电感和电容对交流电的影响的实验设计，本文主要内容关键词为：交流电论文,电感论文,电容论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
观察和实验是学生认识物理现象、获得有关感性认识的源泉，是学生学习物理知识、掌握科学方法的基础，同时也是研究和学习物理的重要手段。在高中物理“电感和电容对交变电流的影响”一节中，课本上设计的演示实验不能区别对于电感、电容对交变电流的具体影响；特别是在论述当交变电流的频率发生变化时，课本只是进行了理论上的阐述，没有相对应的实验演示来说明。这使学生在学习过程中缺乏感性认识，对这些规律基本上以记忆为主，缺乏深入的理解，教学效果不理想。我们在教学中摸索出一套演示实验，取材方便、操作简单、现象明显，能够有效地给学生答疑解惑，增加学生学习物理的兴趣。
一、材料准备
手摇发电机，学生电源，2.5 V的小灯泡两只，发光二极管两只（一红色、一绿色），变阻箱，电感（带铁芯），电容器若干只（220μF以上），传感器一套，导线若干。
二、系列实验
1.电容器“通电”原理的演示
学生疑惑：由于电容器的两个极板被绝缘介质隔开了，学生很容易理解直流不能通过电容器，但对于交流可以通过电容器表示疑惑。那么在交流电路中是否真的会有电流流过呢?这时就有同学提出：我们曾经用直流电对电容器进行充放电，那么交流电是否也可以对电容器进行充放电?电流具体又是怎样“通过”电容器的?笔者设计了以下的实验，来帮助学生理解这一难点。
实验原理：由于交流电的电流方向不断改变，正是不断地充电和放电过程，因此交流电能够“通过”电容器。
实验设计：（电源用6V DC），采用红、绿两个不同颜色的发光二极管并联，接入电路中。电容器应该选择电容大一点的，最好大于220μF，这样在进行充放电时电流比较大，观察到的实验现象比较明显。把开关S打到1的瞬间，直流电源给电容器充电，发光二极管
会发光，当充电结束时，发光二极管熄灭，这时电容器充满电；然后把开关打到2，电容器就会放电，发光二极管
会发光，当放电结束时，发光二极管熄灭（图1）。通过这个实验，能够清楚地展示电容器的“通电”原理。发光二极管的使用可以比较直观地感知电容器充放电电流的存在以及充放电电流的特点——短暂性和反向性。
图1
另外，有条件的学校可以用电流传感器记录电流变化。在以上电路中拿掉发光二极管，接入电流传感器，再对电容器进行充放电，可以通过电流传感器得到电容器充放电的I-t图像。先把开关打到1位置，电容器开始充电，充电结束，电流显示为零；
图2
再把开关打到2位置，电容器开始放电。通过观察电容器充放电的I-t图像能够比较直观地看到电流随时间变化的过程。通过对图像的分析可以了解电容器充放电时电流随时间变化的规律及变化的快慢。图2是电流传感器记录下来的交流电“通过”电容器的电流变化，非常直观，可以引导学生进行分析。
2.不同电容的电容器对交流电影响的对比演示实验
实验原理：电容器的电容越大，容抗越小。电容器电容的大小不同，对交流电的阻碍作用不同。
实验操作：选择两个电容分别为1 000μF和10000μF的电容器进行对比实验。设计电路图如图3，两个电容器分别与相同的灯泡串联，再并联在手摇发电机两端。
图3
实验现象：随着手摇发电机的转速的增加，电压随之增加，两灯均开始发光，但是电容为10000μF的支路的小灯泡明显比电容为1000μF的支路的小灯泡亮（此实验现象十分明显）。说明在同样的频率下、同样大小的交流电压下，电容器的电容越大，容抗就越小。
