高考物理考纲解读与热点难点突破专题08恒定电流和交变电流 教学案

专题08 恒定电流和交变电流

【2019年高考考纲解读】

(1)直流电路的功率、焦耳定律及伏安特性曲线．

(2)直流电路的动态分析(这个考点对新课标卷来讲近几年是冷考点，应该重视；其他省份一般都是热考点)．

(3)交变电流的产生图象和函数表达式．

(4)交变电流的四值：有效值、最大值、瞬时值和平均值．

(5)理想变压器的原理及应用．

【命题趋势】

 (1)闭合电路的欧姆定律和电功及电功率的计算(含动态分析)．

(2)交变电流的产生、图象、公式及相关物理量．

(3)交变电流的“四值”的物理意义及其不同方面的应用．

(4)多数题目与交变电流的图象、瞬时值表达式等相结合进行综合考查．

(5)变压器电压、电流及功率关系与远距离输电相结合进行综合考查．

【重点、难点剖析】

一、直流电路的动态分析

1.直流电路的动态变化分析在高考中是以选择题形式考查的，往往以下列变化方式探究整个电路中的电流、电压变化情况：

(1)某支路的滑动变阻器的阻值变化;

(2)某支路开关闭合或断开;  

(2)弄清动态变化过程中的决定关系：U1决定U2，P1、I1由P2、I2决定。

(3)基本思路及方法：

①由分析U2变化情况。

②由I2=分析I2的变化情况。

③P1=P2=I2U2判断输入功率。

④由P1=I1U1分析I1的变化情况。

【误区警示】不明确电流和功率变化的决定因素

(1)变压器的输出电流I2决定输入电流I1，如当负载电阻R减小时，I2增大，则I1相应增大。

(2)输出功率P2决定输入功率P1，对于理想变压器P1=P2，在输入电压U1一定的情况下，当负载电阻R减小时，I2增大，变压器的输出功率P2=I2U2增大，则输入功率P1也将增大。

【题型示例】

题型一　电路的基本性质和规律

例1．(2018·高考全国卷Ⅲ)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.∶1　　　　　　C．1∶2　　　　　　 D．2∶1

【答案】D

【变式探究】(2016·全国卷Ⅱ，17)阻值相等的四个电阻、电容器C及电池E(内阻可忽略)连接成如图2所示电路。开关S断开且电流稳定时，C所带的电荷量为Q1；闭合开关S，电流再次稳定后，C所带的电荷量为Q2。Q1与Q2的比值为(　　)

图2

A.  B. 

C.  D.

【答案】C

【解析】S断开时等效电路如图甲所示。

甲

电容器两端电压为U1＝×R×＝E；

S闭合时等效电路如图乙所示。

乙

电容器两端电压为U2＝×R＝E，

由Q＝CU得＝＝，故选项C正确。

【变式探究】如图所示电路，电源内阻不可忽略．开关S闭合后，在变阻器R0的滑动端向下滑动的过程中(　　)

 A．电压表与电流表的示数都减小

 B．电压表与电流表的示数都增大

 C．电压表的示数增大，电流表的示数减小

 D．电压表的示数减小，电流表的示数增大

 【答案】A

【变式探究】真空中放置的平行金属板可以用作光电转换装置，如图所示．光照前两板都不带电．以光照射A板，则板中的电子可能吸收光的能量而逸出．假设所有逸出的电子都垂直于A板向B板运              动，忽略电子之间的相互作用．保持光照条件不变．a和b为接线柱．已知单位时间内从A板逸出的电子数为N,电子逸出时的最大动能为Ekm，元              电荷为e.

 (1)求A板和B板之间的最大电势差Um，以及将a、b短接时回路中的电流 I短；

 (2)图示装置可看作直流电源，求其电动势E和内阻r；

 (3)在a和b之间连接一个外电阻时,该电阻两端的电压为U.外电阻上消耗的电功率设为P，单位时间内到达B板的电子，在从A板运动到B板的过程中损失的动能之和设为ΔEk.请推导证明：P＝ΔEk.

