2020-2022近三年高考物理真题汇编（山东专用）专题12交变电流+答案解析

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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T52.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T42021·山东·高考T93.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⊥SB∥SΦ＝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＝Φmcosωt＝BScosωt注意：Φ与线圈匝数无关电动势e＝Emsinωt＝nBSωsinωt电压u＝Umsinωt＝sin ωt电流i＝Imsinωt＝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＝Emsinωti＝Imsinωt计算线圈某时刻的受力最大值最大的瞬时值Em＝nBSωIm＝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＝·t3.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ΔU①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ΔP①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50VB．电流表A2的示数增大了0.4AC．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2000VB．的匝数比C．高压输电线上的电流为5AD．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③④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22VC．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。