专题12 交变电流——【山东专用】2020-2022三年高考物理真题分类汇编（原卷版+解析版）

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2020-22年三年山东卷高考汇编
专题12 交变电流
【考纲定位】
高考命题点
考纲要求
高考真题
1.交变电流、正弦式交变电流及描述
通过实验，认识交变电流．能用公式和图象描述正弦交变电流．
2020·山东·高考 T5
2.变压器及远距离输电
通过实验，探究并了解变压器原、副线圈电压与匝数的关系．知道远距离输电时通常采用高压输电的原因．
2022·山东·高考 T4
2021·山东·高考 T9
3.发电机和电动机
了解发电机和电动机工作过程中的能量转化．认识电磁学在人类生活和社会发展中的作用．

【知识重现】
一、正弦式交变电流的产生及变化规律
1．交变电流的产生
(1)交变电流：电流的大小和方向都做周期性的变化，这种电流叫交变电流，简称交流电．下图为几种交流电的电流随时间变化的图象．

(2)产生原理：将闭合线圈置于匀强磁场中，并绕垂直于磁场方向的轴做匀速转动，线圈中将产生按正弦规律变化的交流电．
注意：正弦式交流电的变化规律与线圈的形状、转动轴处于线圈平面内的位置无关．
(3)交流电产生过程中的两个特殊位置
图示


概念
中性面位置
与中性面垂直的位置
特点
B⊥S
B∥S
Φ＝BS，最大
Φ＝0，最小
e＝n＝0，最小
e＝n＝nBSω，最大
感应电流为零，方向改变
感应电流最大，方向不变
2.正弦式交变电流的变化规律(线圈在中性面位置开始计时)
规律
物理量　　　
函数表达式
图象
磁通量
Φ＝Φmcos ωt＝BScos ωt
注意：Φ与线圈匝数无关

电动势
e＝Emsin ωt＝nBSωsin ωt

电压
u＝Umsin ωt＝sin ωt

电流
i＝Imsin ωt＝sin ωt

二、 描述交变电流的物理量
1．瞬时值、最大值和有效值
(1)瞬时值：交流电在任一时刻的值叫瞬时值．
(2)最大值：瞬时值中最大的值叫最大值，又称峰值．
(3)有效值：交流电的有效值是根据电流的热效应来规定的．让交流电与恒定电流通过大小相同的电阻，如果在交流电的一个周期内它们产生的热量相等，而这个恒定电流是I、电压是U，我们就把I、U称为这个交流电的有效值．
2．交变电流“四值”的区别与联系
正弦式交变电流的电动势、电压和电流都有最大值、有效值、瞬时值和平均值．以电动势为例：最大值用Em表示，有效值用E表示，瞬时值用e表示，平均值用表示，它们之间的关系如下表所示．

物理含义
重要关系
适用情况
瞬时值
交变电流某
一时刻的值
e＝Emsin ωt
i＝Imsin ωt
计算线圈某时刻的受力
最大值
最大的瞬时值
Em＝nBSω
Im＝
确定用电器的耐压值，如电容器、晶体管等的击穿电压
有效值
跟交变电流的热效应等效的恒定电流值
对正弦式交
流电：
E＝，
U＝，
I＝
①计算与电流热效应相关的量，如功、功率、热量等；②交流电表的测量值；③电气设备所标注的额定电压、额定电流；④保险丝的熔断电流
平均值
交变电流图象中图线与时间轴围成面积与时间的比值
＝n
＝
计算通过电路某一截面的电荷量：q＝·t
3.周期和频率
(1)周期T：交流电完成一次周期性变化所需的时间．在一个周期内，交流电的方向变化两次．
(2)频率f：交流电在1 s内完成周期性变化的次数．
角频率：ω＝＝2πf，单位为弧度/秒．
三、电感、电容对交流电的阻碍作用
1．电感：通直流，阻交流；通低频，阻高频．
2．电容：通交流，隔直流；通高频，阻低频．
四、 理想变压器
1．理想变压器的构造和原理
变压器由铁芯、原线圈、副线圈组成，如图所示．

