高中物理高考 专题四第一讲　恒定电流和交变电流—2021届高考物理二轮总复习课件

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1.(2020全国Ⅰ卷)图甲所示的电路中,K与L间接一智能电源,用以控制电容器C两端的电压UC。如果UC随时间t的变化如图乙所示,则下列描述电阻R两端电压UR随时间t变化的图像中,正确的是(　　)
情境剖析 本题属于综合性、应用性题目,以“智能电源控制电容器电压”为素材创设学习探究类情境。素养能力 本题由利用比值求电流的公式分析求得电路中的电流,再根据部分电路欧姆定律定量分析电阻R两端的电压。对考生的逻辑推理能力、信息加工能力和分析综合能力有较高要求,较好地考查了考生的科学推理、科学论证等素养。
2.(多选)(2016全国Ⅲ卷)如图,M为半圆形导线框,圆心为OM;N是圆心角为直角的扇形导线框,圆心为ON;两导线框在同一竖直面(纸面)内;两圆弧半径相等;过直线OMON的水平面上方有一匀强磁场,磁场方向垂直于纸面。现使线框M、N在t=0时从图示位置开始,分别绕垂直于纸面且过OM和ON的轴,以相同的周期T逆时针匀速转动,则(　　)A.两导线框中均会产生正弦交变电流B.两导线框中感应电流的周期都等于TC.在t= 时,两导线框中产生的感应电动势相等D.两导线框的电阻相等时,两导线框中感应电流的有效值也相等
所以选项A错误,选项B、C正确。由有效值定义可知M、N线圈中电流的有效值不相等,D项错误。
情境剖析 本题属于应用性题目,以“线框在磁场中旋转发电”为素材创设学习探究类情境。素养能力 本题考查交变电流的产生及描述,对考生的理解能力和逻辑推理能力有一定要求,较好地考查了考生的科学推理素养。解答时应注意以下三点:①“半圆形导线框”说明转动过程中一直有感应电流;②“扇形导线框”说明转动过程中只有一半时间内有感应电流;③“半径相等”说明有效切割长度相同。
3.(2020山东卷)图甲中的理想变压器原、副线圈匝数比n1∶n2=22∶3,输入端a、b所接电压u随时间t的变化关系如图乙所示。灯泡L的电阻恒为15 Ω,额定电压为24 V。定值电阻R1=10 Ω、R2=5 Ω,滑动变阻器R的最大阻值为10 Ω。为使灯泡正常工作,滑动变阻器接入电路的电阻应调节为(　　)A.1 Ω B.5 ΩC.6 ΩD.8 Ω
情境剖析 本题属于应用性题目,以“理想变压器模型”为素材创设学习探究类情境。素养能力 本题通过变压器原理的应用很好地考查了考生的科学思维素养,对考生的理解能力和逻辑推理能力有一定要求。
4.(2018全国Ⅲ卷)一电阻接到方波交流电源上,在一个周期内产生的热量为Q方;若该电阻接到正弦交流电源上,在一个周期内产生的热量为Q正。该电阻上电压的峰值均为u0,周期均为T,如图所示。则Q方∶Q正等于(　　)A.1∶B. ∶1C.1∶2D.2∶1
情境剖析 本题属于基础性、应用性题目,以交流电源的图像为素材创设学习探究类情境。素养能力 本题通过交变电流有效值的计算考查考生的科学思维素养,对考生的理解能力和逻辑推理能力有一定要求。解答本题要注意求电阻发热时应使用交变电流的有效值。
5.(多选)(2020全国Ⅱ卷)特高压输电可使输送中的电能损耗和电压损失大幅降低。我国已成功掌握并实际应用了特高压输电技术。假设从A处采用550 kV的超高压向B处输电,输电线上损耗的电功率为ΔP,到达B处时电压下降了ΔU。在保持A处输送的电功率和输电线电阻都不变的条件下,改用1 100 kV特高压输电,输电线上损耗的电功率变为ΔP',到达B处时电压下降了ΔU'。不考虑其他因素的影响,则(　　)
