高中物理人教版(2019)选择性必修第二册第三章交变电流测试卷（Word版附解析）

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第三章　交变电流满分100分,限时90分钟一、单项选择题(本大题共8小题,每小题3分,共24分。在每小题给出的四个选项中只有一个符合题目要求)1.对于如图所示的电流i随时间t做周期性变化的图像,下列说法中正确的是 (　　)A.电流大小变化,方向不变,是直流电B.电流大小、方向都变化,是交流电C.电流最大值为0.2 A,周期为0.01 sD.电流大小周期性变化,是交流电2.我国领先全球的特高压输电技术将为国家“碳中和”作出独特的贡献。若在传输电能总功率不变的情况下,从原先150 kV高压输电升级为1 350 kV特高压输电,则下列说法正确的是 (　　)A.若输电线不变,则输电线上损失的电压变为原先的13B.若输电线不变,则输电线上损失的功率变为原先的19C.如果损失的功率不变,相同材料、传输到相同地方所需导线横截面积是原先的181D.如果损失的功率不变,相同材料、粗细的输电线传输距离是原先的9倍3.在匀强磁场中,一矩形金属线框绕与磁感线垂直的转轴匀速转动,如图甲所示,产生的交变电动势随时间变化的规律如图乙所示,已知线框内阻为1.0 Ω,外接一只电阻为9.0 Ω的灯泡,交流电压表为理想电表,则 (　　)　A.电压表V的示数为20 VB.电路中的电流方向每秒改变10次C.0.1 s时线框处于中性面位置D.电动势的瞬时值表达式为e=20 sin 10πt V4.某交变电流的电压随时间变化的规律如图所示(初始部分为正弦函数的四分之一周期),下列说法正确的是　 (　　)A.该交变电流的周期为2 sB.该交变电流电压的有效值为200 VC.将该交变电流加在交流电压表两端时,电压表读数为2002 VD.将该交变电流加在启辉电压(达到或超过启辉电压后氖管会发光)为200 V的氖管上,氖管未被击穿,则氖管1 s内发光100次5.某电动自行车充电器内有一输入电压为220 V、输出电压为60 V的变压器。由于副线圈烧坏了需要维修,维修人员拆下烧坏的副线圈,用绝缘导线在铁芯上绕出了一个5匝的线圈,如图所示。将原线圈接到220 V交流电源上,测得新绕线圈两端电压为1 V。则 (　　)A.该变压器原线圈有2 200匝B.该变压器原线圈有5 500匝C.被烧坏的副线圈有300匝D.被烧坏的副线圈有250匝6.如图为理想自耦变压器,其中P为变压器上的滑动触头,P'为滑动变阻器上的滑片,则以下说法正确的是 (　　)A.P不动,P'向下滑动时,U2一直在减小B.P'不动,P逆时针转动,可使电压U1减小C.P'不动,P顺时针转动一个小角度时,电流表示数增大D.P顺时针转动一个小角度,同时P'向下滑动时,小灯泡的亮度可能不变7.某小型水电站的电能输送示意图如图甲所示,发电机通过升压变压器和降压变压器向用户供电。已知输电线的总电阻r=10 Ω,降压变压器原、副线圈的匝数比为n3∶n4=n∶1,降压变压器的副线圈两端电压如图乙所示,降压变压器的副线圈与阻值为R0=22 Ω的电阻组成闭合电路。若将变压器视为理想变压器,则下列说法正确的是 (　　)　A.发电机产生交流电的频率为0.5 HzB.通过R0的电流的最大值为10 AC.输电线损失的功率为1000n2 WD.降压变压器的副线圈两端电压的瞬时值表达式为u=220 sin 100πt V8.一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、副线圈匝数的比值为 (　　)A.2　　　　B.3　　　　C.4　　　　D.5二、多项选择题(本大题共4小题,每小题4分,共16分。在每小题给出的四个选项中,有多个选项符合题目要求,全部选对的得4分,选对但不全的得2分,有选错或不答的得0分)9.