当原线圈中通入交流电时，由于互感作用，变压器原、副线圈中磁通量变化率相同，由法拉第电磁感应定律有E＝n，则＝.由于理想变压器忽略铜损和铁损，则 E＝U，P1＝P2，故而得出＝，＝.
2.理想变压器原、副线圈基本量的关系
功率关系
原线圈的输入功率等于副线圈的输出功率，即P入＝P出
电压关系
原、副线圈的电压比等于匝数比，即＝，与副线圈的个数无关
电流关系
①只有一个副线圈时：＝；
②有多个副线圈时：由P入＝P出得U1I1＝U2I2＋U3I3＋…＋UnIn或I1n1＝I2n2＋I3n3＋…＋Innn
频率关系
f1＝f2，变压器不改变交流电的频率
3.理想变压器的制约关系
(1)电压：原决定副．根据变压器的原理可知，输入电压U1决定输出电压U2，U2＝U1.当U1不变时，不论负载电阻R变化与否，U2都不会改变．
(2)电流：副决定原．输出电流I2决定输入电流I1.当负载电阻R增大时，I2减小，则I1相应减小；当负载电阻R减小时，I2增大，则I1相应增大．因此，在使用变压器时不能使变压器副线圈短路．
(3)功率：副决定原．输出功率P2决定输入功率P1.理想变压器的输出功率与输入功率相等，即P2＝P1.在输入电压U1一定的情况下，当负载电阻R增大时，I2减小，则P2＝I2U2减小，P1也将相应减小；当R减小时，I2增大，P2＝I2U2增大，则P1也将增大．
4．常见变压器
(1)自耦变压器(如家用调压变压器)
铁芯上只有一个线圈，可升压，也可降压，如图甲、乙所示．

(2)电压、电流互感器
①原理：如图所示．

②用途：测高电压和强电流．
五、 远距离输电
1．采用高压输电的原因
输电线上损耗的功率：P损＝I线ΔU＝IR线＝R线．当输送的电功率一定时，输电电压增大到原来的n倍，输电线上损耗的功率就减小到原来的.
2．远距离输电相关的问题
(1)输电电路图

(2)基本关系
电流关系：n1I1＝n2I2，n3I3＝n4I4，I2＝I3.
电压关系：＝，＝，U2＝U3＋ΔU.
功率关系：P1＝P2，P3＝P4，P2＝P3＋ΔP.
(3)电压损失ΔU
①电压损失：输电线路始端电压U2与输电线路末端电压U3的差值，ΔU＝U2－U3＝IR线(R线为输电线路电阻)．
②减小输电线路电压损失的两种方法
减小输电线路电阻：由R＝ρ可知，间距一定时，使用电阻率小的材料或增大导体横截面积均可减小电阻．
减小输电电流I：由P＝UI可知，当输送功率一定时，升高电压可以减小电流．
注意：(1)明确U和ΔU的区别，U是输电电压，ΔU是输电导线上的电压损失．(2)高中阶段的计算中，只考虑电线电阻所造成的电压损失，而忽略因容抗、感抗造成的电压损失．
(4)功率损失ΔP
①输送功率是指升压变压器输出的功率，损失功率是指由于输电线发热而消耗的功率．两者关系是ΔP＝P－P′(P为输送功率，P′为用户所得功率)．
②除了利用ΔP＝P－P′计算输电线路上的功率损失外，还可用下列方法计算：
ΔP＝I2R线，I为输电线路上的电流，R线为线路电阻．
ΔP＝，ΔU为输电线路上损失的电压，R线为线路电阻．
ΔP＝ΔUI，ΔU为输电线路上损失的电压，I为线路上的电流．

【真题汇编】
1．（2022·山东·高考真题）如图所示的变压器，输入电压为，可输出、、电压，匝数为的原线圈中电随时间变化为．单匝线圈绕过铁芯连接交流电压表，电压表的示数为。将阻值为的电阻R接在两端时，功率为。下列说法正确的是（　　）

A．n1为1100匝，为
B．间线圈匝数为120匝，流过R的电流为
C．若将R接在两端，R两端的电压为，频率为
D．若将R接在两端，流过R的电流为，周期为
【答案】D
【解析】
A．变压器的输入电压为220V，原线圈的交流电的电压与时间成余弦函数关系，故输入交流电压的最大值为，根据理想变压器原线圈与单匝线圈的匝数比为

