡与线圈串联接入交变电流,线圈的连接分两次,一次是线圈匝数较少,另一次线圈的匝数较多,灯泡出现由亮变暗的现象,说明线圈的自感系数大时,线圈对交变电流的阻碍作用大,感抗大。
提示:线圈的自感系数在其他条件不变的情况下,匝数越多自感系数越大。
2.研究感抗与交变电流的频率的关系
如果要研究感抗与交变电流频率的关系应该如何办?──在电压不变的情况下选用变频的交变电流源,为了研究方便,我们可选信号发生器来替代。
演示3:信号发生器可以输出电压一定且不同频率的交变电流。串联好电路,保持电压不变的条件下,使输出交变电流的频率升高,观察到灯泡变暗的现象。说明:频率越高,线圈对交变电流的阻碍越大,感抗越大。
3.研究与交变电流电压的关系(将灯泡换成交变电流表)
演示4:在交变电流频率、线圈的自感系数不变的条件下,交流的电压加倍,电流加倍。可得出感抗与交变电流电压u无关。
结论:l越大感抗越大、越高感抗越大、感抗与u无关。
三、研究电容对突变电流的阻碍作用
电容对交变电流的阻碍作用用容抗来表示。从上面的研究,可以得到推论,容抗的大小可能与电容和交变电流的频率有关。
1.研究容抗与电容c的关系
学生互动:提供电容分别为150μf与200μf的电容器2只。巡回辅导学生做实验。
2.研究容抗与交变电流频率的关系
演示5:信号发生器可以输出不同频率的交变电流。串联好电路,保持电压不变的条件下,使输出交变电流的频率升高,观察到灯泡变亮的现象,说明:频率越高,电容器对交变电流的阻碍越小,容抗越小。
结论:c越大容抗越小、f越高容抗越小。
四、问题讨论
1.分析电感线圈在交直流电中的作用(学生互相议论后回答)
由于交变电流的频率越低感抗越小,而直流电的频率等于0,在直流电中电感对它的阻碍作用几乎没有。所以电感线圈有“通直流阻交流”的作用。
交变电流的频率越高,感抗越大,阻碍作用越大。所以电感有“通低频、阻高频”作用。
理论解释:
(1)电感线圈:直流电通过电感线圈时,由于电流不发生变化,电感线圈对直流电没有阻碍作用;交变电流通过电感线圈时,在线圈中要产生自感现象(自感电流总要阻碍电路中原来电流的变化),所以电感线圈对交变电流有阻碍作用。
(2)为什么线圈的自感系数越大,感抗越大?