2021届高考物理二轮复习专题四　电路和电磁感应

这是一份2021届高考物理二轮复习专题四　电路和电磁感应，共66页。试卷主要包含了直流电路的动态分析方法，直流电路中的功率分析，四点说明等内容，欢迎下载使用。
专 题 四 电路和电磁感应



①4种模型：“导轨＋单杆”模型、“导轨＋双杆”模型、变压器模型、远距离输电模型
②n种情境：以家用电器为载体的电学知识考查，以科技或生活为背景的电磁感应和输电问题，同时渗透科学态度与责任
③2个过程：动力学过程、能量转化过程
④4个障碍：动态分析过程、函数解析式求最值、动力学中收尾速度、能量转化方向和量值关系
⑤n种方法：动态分析法、平均值法、图形图象法、函数解析法、二级结论法、模型法、分析推理法等
⑥5种思维：抽象化思维、守恒思想、极限思想、转化思想、等效思想
微专题一　直流电路和交流电路的分析
三年＋三卷考情
命题规律＋预测
三年考题
考查内容
(1)直流电路重点考查电路功率的计算、动态过程分析等；变压器、交流电路部分由于与日常生活、生产紧密结合，常以选择题的形式出现。
(2)本微专题内容在近几年高考中命题较少，但不排除在2021年高考中考查的可能。如果在2021年高考中考查本微专题内容，可能以分值较小的实验题形式考查。
2020
Ⅰ卷17T
含容电路、欧姆定律
Ⅱ卷19T
远距离输电
Ⅲ卷20T
理想变压器
2018
Ⅲ卷16T
交变电流的图象、有效值
高考考向1　直流电路的分析
解|题|必|备
1．直流电路的动态分析方法
(1)程序法：部分电路阻值变化→电路总电阻R总变化→干路电流I变化→路端电压U变化→各分量变化，即R局→R总→I总→U端→。
(2)串反并同法：所谓“串反”，即某一电阻阻值增大(减小)时，与它串联或间接串联的电阻中的电流、两端的电压、电功率都减小(增大)。所谓“并同”，即某一电阻阻值增大(减小)时，与它并联或间接并联的电阻中的电流、两端的电压、电功率都增大(减小)。
2．直流电路中的功率分析
(1)定值电阻的功率随其电压或电流的增大而增大。
(2)外电阻越接近电源的内阻，电源输出功率越大，等于内阻时电源的输出功率最大。
(3)判断变化电阻的功率时，可以将其他电路等效到电源内部，当变化电阻等于等效电阻时其功率最大，若不能等于则越接近越大。
题|型|精|研
命题角度1　动态电路的分析
1．(多选)(2020·湘赣皖十五校联考) 用图示电路观察3个小灯泡的亮度变化和两个电压表的示数变化情况，其中电源电动势为E，内阻为r，如果灯L2因故障突然熄灭，电压表V1示数变化的绝对值为ΔU1，电压表V2示数变化的绝对值为ΔU2，则以下说法中可能正确的是(　　)

A．L1变暗，L3变亮，ΔU1>ΔU2
B．L1变暗，L3变亮，ΔU1U1，U2降低 B．U2>U1，U2升高
C．U2U2 B．I1>I2
C．U1I1>U2I2 D．>
解析　当电池的内阻增大后，电池的U－I图象变为虚线，如图所示，显然U1I2，A项错误，B项正确；两元件消耗的功率分别为I1U1、I2U2，不能确定两者大小关系，C项错误；由图象可以看出、分别为两条割线的斜率，显然a)的正方形导线框ABCD位于纸面内，以垂直于磁场边界的恒定速度v通过该磁场区域，导线框电阻为R，在运动过程中，线框有一条边始终与磁场区域的边界平行。取它刚进入磁场的时刻t＝0，线框中感应电流随时间变化规律的I－t图象如图乙所示，则下列说法正确的是(　　)