情境剖析 本题属于应用性题目,以“特高压输电技术”为素材创设生产科技类情境。素养能力 本题通过高压输电情境考查考生的科学思维素养,对考生的理解能力和逻辑推理能力有较高要求。
考法1　直流电路及其动态分析(M) 规律方法　直流电路动态分析的3种常用方法方法1:程序法
方法2:结论法——“串反并同”“串反”:指某一电阻增大(减小)时,与它串联或间接串联的电阻中的电流、两端电压、电功率都将减小(增大)。“并同”:指某一电阻增大(减小)时,与它并联或间接并联的电阻中的电流、两端电压、电功率都将增大(减小)。方法3:极限法因变阻器滑片滑动引起电路变化的问题,可将变阻器的滑片分别滑至两个极端,使电阻最大或电阻为零去讨论。
【典例1】(2020四川绵阳模拟)如图所示,闭合开关S,将滑动变阻器R的滑片向右滑动的过程中(　　)A.电流表A1的示数变小B.电流表A2的示数变小C.电压表V的示数变小D.电阻R1的电功率变大
答案 A解析 程序法:当滑动变阻器R的滑片向右滑动的过程中,滑动变阻器接入电路的电阻变大,电路总电阻变大,根据闭合电路的欧姆定律可知,干路电流变小,选项A正确;由于干路电流变小,根据U外=E-Ir可知外电路两端的电压变大,电阻R1两端的电压U1=IR1变小,则并联部分电路两端的电压变大,即电压表V的示数变大,通过电阻R2的电流变大,即电流表A2的示数变大,选项B、C错误;根据P1=I2R1可知,电阻R1不变,通过R1的电流变小,则电阻R1的电功率变小,选项D错误。结论法:根据“串反并同”,滑动变阻器R的滑片向右滑动的过程,R变大,与之间接串联部分的电流、电压减小,R1的电功率变小,选项A正确、D错误;与之并联部分的电流、电压变大,选项B、C错误。
破题本题考查闭合电路的动态分析,识别电路结构、明确各电表测量哪部分电路的物理量是解答本题的关键。
思考在典例1中,当滑动变阻器R的滑片向右滑动的过程中,电压表示数的变化量ΔU与电流表A1示数的变化量ΔI1的比值 将会怎样变化?
提示 保持不变。根据闭合电路欧姆定律得E=U+I1(R1+r),变式得U=E-I1(R1+r),即U-I1关系图像中,图线斜率k=R1+r,则 =R1+r,故保持不变。
1.如图所示,电源电动势E,内电阻恒为r,R是定值电阻,热敏电阻RT的阻值随温度降低而增大,C是平行板电容器。闭合开关S,带电液滴刚好静止在C内。在温度降低的过程中,分别用ΔI、ΔU1、ΔU2和ΔU3表示电流表、电压表1、电压表2和电压表3示数变化量的绝对值。关于该电路工作状态的变化,下列说法正确的是(　　)
C.带电液滴一定向下加速运动D.电源的工作效率一定变大
带电液滴在平行板中受到向上的电场力和向下的重力处于平衡状态,在温度降低的过程,热敏电阻RT阻值变大,回路中电流变小,路端电压增大,由于流过定值电阻R的电流变小,所以电阻R分的电压也就变小,而路端电压增大,故V2读数增大,平行板间的电场强度也增大,导致带电液滴向上运动,故C错;
2.(多选)(2019江西九江联考)某电路如图所示,电源电动势为E、内阻为r,定值电阻分别为R1、R2,电位器(滑动变阻器)为R,L1是小灯泡,电压表和电流表都为理想电表。闭合开关,当电位器的触片滑向b端时,则下列说法正确的是(　　)A.小灯泡L1将变亮B.电压表的示数与电流表A1示数的比值将变大C.电流表A1的示数将变大D.电源的电功率将变大
答案 ACD解析 当电位器的触片滑向b端时,电位器接入电路的电阻变小,外电路总电阻变小,由闭合电路欧姆定律知,总电流变大,电流表A1的示数将变大,路端电压变小,通过R1、R2的电流变小,通过小灯泡L1所在支路电流变大,小灯泡L1将变亮,故A、C正确。电压表的示数与电流表A1示数的比值等于外电路总电阻,可知该比值变小,故B错误。总电流变大,由P=EI知,电源的电功率将变大,故D正确。