解得原线圈为2200匝，A错误；
B．根据图像可知，当原线圈输入220V时，BC间的电压应该为12V，故BC间的线圈匝数关系有

BC间的线圈匝数为120匝，流过R的电流为

B错误；
C．若将R接在AB端，根据图像可知，当原线圈输入220V时，AB间的电压应该为18V。根据交流电原线圈电压的表达式可知，交流电的角速度为，故交流电的频率为

C错误；
D．若将R接在AC端，根据图像可知，当原线圈输入220V时，AC间的电压应该为30V，根据欧姆定律可知，流过电阻R的电流为

交流电的周期为

D正确。
故选D。
2．（2021·山东·高考真题）输电能耗演示电路如图所示。左侧变压器原、副线圈匝数比为1∶3，输入电压为的正弦交流电。连接两理想变压器的导线总电阻为r，负载R的阻值为。开关S接1时，右侧变压器原、副线圈匝数比为2∶1，R上的功率为；接2时，匝数比为1∶2，R上的功率为P。以下判断正确的是（　　）

A． B．
C． D．
【答案】BD
【解析】
当开关S接1时，左侧变压器次级电压
U2=3×7.5V=22.5V
电阻R上的电压，即右侧变压器的次级电压

电流

则右侧变压器初级电压

电流

则

当开关S接2时，设输电电流为I，则右侧变压器的次级电流为0.5I；右侧变压两边电压关系可知

解得
I=3A
则R上的功率

故选BD。
3．（2020·山东·高考真题）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 Ω C．6 Ω D．8 Ω
【答案】A
【解析】
输电电压的有效值为（即原线圈电压的有效值）

根据理想变压器电压规律可知副线圈电压有效值为

灯泡正常工作，根据欧姆定律可知分压为，则通过灯泡的电流，即副线圈部分的干路电流为

根据串联分压规律可知，和、构成的并联电路部分的分压为

通过的电流为

通过、的电流为

、的分压为

解得滑动变阻器的阻值为

A正确，BCD错误。
故选A。
【突破练习】
1．（2022·山东·泰安一中模拟预测）如图所示，理想变压器的原线圈串联一个电阻R0，并接入电压有效值不变的正弦交流电源；两个副线圈分别接电阻R1和电阻R2，图中电流表为理想电流表。开始时开关S断开，则开关S闭合后（　　）

A．电阻R0消耗的电功率变小
B．电流表的示数变小
C．原线圈两端的电压变大
D．原线圈两端和两端的电压比变小
【答案】B
【解析】
B．开关S闭合后，假设电流表的示数不变或变大，由理想变压器功率关系和电压关系得



可知通过原线圈的电流I0变大，原线圈两端的电压

减小，由

可知电阻两端的电压变小，通过电阻的电流变小，假设不成立，故B正确；
AC．根据B分析可知，通过电阻的电流变小，电阻两端的电压变小，原线圈两端的电压U0减小，则R0两端电压增大，电阻R0消耗的电功率变大，故AC错误；
D. 原线圈两端和两端的电压比不变，故D错误。
故选B。
2．（2022·山东·临沭第一中学模拟预测）远距离输电的原理图如图所示，升压变压器的原、副线圈的匝数之比为a，降压变压器的原、副线圈的匝数之比为b，输电线的总电阻为R，升压变压器和降压变压器均为理想变压器，发电厂输出的电压恒为U。若由于用户的负载变化，使电压表V2的示数增大了∆U，则下列判断正确的是（　　）

A．电压表的V1示数增大 B．电流表A2的示数减小了
C．电流表A1的示数减小了 D．输电线损耗的功率减小了
【答案】C
【解析】
A．由于发电厂输出的电压U不变，升压变压器的原、副线圈的匝数之比不变，所以电压表V1的示数不变，A错误；
C．设降压变压器原线圈的电压为U3，则

所以

所以降压变压器原线圈的电压增大了

根据闭合电路欧姆定律

因为不变，增大了，所以IA1R减小了，由欧姆定律可知，电流表A1的示数减小了

C正确；
B．根据变压器原副线圈的电流比等于匝数比的倒数可得，A2的示数减小了


B错误；
D．设输电线上原来的电流为I，则输电线损失的功率减小了

D错误。
故选C。
3．（2022·山东·威海市教育教学研究中心二模）如图所示为远距离输电的原理图，升压变压器、降压变压器均为理想变压器，、的原、副线圈匝数比分别为、。输电线间的总电阻为，可变电阻R为用户端负载。、分别表示电压表、电流表的示数，输入电压U保持不变，当负载电阻R减小时，理想电压表的示数变化的绝对值为，理想电流表的示数变化的绝对值为，下列说法正确的是（　　）

