高中物理第二章交变电流第五节电容器对交变电流的作用学案粤教版选修

第五节 电容器对交变电流的作用
容器的作用．
一、电容器仅让交变电流通过
1．实验电路
2．实验现象
电路中串有电容器时，接通稳恒直流电源，灯泡不亮；接通交流电源，灯泡亮．
3．实验结论
交变电流能够通过电容器，恒定电流不能通过电容器．
4．电容器导通交流电的实质
两极板间的电压周期性变化，使电容器反复地充电和放电，在电路中形成交变电流． 预习交流1
使用220 V 交流电源的电气设备和电子仪器，金属外壳和电源之间都有良好的绝缘，但是有时用手触摸外壳时会有“麻手”的感觉，用测电笔测试时氖管也会发光，这是为什么呢？采取什么措施可解决这一问题？
答案：与电源连接的机芯和金属外壳构成一个电容器，交变电流能够通过这个电容器，也就是说机芯、外壳间始终在进行着充放电，所以能感觉到“漏电”．解决方案就是金属外壳接地，其实现在生产的电气设备都增加了接地线．
二、电容器对交变电流的作用
1．实验探究
（1）实验电路：如图
（2）探究过程：
①闭合S 和S′，改变交流电的频率、电压，观察两个灯泡D 和D′的发光情况． ②断开S′，使交流电的电压不变，频率变化时，观察灯泡D 的亮度变化．
③断开S′，交流电的电压、频率不变，改变电容器的电容，观察灯泡的亮度变化．
（3）实验结论：电容器对交流电有阻碍作用，且其阻碍作用的大小与交流电的频率和电容器的电容有关．
2．容抗
电容器对交流电的阻碍作用．
3．影响容抗大小的因素
电容器的电容越小，容抗越大；交流电频率越低，容抗越大．
预习交流2
电容器对交流电的阻碍作用同电阻对电流的阻碍作用相同吗？电容器对交流电的阻碍作用与电容器对直流电的阻碍作用相同吗？
答案：均不相同．
电阻对电流的阻碍作用与电阻内的自由电荷或导电离子的热运动有关．电容器对直流电为完全的阻隔，不能通过；电容器对交流电的阻碍作用表现为容抗，电容器具有容抗是由于极板充电带有电荷后，会产生阻碍电流的反向电压，从而对继续充电过程产生阻碍作用．
三、隔直电容器和高频旁路电容器
1．隔直电容器
只让交流信号通过而直流成分不能通过，如下图甲所示．
2．旁路电容器
低频信号不能通过而高频干扰信号可以通过，如下图乙所示．
预习交流3
隔直电容器和旁路电容器在电路中的作用是否相同？
答案：不相同．
隔直电容器让有用的交流信号通过；旁路电容器把无用的高频信号过滤掉．
一、电容器对交流电的导通作用
1．交变电流通过电容器时，自由电荷是否通过了两极板间的绝缘介质？
答案：不是，之所以电路中有电流是因为交流电源对电容器不断地充、放电形成的．2．当把电容器单独或是与其他用电器串联接在稳恒直流电源两端时，其两极板间的电压相同吗？如果接在交流电源两端呢？
答案：接直流电源时相同，接交流电源时不同．
当导线电阻不能忽略，或电路中还串联有其他用电器时，电容器仍然周期性地充电和放电，只是这种情况下电路电压会被电阻或其他用电器分担掉一部分，电容器两极板间的交变电压不再等于电路两端的交变电压了．
3．为什么交变电流能“通过”电容器而稳恒电流却不能？
答案：（1）电容器的两极板之间是相互绝缘的，不论是恒定电流还是交变电流，自由电荷都不能通过两极板之间的绝缘介质．通常所说的交变电流“通过”电容器，并不是自由电荷穿过了电容器，而是在交流电源作用下，当电压升高时电容器充电，电容器极板上的电荷量增加，形成充电电流，如图甲；当电压降低时电容器放电，电容器极板上的电荷量减少，形成放电电流，如图乙．由于电容器反复不断地充电和放电，使电路中有持续的交变电流．
（2）当电容器与稳恒直流电源的两极相连接时，除了接通的瞬间因电容器充电而有瞬时电流外，一旦充电完毕，电容器两极板间的电压与电源两极的电压相等，且保持不变，电路中就没有电流了．