A．在第1 s内，线框中感应电流为逆时针方向，大小恒定为0.3 A
B．在第2 s内，穿过线框的磁通量最大，感应电流大小恒定为0.6 A
C．在第3 s内，线框中感应电流方向为顺时针方向，大小恒定为0.3 A
D．在第1 s内，线框中C点电势高于D点电势，感应电流大小为0
解析　在第1 s内，线框进入磁场，穿过线框的磁通量均匀增加，感应电流为逆时针方向(取为正方向)，大小I＝0.3 A，A项正确；在第2 s内，整个线框在磁场中运动，穿过线框的磁通量最大且不变，没有感应电流，B项错误；在第3 s内，线框从磁场中出来，穿过线框的磁通量均匀减小，感应电流为顺时针方向(为负方向)，大小I＝0.3 A，C项正确；在第1 s内，感应电流方向沿逆时针方向，则C点电势低于D点电势，D项错误。
答案　AC
6. (导体旋转切割磁感线)如图，直角三角形金属框abc放置在匀强磁场中，磁感应强度大小为B，方向平行于ab边向上。当金属框绕ab边以角速度ω逆时针转动时，a、b、c三点的电势分别为Ua、Ub、Uc。已知bc边的长度为l。下列判断正确的是(　　)

A．Ua>Uc，金属框中无电流
B．Ub >Uc，金属框中电流方向沿a→b→c→a
C．Ubc＝－Bl2ω，金属框中无电流
D．Ubc＝Bl2ω，金属框中电流方向沿a→c→b→a
解析　金属框abc平面与磁场平行，转动过程中磁通量始终为零，所以无感应电流产生，B、D两项错误；转动过程中bc边和ac边均切割磁感线，产生感应电动势，由右手定则判断Ua＜Uc，Ub＜Uc，A项错误；由转动切割产生感应电动势的公式得Ubc＝－Bl2ω，C项正确。
答案　C
高考考向2　电磁感应中的电路和图象问题
解|题|必|备
1．电磁感应现象中的电源与电路
(1)产生感应电动势的那部分导体相当于电源。
(2)在电源内部电流由负极流向正极。
(3)电源两端的电压为路端电压。
2．解图象问题的三点关注
(1)关注初始时刻，如初始时刻感应电流是否为零，是正方向还是负方向。
(2)关注变化过程，看电磁感应发生的过程可以分为几个阶段，这几个阶段分别与哪段图象变化相对应。
(3)关注大小、方向的变化趋势，看图线斜率的大小、图线的曲直是否和物理过程对应。
3．解图象问题的两个分析方法
(1)排除法：定性地分析电磁感应过程中物理量的变化趋势(增大还是减小)、变化快慢(均匀变化还是非均匀变化)，特别是物理量的正负，排除错误的选项。
(2)函数法：根据题目所给条件定量地写出两个物理量之间的函数关系，然后由函数关系对图象作出分析和判断，这未必是最简捷的方法，但却是最有效的方法。
题|型|精|研
命题角度1　电磁感应中的电路问题
7．(电路问题)(多选)如图甲，线圈A(图中实线，共100匝)的横截面积为0.3 m2，总电阻r＝2 Ω，A右侧所接电路中，电阻R1＝2 Ω，R2＝6 Ω，电容C＝3 μF，开关S1闭合。A中有横截面积为0.2 m2的区域D(图中虚线)，D内有图乙所示的变化磁场，t＝0时刻，磁场方向垂直于线圈平面向里。下列判断正确的是(　　)