实验说明：为了使实验现象明显最好选择电容相差比较大的电容器，所以选择的两个电容器电容分别为1000μF和10000μF，实验效果比较好。电源也可以采用学生电源，采用恒定值的交流电来做。
图4
此外，此实验也可以用电流传感器进行监测电路中电流随时间的变化。电路如图4所示。电源可以采用学生电源，选用交流电2V。因为电流传感器的测量范围为-1 A～1 A，所以在电路中串入一个分压电阻，用于减小电流。分压电阻采用电阻箱，选择电阻值为5Ω，电容器可选择470μF、1000μF。
结论：在同样频率、同样大小的交流电压下，得到两幅电流随时间变化的图像（图5、图6）。从图像上看峰值有明显的差异，其中串入470μF电容器的支路电流峰值达到0.32A、支路中串入1000μF电容器的电流峰值达到0.52A，可以明显地看到电容值大的对交流电的阻碍作用小。
3.电容对不同频率的交流电影响的对比实验
实验原理：电容器对交流电是“通高频、阻低频”，即当交流电频率增大时，电容器对其阻碍作用变小。
图5
图6
实验操作：设计电路图如图7，选用两个相同的小灯泡，电容选择为6000μF的电容器；转动手摇发电机，在刚开始阶段灯
马上开始发光，灯
不亮，说明电容对交流电有阻碍效果；随着转速的增加，两灯的亮度增加（因为输出的电压在增加），而且两灯的亮度越来越接近，到了转速最大时，两灯几乎一样亮。这说明随着转速的增加，电容对交流电的阻碍作用越来越小，即容抗随电流的频率的增加而减小。
图7
实验说明：如果电容比较小，容抗就比较大，小灯就难以发光，所以电容可以选择相对大一些的，容抗比较小，这样可以使小灯发光。同时电容也不能太大，如果容抗非常小的话，两盏小灯的对比实验就不明显。
另外，此实验也可以在两个支路上接入传感器，进行电流的监测，找到电流随时间的具体变化过程。振幅大的显示的是支路2（没有电容器的），振幅小的显示的是支路1（串联电容），仔细观察图8会发现电流越大时，两者的峰值相差越小；而电流较小时（在初始状态和快结束状态，转速比较小时），两者的峰值相差比较大。
图8
4.电感对不同频率交流电影响的对比实验
实验原理：电感对交流电的作用是“阻高频、通低频”，即电感对低频交流电的阻碍作用小于对高频交流电的阻碍作用。
实验操作：用多用电表量出电感自身的电阻，在电路2中串入一个与电感自身电阻相同的电阻；电路图如图9所示。当手摇发电机转动时，随着转速的增大，电压增大的同时，交流电的频率也增大了。随着电压增大，灯泡
和灯泡同时发光，但灯泡比灯泡要略亮些；当电压增大到一定值的时候，灯泡几乎亮度不变了，但灯泡的亮度还会随着电压的增大而增大，两灯的亮度相差较大。这说明电感对交流电有阻碍作用，随着电流的频率的增加，阻碍作用越来越明显，即电感对低频交流电的阻碍作用要小于对高频交流电的阻碍作用。
图9
当然，本实验也可以用电流传感器进行对比实验，记录两个支路的电流随时间的变化过程，比较二者电流增大的幅度。图10中振幅小的表示支路1（串有电感），振幅大的表示支路2（串有与电感同电阻的电阻）。从图像上看，振幅大的峰值变化明显，而振幅小的峰值变化不明显；在电流值比较小时两者的电流峰值比较接近，而电流比较大时，两者的峰值相差比较大。这说明频率大时，电感对交流电路的阻碍明显。
对于电感和电容对交流电的影响这节内容，在传统的教学方法往往只是单纯地从理论上进行阐述、分析，缺乏有力的事实依据。采用了以上实验，这块内容的教学便不再苍白。在以上实验中，采用传统的实验仪器，进行实验设计；并结合使用现代的实验工具——传感器，实验思路清晰，目的鲜明，学生能够接受、理解并表现出极大的兴趣。特别是传感器的应用，图像的得出，大大提高了学生学习的欲望，知识点落实得非常有效。
图10