让探究成为课堂的习惯

──《电感和电容对交变电流的影响》教学设计

 

陈燕

江阴市成化高级中学，江苏　江阴，214423

【教学目标】

1 知识与技能

（1）通过演示实验，了解电感器和电容器对交变电流的阻碍和导通作用；

（2）知道感抗和容抗的物理意义及影响因素；

（3）能够分析简单电路中的电容器、电感器的作用。

2 过程与方法

（1）通过对比实验进行探究，进一步认识物理实验在物理学发展过程中的作用；

（2）通过定性探究感抗和容抗的大小的决定因素，培养学生分析和解决问题的能力；

（3）通过猜想、假设、实验、交流合作与分析论证，体验科学探究过程。

3 情感、态度与价值观

    通过合作学习，培养学生主动与他人合作的精神；通过真实记录观察到的实验现象，体验实事求是的科学态度。

【教学重点】

电感和电容对交变电流的影响

【教学难点】

感抗和容抗的影响因素

【教学用具】

一段音频信号（乐曲）、千千静听播放器、低压交直流电源、双刀双掷开关、小灯泡、线圈、电容器、微安表、导线若干

【教学过程】

    用千千静听播放一段音频信号，通过调节旋钮，分别减少高频或低频信号，让学生感受其变化。

    引入课题：电感和电容对交变电流的影响

    电阻、电感和电容三个基本电学元件，我们已经知道电阻对电流有阻碍作用，电感、电容接在电路中，它们会对电流产生怎样的作用呢？

一、电感对交变电流有阻碍作用

[对比实验1]

如图1（甲）、（乙），把带铁芯的电感线圈L（直流电阻为0）与小灯泡串联起来，分别接到直流电路和交流电路中，取直流电源的电压与交流电压的有效值相等，请同学们观察在开关闭合时两种情况下灯泡的亮度。

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图 1

 

 

 

 

采用双刀双掷开关，如图2，分别接到学生电源的直流和交流接线柱上，观察两种情况下灯泡的亮度。

学生描述观察到的现象：

说明电感线圈对交变电流有阻碍作用，即线圈的作用是通直流、阻交流。

二、电容器对交变电流有阻碍作用

[对比实验2]

如图3（甲）、（乙），把电容器与小灯泡串联起来，分别接到直流电路和交流电路中，取直流电源的电压与交流电压的有效值相等，请同学们观察在开关闭合时两种情况下灯泡的亮度。

 

 

 

 

学生描述观察到的现象：

接通直流电源，灯泡不亮；接通交流电源，灯泡亮。

说明直流不能通过电容器，交变电流能“通过”电容器。电容器的作用是隔直流、通交流。

提供学生素材：选修3-2P22自感现象内容，学生小组合作交流：①为什么电感对交变电流有阻碍作用？②为什么交变电流能通过电容器?

学生回答，教师评价

理论分析：

1 交流电不断变化，通过线圈，当线圈中的电流发生变化时，它本身激发出感应电动势──自感电动势，阻碍电流的变化。也就是说，电感对交变电流的阻碍作用是由自感现象形成的。

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图 6

 

 

 

 

 

请同学们继续思考，电容器接入交流电路中，对电流是否有影响呢？大家能否设计电路进行探究？

学生独立思考并提问。

设计电路如图7所示，在开关断开和闭合时比较小灯泡的亮度。

现象：灯泡在开关断开时比开关闭合时暗。说明电容器对交变电流有阻碍作用。

三、感抗和容抗

电感和电容对交变电流都有阻碍作用，物理学中分别用感抗和容抗表示，学生小组合作，猜想：感抗和容抗的大小分别与什么因素有关？

学生回答：由于电感对交变电流的阻碍作用是由自感现象引起的，那么感抗则与线圈的自感系数、电流的变化快慢有关，而在交变电流中用频率表示电流变化的快慢的，即感抗与线圈的自感系数和交变电流的频率有关。容抗与感抗类似，所以猜想容抗与电容和交变电流的频率有关。

[实验验证]方法：控制变量、定性研究

将全班分为2个小组分配探究任务，设计表格1、2进行记录

1 探究自感系数和交变电流的频率对感抗大小的影响

2 探究电容和交变电流的频率对容抗大小的影响

提供器材有低压交流电源、信号发生器（可以产生频率不同电压相同的低压交流电）、小灯泡、不同规格的电容器、电感器各2只、多用电表、开关、导线若干。

表1        感抗─L、f的关系

感抗─L、f	L				f
	80匝	160匝	分开铁芯	闭合铁芯	增大	减小
亮暗程度
结论

表2        容抗─C、f的关系

容抗─C、f	C		f
	1000μF	2000μF	增大	减小
亮暗程度
结论

       结论：线圈的自感系数越大、交流的频率越高，线圈的感抗越大；电容器的电容越大，交流的频率越高，电容器的容抗越小。

图 8

对容抗进行补充分析：频率一定，则电容器充（放）电的时间一定，又因电压一定，根据可知，电容C大的电容器充入（或放出）的电荷量多，因此，充（放）电的速率就大，所以，电流也就越大，容抗越小；而电容C一定时，电容器充入（或放出）的电荷量一定，频率越高，电容器充（放）电的时间越短，充（放）电的速率就大，容抗也越小。

四、电感和电容在技术上的应用

[学生设计1]如图8，前级输入交、直流成分，在方框中接入电感线圈或电容器，要求后级输出只有直流成分。

    学生回答：接入电感线圈。

图 9

    [学生设计2]如图9,前级输入交流的高频和低频信号，在方框中接入电感线圈或电容器，要求后级输出只有交流的低频信号。

学生回答：接入自感系数较小的电感线圈。

图 10

分析：在物理学中该线圈为高频扼流圈，有的绕在铁氧体芯上，有的是空心的，匝数为几百或几十，自感系数几毫亨。这种扼流圈只对高频交变电流有较大的阻碍作用，对低频交变电流的阻碍作用较小，对直流的阻碍作用更小，因此可以用来“通直流、通低频、阻高频”。

设问：图9中线圈可以换成电容器吗？

从容抗角度分析：不可以。

图 11

[学生设计3]图8中，若要求后级输出交流成分，该接入什么元件？

学生回答：电容器。

分析：在物理学中该电容器为耦合电容，也叫隔直电容，如图10所示，在电路中的作用是“隔直流、通交流”。

[学生设计4] 电容器还可以并联在电路中，如图11所示，这种电容器为高频旁路电容器。在电路中的作用是“通高频、阻低频”。