如图甲所示,在匀强磁场中,一矩形金属线框绕与磁感线垂直的轴匀速转动,线框产生的感应电动势随时间变化的图像如图乙所示,下列说法正确的是 (　　)　A.t=0.005 s时,线框所在平面平行于磁场B.t=0.010 s时,线框所在平面为中性面C.t=0.015 s时,穿过线框的磁通量最大D.当线框平面与磁场的夹角为30°时,电动势约为156 V10.如图甲所示,在理想变压器输入端加上如图乙所示的交变电压U1=Um sin ωt,在副线圈的输出端串接上一只理想整流二极管D和滑动变阻器R,则 (　　)　A.当滑片P上移时,原线圈中的电流I1变大B.当滑片P上移时,原线圈的输入功率变小C.当拿掉二极管后,副线圈中的交流电周期与原来相同D.保持滑片P不动,R上电流有效值是无二极管时的1211.某电厂对用户进行供电的原理如图所示。发电机的输出电压为U1=380 V,输电线的总电阻r=15 Ω,为了减小损耗采用了高压输电。变压器视为理想变压器,其中升压变压器的匝数比为n1∶n2=1∶20,用户获得的电压为U4=220 V,发电厂的输出功率为P1=7.6×105 W,则下列说法中正确的有 (　　)A.输电线上的电流为100 AB.用户获得的功率为1.5×105 WC.降压变压器的匝数比为n3∶n4=380∶11D.若用户端消耗的功率增大,在发电厂的输出电压不变的情况下,用户端获得的电压减小12.如图所示,在xOy直角坐标系中的第二象限有垂直坐标平面向里的匀强磁场,第四象限有垂直坐标平面向外的匀强磁场,磁感应强度的大小均为B。直角扇形导线框半径为L、总电阻为R,在坐标平面内绕坐标原点O以角速度ω逆时针匀速转动,转动周期为T。线框从图中所示位置开始转动一周的过程中 (　　)A.消耗的电功率不变B.在0~T4时间内,线框中感应电流沿逆时针方向C.感应电流的有效值为I=BL2ω2RD.在转动过程中受到的安培力始终不变三、非选择题(本大题共6小题,共60分)13.(6分)为探究变压器线圈两端电压与匝数的关系,我们把两个线圈套在同一闭合的铁芯上,一个线圈连到学生电源的输出端,另一个线圈连到小灯泡上,如图所示,请回答下列问题:(1)将与灯泡相连的线圈匝数减少,其余装置不变继续实验,灯泡亮度将　　　　(选填“变亮”或“变暗”),这说明灯泡两端的电压　　　　(选填“变大”或“变小”); (2)在实验中,测得变压器原、副线圈的匝数分别为120和60,原、副线圈两端的电压分别为8.2 V和3.6 V,据此可知电压比与匝数比不相等,可能原因是　　　　　　　　。 14.(8分)某学习小组在“探究变压器原、副线圈电压和匝数关系”的实验中,采用了可拆式变压器,将原、副线圈套在铁芯A的两臂上,铁芯B安装在铁芯A上形成闭合铁芯,如图所示。(1)下列说法正确的是　　　　; A.为保证实验安全,原线圈应接低压直流电源B.电表应置于直流电压挡C.保持原线圈电压及匝数不变,改变副线圈的匝数,研究副线圈的匝数对输出电压的影响D.变压器正常工作后,电能由原线圈通过铁芯导电输送到副线圈(2)为了减小涡流的影响,铁芯应该选择　　　　; A.整块硅钢铁芯B.整块不锈钢铁芯C.绝缘的铜片叠成D.绝缘的硅钢片叠成(3)该实验小组认真检查电路无误后,分别测出相应的原、副线圈电压值。若原、副线圈匝数分别为n1=240、n2=120,在原线圈两端依次加上不同的电压,用多用电表合适的电压挡分别测量原、副线圈两端的电压,数据如表所示:利用表格中的数据在图中作出U1-U2图像,图像的斜率k=　　　　(保留2位有效数字)。 　15.(6分)正方形线框abcd在匀强磁场中,绕垂直于磁感线的轴OO'以角速度ω匀速转动,如图所示。线框边长为L,匝数为N,线框的总电阻为r,外电路的电阻为R,磁感应强度的大小为B。求:(1)线框转动过程中产生的感应电动势的最大值;(2)线框转动过程中,图中理想电压表的示数。16.(8分)一旋转磁极式发电机的原理图如图甲所示,其线圈固定,磁体在外力的驱动下绕线圈对称轴匀速转动,输出端通过一原、副线圈匝数比为n∶1的变压器(视为理想变压器)向电阻为R的用电器(可视为纯电阻)供电,如图乙所示,理想电压表的示数为U2。