如图，将电灯与电容器串联接入通有交变电流的电路中，灯泡发光，则（）．
A．自由电荷通过了电容器两极板间的绝缘电介质
B．自由电荷没有通过电容器两极板间的绝缘电介质
C．接入交变电源使电容器两极板间的绝缘电介质变成了导体
D．电容器交替进行充放电，电路中就有电流，表现为交变电流“通过”了电容器
答案：BD
解析：与电容器串联的灯泡，接在交变电流的电路中．灯泡发光，说明有电流通过灯泡，但形成电流的电荷并没有通过电容器两极板间的电介质．使灯泡发光的电流只是随着电压变化而对电容器不断充电与放电的电流，就好像有电流通过电容器．
电容器对交流电的导通作用，是一种等效导通．它的实质是电容器不停地充电、放电，其间没有电荷通过电容器，电容器没有被击穿．故在应用电容器时，要注意两端的交变电压最大值不能超过其击穿电压．
二、电容器对交流电的阻碍作用
1．试分析电容器的容抗与哪些因素有关．
答案：电容器的电容越大，充放电显示的容抗越小；反之充放电显示的容抗越大．交变电流的频率越高，电容器充放电的速度越快，充放电显示的容抗越小，反之充放电显示的容抗越大．所以，电容器的容抗与电容和交变电流的频率有关．
2．若要通高频、阻低频，应选用电容大些的电容器还是选用电容小些的电容器？
答案：若要通高频、阻低频，电容的容抗在低频时应表现为很大，故应选用电容较小的电容器．
3．为什么电容器的电容越小，容抗越大？交流电的效率越低，电容器的容抗也越大呢？
答案：电容器具有容抗是由于极板充电带有电荷后，会产生阻碍电流的反向电压，从而对继续充电产生阻碍作用．电容越大，在充电过程中两极板间电压增长就越慢，对继续充电的阻碍作用就越小；交变电流的频率越高，即电流方向变化越快，电容器两极板间电压还来不及达到较高时，电流就已经反向，从而对继续充电的阻碍作用变小．因此，电容越大，频
率越高，容抗越小．
如图所示，平行板电容器与灯泡串联，接在交流电源上的灯泡正常发光，则（ ）．
A ．把电介质插入电容器，灯泡一定变亮
B ．把电容器两极板距离增大，灯泡一定变亮
C ．使电容器两极板正对面积减小，灯泡一定变亮
D ．使交流电频率增加，灯泡变亮
思路点拨：解答本题应把握以下三点：
（1）理解容抗的本质；
（2）熟练掌握平行板电容器的电容公式4πr S
C kd ε=；
（3）理解电容大小与容抗的关系．
答案：AD
解析：由电容器电容的决定式C ＝εr S 4πkd
可知：插入电介质，电容C 增大；极板间距离d 增大，C 减小；减小两极板正对面积，C 减小．因电容越大，容抗越小，对交变电流的阻碍作用越小，故A 正确，B 、C 错误；电容器具有“通高频、阻低频”的作用，交流电频率越高，对电流阻碍作用越小，故D 正确．
电容器在电路中的作用可简单概括为“隔直流、通交流，频率越高，阻
碍越小”．
电容器的容抗大小的公式是
X C ＝12πfC
式中f 是交流电的频率，C 是电容器的电容．
三、电阻、容抗、感抗的对比分析
通过近两节课的学习，我们知道电容器存在容抗，电感器存在感抗，它们都对交流电存在阻碍作用．你能结合近两节课的知识，简要说一下容抗、感抗与我们以前学习过的电阻的区别吗？
答案：
如图所示的电路中，
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 高频扼流圈，C 是一个100 pF 的电容器，R 是负载电阻，下列说法不正确的是（ ）．
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，低频交流所占的百分比远大于高频交流所占的百分比
答案：B