A．闭合S2、电路稳定后，通过R2的电流由b流向a
B．闭合S2、电路稳定后，通过R2的电流大小为0.4 A
C．闭合S2、电路稳定后再断开S1，通过R2的电流由b流向a
D．闭合S2、电路稳定后再断开S1，通过R2的电荷量为7.2×10－6 C
解析　t＝0时刻，磁场方向垂直于线圈平面向里，由题图乙并根据楞次定律和安培定则可知，线圈A中产生顺时针方向的感应电流，闭合S2，电路稳定后，通过R2的电流由a流向b，A项错误；由题图乙可知，磁感应强度的变化率的绝对值为＝0.2 T/s，根据法拉第电磁感应定律，在线圈A中产生的感应电动势E＝nS＝100×0.2×0.2 V＝4 V，闭合S2、电路稳定后，根据闭合电路欧姆定律，通过R2的电流大小为I＝＝0.4 A，B项正确；闭合S2、电路稳定后电容器C的上极板带正电荷，再断开S1，电容器放电，通过R2的电流由a流向b，C项错误；闭合S2后，外电路为电阻R2与电阻R1串联，电路稳定后电容器C两极板之间的电压等于R2两端电压U＝IR2＝0.4×6 V＝2.4 V，再断开S1，通过R2的电荷量为Q＝CU＝7.2×10－6 C，D项正确。
答案　BD
8．(电荷量的计算)(多选)如图甲所示，abcd是位于竖直平面内的正方形闭合金属线框，在金属线框的下方有一磁感应强度大小为B的匀强磁场区域，MN和M′N′是匀强磁场区域的水平边界，两边界间的宽度为s，并与线框的bc边平行，磁场方向与线框平面垂直。现让金属线框由距MN的某一高度从静止开始下落，图乙是金属线框由开始下落到完全穿过匀强磁场区域的v－t图象(其中OA、BC、DE相互平行)。已知正方形金属线框的边长为L(L，所以C项正确；由于q＝＝，D项正确。
答案　CD
命题角度2　电磁感应中的图象问题
9. (由给定的电磁感应过程分析图象)(多选)如图所示，光滑平行金属导轨MN、PQ放置在同一水平面内，M、P之间接一定值电阻R，金属棒ab垂直导轨放置，导轨电阻不计。整个装置处在竖直向上的匀强磁场中。t＝0时对金属棒施加水平向右的外力F，使金属棒由静止开始做匀加速直线运动。下列关于通过金属棒的电流i、通过导轨横截面的电荷量q、拉力F和拉力的功率P随时间变化的图象，正确的是(　　)


解析　由题知，金属棒由静止开始做匀加速直线运动，则有：x＝at2，v＝at，根据法拉第电磁感应定律得：E＝BLv＝BLat，则感应电流i＝＝t，故A项正确；根据＝、＝和q＝Δt，得q＝，而ΔФ＝BΔS＝BLx＝BLat2，故q＝t2，故B项错误；根据牛顿第二定律有：F－F安＝ma，F安＝BIL＝t，解得：F＝ma＋t，故C项正确；根据P＝Fv，得P＝Fv＝ma2t＋t2，故D项错误。
答案　AC
10．(由给定的图象求解电磁感应过程中的物理量)(多选)如图甲所示，在MN、QP间存在一匀强磁场，t＝0时，一正方形光滑金属线框在水平向右的外力F作用下紧贴MN从静止开始做匀加速运动，外力F随时间t变化的图线如图乙所示。已知线框质量m＝1 kg、电阻R＝2 Ω，则(　　)

A．磁场宽度为4 m
B．匀强磁场的磁感应强度为 T
C．线框穿过磁场过程中，通过线框的电荷量为2 C
D．线框穿过磁场过程中，线框产生的热量为1 J
解析　线框的加速度为a＝＝ m/s2＝2 m/s2，磁场宽度d＝at＝4 m，A项正确；线框的边长L＝at＝1 m，当线框全部进入磁场的瞬间有：F1－F安＝ma，F安＝＝，解得B＝ T，B项正确；线框穿过磁场的过程中，通过线框的电荷量为零；线框进入磁场过程中，线框产生的热量为Q＝W－mv2＝1 J，故线框穿过磁场的过程中，线框产生的热量大于1 J，C、D两项错误。
答案　AB
高考考向3　电磁感应中的动力学和能量问题
解|题|必|备
1．电磁感应中动力学问题的解题思路
(1)找准主动运动者，用法拉第电磁感应定律和楞次定律求解感应电动势的大小和方向。
(2)根据等效电路图，求解回路中电流的大小及方向。
(3)分析安培力对导体棒运动速度、加速度的影响，从而推理得出对电路中的电流有什么影响，最后定性分析导体棒的最终运动情况。
(4)列牛顿第二定律或平衡方程求解。
2．能量转化问题的分析
技巧：先电后力再能量。思路如下：

题|型|精|研
命题角度1　安培力作用下的运动
11．(“导轨＋单杆”模型) 如图所示，足够长光滑导轨倾斜放置，导轨平面与水平面夹角θ＝37°，导轨间距L＝0.4 m，其下端连接一个定值电阻R＝4 Ω，其他电阻不计。两导轨间存在垂直于导轨平面向下的匀强磁场，磁感应强度B＝1 T。一质量为m＝0.04 kg的导体棒ab垂直于导轨放置，现将导体棒由静止释放，取重力加速度g＝10 m/s2，sin37°＝0.6，cos37°＝0.8。求：