 (注意：解题过程中需要用到，但题目中没有给出的物理量，要在解题中做必要的说明)

 【答案】(1)　Ne　(2)　　(3)见解析

 【解析】(1)光照射A板，A发出的光电子不断地打到B板上，在AB间形成电场,将阻碍光电子向B板运动，当AB之间的电压达到最大值Um时，以最大              初动能从A板逸出的光电子刚好不能到达B板，由动能定理

 eUm＝Ekm①

 Um＝②

 将a、b短接时，所有逸出的电子都能到达B板，故短路电流

 I短＝＝Ne③

题型三　交变电流的产生及描述

例3．【2017·天津卷】在匀强磁场中，一个100匝的闭合矩形金属线圈，绕与磁感线垂直的固定轴匀速转动，穿过该线圈的磁通量随时间按图示正弦规律变化。设线圈总电阻为2 Ω，则

A．t=0时，线圈平面平行于磁感线

B．t=1 s时，线圈中的电流改变方向

C．t=1.5 s时，线圈中的感应电动势最大

D．一个周期内，线圈产生的热量为

【答案】AD

【解析】t=0时，磁通量为零，线圈平面平行于磁感线，故A正确；每经过一次中性面（线圈平面垂直于磁感线，磁通量有最大值）电流的方向改变一次，t=1 s时，磁通量为零，线圈平面平行于磁感线，故B错误；t=1.5 s时，磁通量有最大值，但磁通量的变化率为零（），根据法拉第电磁感应定律可知线圈中的感应电动势为零，故C错误；感应电动势最大值，有效值，一个周期内线圈产生的热量，故D正确。  

【变式探究】(2014·江苏单科，7，4分) (多选)如图所示，在线圈上端放置一盛有 冷水的金属杯，现接通交流电源，过了几分钟，杯内的水沸腾起来．若要缩短上述加热时间，下列措施可行的有(　　)

 A．增加线圈的匝数

 B．提高交流电源的频率

 C．将金属杯换为瓷杯

 D．取走线圈中的铁芯

 【答案】AB

【变式探究】 (多选)如图1所示，在匀强磁场中，一矩形金属线圈两次分别以不同的转速，绕与磁感线垂直的轴匀速转动，产生              的交变电动势图象如图2中曲线a，b所示，则(　　)

 A．两次t＝0时刻线圈平面均与中性面重合

 B．曲线a、b对应的线圈转速之比为2∶3

 C．曲线a表示的交变电动势频率为25 Hz

 D．曲线b表示的交变电动势有效值为10 V

 【答案】AC

 【解析】线圈经过中性面时不切割磁感线，此时感应电动势为零，选项A正确； 由图可知曲线a、b的周期之比为2∶3，则对应的线圈转速之比为3∶2，选              项B错误；曲线a的周期为Ta＝4×10－2 s，其频率为fa＝＝25 Hz，选项C正确；曲线a、b表示的交变电流的峰值之比为＝＝，又Ema＝15 V，              Emb＝10 V，Ub＝Emb＝5 V，选项D错误．

【变式探究】如图所示，实验室一台手摇交流发电机，内阻r＝1.0 Ω，外接R＝9.0 Ω的电阻．闭合开关S，当发电机转子以某一转速匀速转动时，产生的电动势e＝10sin(10πt)V，则(　　)

 A．该交变电流的频率为10 Hz

 B．该电动势的有效值为10 V

 C．外接电阻R所消耗的电功率为10 W

 D．电路中理想交流电流表的示数为1.0 A

 【答案】D

题型四　理想变压器和远距离输电

例4. (2018·高考天津卷)教学用发电机能够产生正弦式交变电流．利用该发电机(内阻可忽略)通过理想变压器向定值电阻R供电，电路如图所示，理想交流电流表A、理想交流电压表V的读数分别为I、U，R消耗的功率为P. 若发电机线圈的转速变为原来的，则(　　)

A．R消耗的功率变为P

B．电压表V的读数变为U

C．电流表A的读数变为2I

D．通过R的交变电流频率不变

【答案】B

【解析】交流发电机产生的感应电动势最大值Em＝NBSω，且有ω＝2πn，所以当发电机线圈转速减半后，感应电动势最大值减半，有效值减半，又理想变压器原、副线圈电压有效值之比等于原、副线圈匝数比，故电压表示数减为原来的一半，B项正确；由电功率P＝可知，变压器输出功率即R消耗的功率变为原来的，A项错误；由P＝UI可知，原线圈中电流减为原来的一半，C项错误；交流电的频率与发电机线圈转动角速度成正比，故D项错误．