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，在题图示电路中，对高频交流的容抗远小于对低频交流的容抗，其作用是“通高频、阻低频”，C 正确；因电路中无直流电流，B 错误；由于L 对高频交流的阻碍作用和C 对高频交流的旁路作用，使得通过R 的电流中，低频交流所占的百分比远大于高频交流的百分比，D 正确．
电感、电容接到交流电源上时，电能与磁场能或电场能互相转化，而电
流通过电阻时，必然会产生焦耳热，从而造 成电能的损耗．
1．有关电容对交变电流的影响的以下说法中，正确的是（ ）．
A ．交变电流能通过电容器
B ．电容器具有通直流、阻交流的作用
C ．对电容较小的电容器，它具有通高频、阻低频的功能
D ．电容器的电容越大，交变电流的频率越高，电容器对交变电流的阻碍作用就越大 答案：AC
解析：电容对交变电流有阻碍作用，阻碍作用的大小用容抗表示，电容器的电容越大，交流的频率越高，电容器的容抗越小．电容器在交变电路中的作用：通交流，隔直流；通高频，阻低频．所以A 、C 正确．
2．如图所示的电路，F 为一交流发电机，C 为平行板电容器，为使电流表A 的示数增加，可行的办法是（ ）．
A ．使发电机F 的转速增加
B ．使发电机F 的转速减小
C ．在平行板电容器间换用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：本题考查电容对交变电流的阻碍作用．本题的关键是理解容抗与交变电流的频率
和电容器的电容都成反比．当发电机转速增加时，交变电流的频率增大，容抗减小，电流表A的读数增大，A项正确，B项错误；在平行板电容器间换用介电常数较小的电介质时，电容器的电容减小，使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示数减小，C、D两项均错误．故正确选项为A．3．有两个电容器的电容分别为C1＝5 μF，C2＝3 μF，分别加在峰值一定的交变电源上．在下列各种情况下，哪—种情况通过电容器的电流最大（）．
A．在C1上所加交变电流的频率为50 Hz
B．在C2上所加交变电流的频率为50 Hz
C．在C1上所加交变电流的频率为100 Hz
D．在C2上所加交变电流的频率为100 Hz
答案：C
解析：当交变电源的频率增加时，电容器充放电的速度加快，电容器的容抗减小；当电容器的电容越大时，其对交流电的阻碍作用也越小，C对．
4．下面的电路图是电子技术中的常用电路．a、b是电路的输入端，其中输入的高频电流用“”表示，低频电流用“～”表示，直流电流用“—”表示．对负载电阻R中通过的电流特征，以下说法不正确的是（）．
A．图甲中通过R的是交变电流
B．图乙中通过R的是高频电流
C．图乙中通过R的是低频电流
D．图丙中通过R的是直流电流
答案：B
解析：交流电可以通过电容器，而直流电不能通过，所以甲中通过R的是交变电流，A 对；由于乙图中的电容器的电容很小，容抗很大，能阻低频，通高频，通过R的是低频电流，B错，C对；丙图中的电容器的电容很大，能隔直流，通交流，通过R的是直流电流，D对．5．如图所示为某电器中电路的一部分，当输入有直流成分、交流低频成分和交流高频成分的电流后，在其输出端得到可调大小的交流低频成分，那么有关各元器件的作用的说法中，不正确的有（）．
A．C1为高频旁路电容器，交流高频成分被该电容器短路
B．R为滑动变阻器，它的滑动片上下移动可以改变输出端电压的大小
C．C2为隔直电容器，交流低频成分通过该电容器输出
D．C1的电容较大、C2的电容较小
答案：D
解析：因其输出端得到可调大小的交流低频成分，所以高频电流应被C1短路，C1应为高频旁路电容器，且电容较小；低频成分可以通过C2，直流电不能通过，应为隔直电容器．。