(1)导体棒下滑的最大速度大小；
(2)导体棒从静止加速到v＝4 m/s的过程中，通过R的电荷量q＝0.2 C，求R产生的热量。
解析　(1)当导体棒所受的合外力为零时，速度最大，
则mgsinθ＝BIL，I＝，
联立解得vm＝6 m/s。
(2)设该过程中电流的平均值为，则
q＝Δt，＝，＝，
解得x＝＝2 m，
由能量守恒定律可得mgxsinθ＝mv2＋Q，
解得Q＝0.16 J。
答案　(1)6 m/s　(2)0.16 J
12．(线框进出磁场)(2020·江西省部分重点中学第一次联考) 如图所示，水平地面上方有一高度为H，上、下水平界面分别为PQ、MN的匀强磁场，磁感应强度为B。矩形导线框ab边长为l1，bc边长为l2，导线框的质量为m，电阻为R。磁场方向垂直于线框平面向里，磁场高度H>l2。线框从某高处由静止落下，当线框的cd边刚进入磁场时，线框的加速度方向向下、大小为g；当线框的cd边刚离开磁场时，线框的加速度方向向上、大小为g。在运动过程中，线框平面位于竖直平面内，上、下两边总平行于PQ。空气阻力不计，重力加速度为g。求：

(1)线框的cd边刚进入磁场时，通过线框导线中的电流；
(2)线框的ab边刚进入磁场时线框的速度大小；
(3)线框abdc从全部在磁场中开始到全部穿出磁场的过程中，通过线框导线横截面的电荷量。
解析　(1)设线框的cd边刚进入磁场时线框导线中的电流为I1，根据牛顿第二定律有
mg－BI1l1＝，
解得I1＝。
(2)设线框ab边刚进入磁场时线框的速度大小为v1，线框的cd边刚离开磁场时速度大小为v2，线框的cd边刚离开磁场时线框导线中的电流为I2，根据牛顿第二定律有
BI2l1－mg＝，
解得I2＝，
由闭合电路欧姆定律得I2＝，
解得v2＝，
由匀变速直线运动速度与位移的关系式
v－v＝2g(H－l2)，
联立解得v1＝。
(3)设线框abdc穿出磁场的过程中所用时间为Δt，平均电动势为E，通过导线的平均电流为I，通过导线某一横截面的电荷量为q，则
由法拉第电磁感应定律E＝＝，
由闭合电路欧姆定律I＝，
联立解得通过线框导线横截面的电荷量
q＝I·Δt＝。
答案　(1)
(2)
(3)
命题角度2　安培力作用下的功能问题
13．(2020·四川省教考联盟第一次联考)如图甲所示，水平面上固定着两根间距L＝0.5 m的光滑平行金属导轨MN、PQ，M、P两点间连接一个阻值R＝3 Ω的电阻，一根质量m＝0.2 kg、电阻r＝2 Ω的金属棒ab垂直于导轨放置。在金属棒右侧两条虚线与导轨之间的矩形区域内有磁感应强度大小B＝2 T、方向竖直向上的匀强磁场，磁场宽度d＝5.2 m。现对金属棒施加一个大小F＝2 N、方向平行导轨向右的恒力，从金属棒进入磁场开始计时，其运动的v－t图象如图乙所示，运动过程中金属棒与导轨始终保持良好接触，导轨电阻不计。求：

(1)金属棒刚进入磁场时所受安培力的大小F安；
(2)金属棒通过磁场过程中电阻R产生的热量QR。
解析　(1)由题图乙可知，金属棒ab刚进入磁场时速度v0＝4 m/s，
此时，感应电动势E＝BLv0，
感应电流I＝，
安培力的大小F安＝BIL，
解得F安＝＝0.8 N。
(2)设金属棒在磁场中最大速度为vm，此时安培力与恒力F大小相等，则有F＝，
代入数据解得vm＝10 m/s。
设金属棒通过磁场的过程中回路产生的总热量为Q，由功能关系得Fd＝mv－mv＋Q，
解得Q＝2 J，
所以电阻R产生的热量QR＝Q＝1.2 J。
答案　(1)0.8 N　(2)1.2 J
命题角度3　电磁感应与动量的综合问题
14．(与动量定理综合)(2020·重庆市北碚区第一次诊断性模拟)如图所示，在光滑的水平面上宽度为L的区域内，有一竖直向下的匀强磁场。现有一个边长为a(a