【变式探究】(2016·高考全国卷Ⅰ)一含有理想变压器的电路如图所示，图中电阻R1、R2和R3的阻值分别为3 Ω、1 Ω和4 Ω，A为理想交流电流表，U为正弦交流电压源，输出电压的有效值恒定．当开关S断开时，电流表的示数为I；当S闭合时，电流表的示数为4I.该变压器原、副线圈匝数比值为(　　)

A.2　　　　　　     B．3　　　　　 　

C．4　　　　　 　 D．5

【答案】B

【变式探究】 (2015·新课标全国Ⅰ,16，6分)一理想变压器的原、副线圈的匝数 比为3∶1，在原、副线圈的回路中分别接有阻值相同的电阻，原线圈一侧接              在电压为220 V的正弦交流电源上，如图所示．设副线圈回路中电阻两端的              电压为U，原、副线圈回路中电阻消耗的功率的比值为k，则(　　)

 A．U＝66 V，k＝    B．U＝22 V，k＝

 C．U＝66 V，k＝    D．U＝22 V，k＝

 【答案】A

 【解析】原、副线圈电压比等于匝数比，根据副线圈负载电阻的电压U，可知 副线圈电压为U,原线圈电压为3U，副线圈电流I2＝，根据＝得原线圈              电流I1＝，那么原线圈输入电压220 V＝3U＋×R，整理可得U＝66 V；              原、副线圈电阻消耗的功率根据P＝I2R,电阻相等，I1∶I2＝1∶3，可得功率              之比为P1∶P2＝1∶9，即k＝.根据以上分析可知选项A正确．

【变式探究】(2015·江苏单科，1,3分)一电器中的变压器可视为理想变压器，它将 220 V交变电流改变为110 V．已知变压器原线圈匝数为800，则副线圈匝数              为(　　)

 A．200   B．400   C．1 600   D．3 200

 【答案】B

【变式探究】(2015·福建理综，15，6分)图为远距离输电示意图，两变压器均 为理想变压器，升压变压器T的原、副线圈匝数分别为n1、n2，在T的原线              圈两端接入一电压u＝Umsin ωt的交流电源，若输送电功率为P，输电线的总电阻为2r，不考虑其它因素的影响，则输电线上损失的电功率为(　　)

 A．()      B．()

 C．4()2()2r     D．4()2()2r

 【答案】C

 【解析】原线圈电压的有效值：U1＝，根据＝可求：U2＝ ，又因 为是理想变压器，所以T的副线圈的输出功率等于原线圈的输入功率P，所              以输电线上的电流I＝,输电线上损失的电功率为P′＝I22r＝4r，              所以C正确，A、B、D错误．

【变式探究】(2015·安徽理综，16，6分)图示电路中,变压器为理想变压器，a、b接在电压有效值不变的交流电源两端，R0为定值电阻，R为滑动变阻器．现              将变阻器的滑片从一个位置滑动到另一位置,观察到电流表A1的示数增大了0.2 A，电流表A2的示数增大了0.8 A，则下列说法正确的是(　　)

 A．电压表V1示数增大

 B．电压表V2、V3示数均增大

 C．该变压器起升压作用

 D．变阻器滑片是沿c→d的方向滑动

 【答案】D

【变式探究】(2015·天津理综，6，6分) (多选)如图所示，理想变压器的原线圈连接一只理想交流电流表，副线圈匝数可以通过滑动触头Q来调节，在副线              圈两端连接了定值电阻R0和滑动变阻器R，P为滑动变阻器的滑动触头．在原线圈上加一电压为U的正弦交流电，则(　　)

 A．保持Q的位置不动，将P向上滑动时，电流表读数变大

 B．保持Q的位置不动，将P向上滑动时，电流表读数变小

 C．保持P的位置不动，将Q向上滑动时，电流表读数变大

 D．保持P的位置不动，将Q向上滑动时，电流表读数变小

 【答案】BC

 【解析】Q位置不动，副线圈电压U2不变，当P上滑时，R增大，由P＝ 可知总功率减小，原线圈电压U1不变，由P＝U1I1可知原线圈电流I1减小，              故A错误，B正确；当P位置不动,Q上滑时，由＝知U2增大，同理分              析原线圈电流I1增大，故C正确，D错误．