考法2　闭合电路的图像问题(L) 规律方法　闭合电路中几种常见图像的比较
【典例2】(多选)(2019湖北部分重点中学联考)硅光电池是一种太阳能电池,具有低碳环保的优点。如图所示,图线a是该电池在某光照强度下路端电压U和电流I的关系图像(电池电动势不变,内阻不是常量),图线b是某电阻R的U-I图像,倾斜虚线是过a、b交点的a的切线。在某光照强度下将它们组成闭合回路时,下列相关叙述正确的是(　　)A.此时硅光电池的内阻为12.5 ΩB.此时硅光电池的输出功率为0.5 WC.此时硅光电池的总功率为0.72 WD.此时硅光电池的输出效率为40%
思维点拨 由闭合电路的欧姆定律和功率、效率的计算公式求解。
3.(多选)(2019江苏苏锡常镇四市模拟)如图甲所示,电源E=12 V,内阻不计,灯泡L的额定电压为9 V,其伏安特性曲线如图乙所示,滑动变阻器R的最大阻值为10 Ω。则(　　)A.灯泡L的阻值随电流的增大而减小B.灯泡L的额定功率为13.5 WC.灯泡L消耗电功率的最小值是2 WD.滑动变阻器接入电路的阻值应至少为6 Ω
答案 BC解析 由I-U图像可知,图像的斜率为灯泡的电阻的倒数,所以灯泡的电阻随电流的增大而增大。故A错误。由图像可知,灯泡的电压U=9 V时,电流I=1.5 A,所以灯泡的额定功率为P=UI=13.5 W。故B正确。当R=10 Ω时,电流最小,灯泡消耗的电功率最小,如图所示。
4.(多选)在如图甲所示的电路中,电源的电动势为E,内阻为r,R1为定值电阻,R2为滑动变阻器,闭合开关S,在滑动变阻器的滑动触头P滑动的过程中,四个理想电表的示数都发生了变化。图乙中三条图线分别表示了三个电压表示数的变化情况。则下列说法正确的是(　　)A.图线a表示的是电压表V1的示数的变化情况B.图线c表示的是电压表V2的示数的变化情况C.此过程中电压表V1示数的变化量ΔU1和电流表A示数的变化量ΔI的比值的绝对值变大D.此过程中电压表V3示数的变化量ΔU3和电流表A示数的变化量ΔI的比值的绝对值不变
答案 BD解析 当滑动变阻器的滑动触头P向下滑动的过程中,滑动变阻器接入电路的电阻增大,外电路总电阻增大,总电流减小,可知路端电压增大,即知电压表V1示数增大,电压表V2的示数减小,电压表V3的示数增大,当滑动触头在最上方时,V3示数为零,则知,图线a表示的是电压表V3的示数随电流表示数变化的情况,图线c表示的是电压表V2的示数随电流表示数变化的情况。
考法1　交变电流的产生及四值(L) 方法技巧　解决交变电流的问题要注意以下几点1.理解几个特殊位置的磁通量、磁通量的变化率、感应电动势及感应电流方向的特点。(1)与中性面重合时,S⊥B,Φ最大, =0,e=0,i=0,电流方向将发生改变。(2)与中性面垂直时,S∥B,Φ=0, 最大,e最大,i最大,电流方向不变。2.区分交变电流的峰值、瞬时值、有效值和平均值。3.确定交变电流中电动势、电压、电流的有效值后就可以运用直流电路的规律处理交流电路中的有关问题。
【典例3】(多选)(2020湖北七市联考)如图甲为旋转电枢式交流发电机的原理图,多匝矩形线圈在磁感应强度为B的匀强磁场中绕垂直于磁场方向的固
定轴OO'匀速转动,线圈的两端经集流环和电刷与可变电阻R连接,与R并联的交流电压表为理想电表,当R=10 Ω时电压表示数是10 V。已知线圈的内阻为r=5 Ω,图乙是矩形线圈磁通量Φ随时间t变化的图像,则(　　)A.当可变电阻R=10 Ω时,其消耗的电功率为10 WB.穿过线圈磁通量的最大值为 WbC.R两端的电压u随时间t变化的规律是u=14.1sin 100πt(V)D.调节可变电阻R的大小,其消耗的最大电功率可以达到11.25 W