A． B．
C．电压表示数增大 D．电流表的示数增加了
【答案】BD
【解析】
设降压变压器原线圈电压为，副线圈电压为
A．根据题意可知，电阻两端的电压等于

则

故A错误；
BD．设降压变压器原线圈电压变化为，则

设降压变压器原线圈电流变化为，则

可得

根据欧姆定律得

即

解得

故BD正确；
C．输入电压不变，升压变压器原副线圈匝数比不变，则升压变压器副线圈的电压不变，电压表示数不变，故C错误。
故选BD。
4．（2022·山东省实验中学模拟预测）如图甲所示电路中，变压器为理想变压器，原副线圈匝数之比4：1，电压表和电流表均为理想电表，接如图乙所示电压，均为定值电阻，R为滑动变阻器。现将开关S闭合，观察到电流表A1的示数增大了0.1A，则下列说法正确的是（　　）

A．电压表V2的示数为50V
B．电流表A2的示数增大了0.4A
C．电压表V3示数变化量的大小与电流表A1示数变化量的大小的比值不变
D．若再将滑动变阻器的滑片向下滑动，则电压表V3与V1的比值增大
【答案】BC
【解析】
A．a、b所接交流电电压有效值为

则

故A错误；
B．假设S未闭合时电流表A1的示数为，则有
，
则

故B正确；
C．副线圈回路中有

即

上式中，为定值，所以与成线性关系，变化量与变化量的比值为为定值，故C正确；
D．滑动变阻器的滑片向下滑动时减小，和的并联电阻减小，恒定，由分压原理可知减小，则减小，即 减小，故电压表V3与V1的比值减小，故D错误。
故选BC。
5．（2022·山东·烟台二中模拟预测）如图所示，某小型电站通过升压变压器、高压输电线路和降压变压器将产生的电能输送给5km外的用户，水电站输出电压为500V，的原线圈输电线电阻为，高压输电线路的阻值为，用户端用电总功率为19kW，用户端电压为220V。两变压器均为理想变压器，的匝数比为1：5下列说法正确的是（　　）

A．的输电电压为2000V
B．的匝数比
C．高压输电线上的电流为5A
D．高压输电线上损失的电功率为1kW
【答案】AD
【解析】
A．根据变压器电压与匝数比关系

可得

所以，的输电电压为2000V，A正确；
BC．设输入端的电压为U3，电流为I，则



又

联立，代入数据，求得

高压输电线上的电流为

BC错误；
D．高压输电线上损失的电功率为

D正确。
故选AD。
6．（2022·山东·肥城市教学研究中心模拟预测）如图甲为风力发电的简易模型，发电机接在理想变压器原线圈上，导线上接入阻值的电阻，原、副线圈匝数之比，副线圈上的滑动变阻器的最大阻值为。在风力的作用下，风叶带动与其固定在一起的永磁体转动，转速与风速成正比。某一风速时，发电机两端电压随时间变化的关系图像如图乙所示。其余电阻不计，电路中电表均为理想交流电表，下列说法正确的是（　　）

A．风速加倍时，发电机两端电压的瞬时值表达式为
B．将滑动触头从最下端滑到接近最上端的过程中，R消耗的功率先增大后减小
C．滑动变阻器的阻值为时，其消耗的功率最大
D．若维持滑动变阻器消耗功率最大的电路状态，则2s内r产生的焦耳热为375J
【答案】ABC
【解析】
A．根据 ，风速加倍时

风速加倍时

风速加倍时，发电机两端电压的瞬时值表达式为

A正确；
BC．变压器原线圈端等效电阻的最大值为

将r看成电源的内阻，当等效电阻R＇等于等效电源内阻时，等效电源的输出功率最大，电阻R消耗的功率最大，所以滑动变阻器的阻值为时，，等于等效电源的内阻，R消耗的功率最大；将滑动触头从最下端滑到接近最上端的过程中，等效电阻R＇先靠近等效电源内阻后远离等效电源内阻，所以R消耗的功率先增大后减小，BC正确；
D．若维持滑动变阻器消耗功率最大的电路状态，则2s内r产生的焦耳热为

