“電感和電容對交變電流的影響”教學案例
根據現象進行猜想,然后經過學生的討論分析,做出判斷。將這三個元件從暗盒中拿出,分別得出1號元件為電阻、2號元件為電感線圈、3號元件為電容器。
從上面觀察到的現象說明:除電阻外,電感、電容對直流和交變電流的影響程度是不同的,這是我們要來研究的問題。
二、研究電感線圈對突變電流的阻礙作用
電感對交變電流的阻礙作用的大小用感抗的大小來表示。那么,感抗的大小可能與哪些因素有關呢?
啟發學生:可能與自感系數、交變電流的頻率和電壓等有關。
1.研究感抗與自感系數的關系
提供低壓交變電流源、小燈泡、學生實驗用的變壓器,若干導線,要求學生設計實驗,研究感抗與自感系數的定性關系。
學生互動,教師巡回指導,糾正學生的差錯在此過程可能出現的問題:(1)基本的連接不會;(2)線圈的連接不會等。
請一組學生簡述實驗的設計思路及實驗現象和由此得到的結果:將燈泡與線圈串聯接入交變電流,線圈的連接分兩次,一次是線圈匝數較少,另一次線圈的匝數較多,燈泡出現由亮變暗的現象,說明線圈的自感系數大時,線圈對交變電流的阻礙作用大,感抗大。
提示:線圈的自感系數在其他條件不變的情況下,匝數越多自感系數越大。
2.研究感抗與交變電流的頻率的關系
如果要研究感抗與交變電流頻率的關系應該如何辦?──在電壓不變的情況下選用變頻的交變電流源,為了研究方便,我們可選信號發生器來替代。
演示3:信號發生器可以輸出電壓一定且不同頻率的交變電流。串聯好電路,保持電壓不變的條件下,使輸出交變電流的頻率升高,觀察到燈泡變暗的現象。說明:頻率越高,線圈對交變電流的阻礙越大,感抗越大。
3.研究與交變電流電壓的關系(將燈泡換成交變電流表)
演示4:在交變電流頻率、線圈的自感系數不變的條件下,交流的電壓加倍,電流加倍。可得出感抗與交變電流電壓u無關。
結論:l越大感抗越大、越高感抗越大、感抗與u無關。
三、研究電容對突變電流的阻礙作用
電容對交變電流的阻礙作用用容抗來表示。從上面的研究,可以得到推論,容抗的大小可能與電容和交變電流的頻率有關。
1.研究容抗與電容c的關系
學生互動:提供電容分別為150μf與200μf的電容器2只。巡回輔導學生做實驗。
2.研究容抗與交變電流頻率的關系
演示5:信號發生器可以輸出不同頻率的交變電流。串聯好電路,保持電壓不變的條件下,使輸出交變電流的頻率升高,觀察到燈泡變亮的現象,說明:頻率越高,電容器對交變電流的阻礙越小,容抗越小。
結論:c越大容抗越小、f越高容抗越小。
四、問題討論
1.分析電感線圈在交直流電中的作用(學生互相議論后回答)
由于交變電流的頻率越低感抗越小,而直流電的頻率等于0,在直流電中電感對它的阻礙作用幾乎沒有。所以電感線圈有“通直流阻交流”的作用。
交變電流的頻率越高,感抗越大,阻礙作用越大。所以電感有“通低頻、阻高頻”作用。
理論解釋:
(1)電感線圈:直流電通過電感線圈時,由于電流不發生變化,電感線圈對直流電沒有阻礙作用;交變電流通過電感線圈時,在線圈中要產生自感現象(自感電流總要阻礙電路中原來電流的變化),所以電感線圈對交變電流有阻礙作用。
(2)為什么線圈的自感系數越大,感抗越大?