5.(多选)如图甲为小型交流发电机的原理图,发电机的矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴OO'匀速转动,从t=0时刻开始,
通过矩形线圈的磁通量随时间变化的规律如图乙所示,已知线圈的匝数n=50,线圈的电阻r=5 Ω,线圈与外电路连接的定值电阻R=45 Ω,电压表为理想交流电表。则下列判断正确的是(　　)A.线圈转动的周期为6.28 sB.t=0时刻线圈平面与磁感线平行C.线圈转动过程中产生的最大电动势为100 VD.电压表的示数为45 V
6.(2020天津市一中高三下学期第四次月考)如图所示,n匝矩形闭合导线框ABCD处于磁感应强度大小为B的水平匀强磁场中,线框面积为S,电阻不计。线框绕垂直于磁场的轴OO'以角速度ω匀速转动,并与理想变压器原线圈相连,变压器副线圈接入一只额定电压为U的灯泡,灯泡正常发光。从线圈平面与磁场平行开始计时,下列说法正确的是(　　)A.图示位置穿过线框的磁通量变化率最大B.灯泡中的电流方向每秒改变 次C.变压器原、副线圈匝数之比为D.线框中产生感应电动势的表达式e=nBSωcs ωt
考法2　理想变压器、远距离输电问题(H) 归纳总结　理想变压器以及原、副线圈基本量的关系
【典例4】(多选)(2019湖北四月调研)国家电网公司推进智能电网推广项目建设,拟新建智能变电站1 400座。变电站起变换电压作用的设备是变压器,如图所示,理想变压器原线圈输入电压u=200 ·sin(100πt)V,电压表、电流表都为理想电表。下列判断正确的是(　　)A.输入电压有效值为200 V,电流频率为50 HzB.S打到a处,当变阻器的滑片向下滑动时,两电压表的示数都增大C.S打到a处,当变阻器的滑片向下滑动时,两电流表的示数都减小D.若变阻器的滑片不动,S由a处打到b处,电压表V2和电流表A1的示数都减小
思维点拨 根据交变电流的瞬时值表达式分析电压的最大值及频率;根据电压、电流的变化情况分析电压表和电流表的示数变化。方法技巧 常见的理想变压器的动态分析问题一般有两种:匝数比不变的情况和负载电阻不变的情况。
7.(多选)如图所示为某小型电站高压输电示意图,变压器均为理想变压器,发电机输出功率为20 kW。在输电线路上接入一个电流互感器,其原、副线圈的匝数比为1∶10,电流表的示数为1 A,输电线的总电阻为10 Ω,则下列说法正确的是(　　)A.采用高压输电可以增大输电线中的电流B.升压变压器的输出电压U2=2 000 VC.用户获得的功率为19 kWD.将P下移,用户获得的电压将增大
答案 BC解析 根据高压输电原理,提高输电电压,输电电流减小,A错误;根据电流互感器的原理,输电电流: =2 000 V,B正确;输电线上的功率损失:P损=I2R=102×10 W=1 kW,用户获得的功率为:P用=P输-P损=20 kW-1 kW=19 kW,C正确;将P下移,降压变压器原线圈匝数增加,根据变压器的变压规律,副线圈的电压减小,用户获得的电压将减小,D错误。故选BC。
8.(多选)(2020全国Ⅲ卷)在图甲所示的交流电路中,电源电压的有效值为220 V,理想变压器原、副线圈的匝数比为10∶1,R1、R2、R3均为固定电阻,R2=10 Ω,R3=20 Ω,各电表均为理想电表。已知电阻R2中电流i2随时间t变化的正弦曲线如图乙所示。下列说法正确的是(　　)A.所用交变电流的频率为50 HzB.电压表的示数为100 VC.电流表的示数为1.0 AD.变压器传输的电功率为15.0 W
等效电源法、等效电阻法的应用
一、等效电源法电源的输出功率与负载的关系如图所示,P出随R的增大先增大后减小,当R=r时达到最大Pm= ,P出