D错误。
故选ABC。
7．（2022·山东·模拟预测）如图所示为远距离输电线路示意图，和为两理想变压器，变压器的原线圈匝数n3可以调节。输电线的等效总电阻为r，纯电阻用电器R1和R2的额定电压均为U、阻值均为R。断开S，调节n3匝数为N1时，用电器R1正常工作，此时输电线上损耗的功率为P1；闭合S，调节n3匝数为N2时，用电器R1也能正常工作，此时输电线上损耗的功率为P2.则（　　）

A． B． C． D．
【答案】AD
【解析】

AB．两次R1都能正常工作，说明两次T2次级电压相等，闭合S时功率增大，T2次级电流增大，根据

T2初级电流增大，导线上的功率损失变大，则T2初级电压会减小，为了保持次级电压不变，则n3匝数要减小，所以

故A正确，B错误；
CD．断开S时
①
闭合S时
②
又
③
④
输电线上损耗的功率
⑤
联立①②③④⑤得

故C错误，D正确。
故选AD。
8．（2022·山东·胜利一中模拟预测）如图所示理想变压器原、副线圈匝数比为，b是原线圈的中心抽头，滑动变阻器R的最大阻值为20Ω，定值电阻，电压表和电流表均为理想交流电表，在原线圈c、d两端加上的交变电压，则（　　）

A．当单刀双掷开关与b连接时，在滑动变阻器触头P向上移动的过程中，电压表示数不变，电流表的示数变小
B．当单刀双掷开关与a连接时，电压表的示数为22V
C．保持滑动变阻器触头P不动，当单刀双掷开关由a扳向b时，原线圈输入功率变小
D．当单刀双掷开关与b连接时，调节滑动变阻器触头P，滑动变阻器R消耗电功率的最大值为12.1W
【答案】AD
【解析】
A．当单刀双掷开关与b连接时，在滑动变阻器触头P向上移动的过程中，原副线圈的匝数比不变，则电压表的示数不变，滑动变阻器阻值变大，则电流变小，故A正确；
B．原线圈电压的有效值为

根据变压器电压与匝数比可知电压表的示数为11V，故B错误；
C．保持滑动变阻器触头P不动，当单刀双掷开关由a扳向b时，根据变压器电压与匝数比可知电压表的示数变为22V，副线圈电压变大。根据可知功率变大，则原线圈输入功率变大，故C错误；
D．当单刀双掷开关与b连接时，调节滑动变阻器触头P，当滑动变阻器阻值和定值电阻阻值相等时，有最大功率为

故D正确。
故选AD。
9．（2022·山东济宁·二模）某理想变压器原线圈的匝数匝，副线圈的匝数匝，原线圈接在的交流电源上，副线圈中“，”的灯泡恰好正常发光，电阻。下列说法正确的是（　　）

A．副线圈两端的电压有效值为
B．电阻的阻值为
C．通过电阻的电流大小为
D．穿过铁芯的磁通量的变化率最大值为
【答案】CD
【解析】
C．灯泡正常发光，副线圈的电流

根据电流与匝数比的关系得原线圈的电流

故C正确；
A．交流电源的有效值

根据

解得原线圈的电压的有效值为

则副线圈的电压的有效值为

故A错误；
B．电阻的阻值为

故B错误；
D．根据法拉第电磁感应定律得

解得穿过铁芯的磁通量的变化率最大值为

故D正确。
故选CD。
10．（2022·山东·日照青山学校高三期末）如图所示，某小型水电站发电机的输出电压，经升压变压器和降压变压器后为养殖场供电。已知输电线的总电阻，输电线上损失的功率，养殖场共有1100盏标有“220V   40W”字样的灯泡正常工作（除此之外没有其他用电器）。假设两个变压器均为理想变压器，下列说法正确的是（　　）

A．输电线上的电流
B．升压变压器的匝数比
C．降压变压器的匝数比
D．发电机的输出功率为44kW
【答案】AC
【解析】
A. 根据

解得

A正确；
B. 设升压变压器原线圈电流为I1

解得

升压变压器的匝数比为

B错误；
C. 降压变压器的副线圈的电流为

降压变压器的匝数比为

C正确；
D. 发电机的输出功率为

D错误。
故选AC。