已知磁体间的磁场为匀强磁场,磁感应强度的大小为B,线圈的匝数为N、面积为S、电阻为r。求:(1)变压器原线圈所在电路中理想电流表的示数I1;(2)磁体转动的角速度ω。　17.(14分)如图甲所示为小型旋转电枢式交流发电机的原理图,其矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的固定轴沿图示方向匀速转动,线圈的匝数N=100,电阻r=4 Ω,线圈的两端经集流环与电阻R连接,电阻R的阻值为R=16 Ω,与R并联的交流电压表为理想电表。在t=0时刻,线圈平面与磁场方向平行,穿过每匝线圈的磁通量Φ随时间t按图乙所示正弦规律变化。(取π=3.14)求:(1)甲图中从图示位置开始计时,交流发电机产生的电动势的瞬时值表达式;(2)电路中交流电压表的示数;(3)从图示位置转过90°,通过线圈的电荷量q和电阻R产生的焦耳热Q。18.(18分)如图所示,用一小型交流发电机向远处用户供电,已知发电机线圈abcd的匝数N=100、面积S=0.03 m2,线圈匀速转动的角速度ω=100π rad/s,匀强磁场的磁感应强度B=2π T,输电时先用升压变压器将电压升高,到达用户区再用降压变压器将电压降下来后供用户使用,输电导线的总电阻为R=10 Ω,变压器都是理想变压器,降压变压器原、副线圈的匝数比n3∶n4=10∶1,若用户区标有“220 V　8.8 kW”的电动机恰能正常工作,发电机线圈电阻r不可忽略。求:(1)输电线路上损耗的电功率ΔP;(2)发电机电动势最大值和升压变压器副线圈两端电压U2;(3)若升压变压器原、副线圈匝数比为n1∶n2=1∶8,交流发电机线圈电阻r上的热功率与输电线上损耗的电功率之比。答案与解析1.A　由图像可知,电流的大小周期性变化,方向始终不发生变化,所以是直流电,电流最大值为0.2 A,周期为0.02 s,A正确,B、C、D错误。2.C　在输送功率不变时,输电电压升高到原来的9倍,则输电电流变为原来的19,若输电线不变,输电线上损失的电压ΔU=Ir,将变为原来的19,选项A错误;输电线上损失的功率ΔP=I2r,因此若输电线不变,输电线上损失的功率变为原先的181,选项B错误;如果损失的功率不变,PU2r=P9U2r',r'=81r,相同材料,则电阻率不变,当传输距离不变时,所需导线横截面积是原先的181,选项C正确;如果损失的功率不变,相同材料、粗细的输电线,传输距离是原先的81倍,选项D错误。3.B　从题图乙可知,电动势的最大值Em=202 V,电动势的有效值E=Em2=20 V,电路中的电流I=ER+r=2 A,电压表V的示数U=IR=18 V,A错误;周期T=0.2 s,频率为5 Hz,故电路中的电流方向每秒改变10次,B正确;0.1 s时,感应电动势最大,穿过线框的磁通量为零,线框与中性面垂直,C错误;角速度ω=2πT=10π rad/s,电动势的瞬时值表达式为e=202 cos 10πt V,D错误。4.D　由图像可知,该交变电流的周期为0.02 s,A错误;根据电流的热效应计算电压的有效值,有20022V2R×T4+(2002V)2R×T2=U2RT,解得有效值U=1005 V,B错误;交流电压表读数为交变电流电压的有效值,所以电压表读数为1005 V,C错误;只有当交流电压大于或等于启辉电压200 V时,氖管才能发光,由图像可知,一个周期氖管发光两次,而交变电流的周期为0.02 s,则1 s内发光100次,D正确。5.C　设该变压器的原、副线圈和新绕线圈的匝数分别为n1、n2、n3,变压器的原、副线圈和新绕线圈两端电压分别为U1、U2、U3,则有U1U3=n1n3,解得该变压器原线圈匝数为n1=U1U3·n3=1 100,A、B错误;同理可得U1U2=n1n2,被烧坏的副线圈匝数n2=U2U1·n1=300,C正确,D错误。6.D　P不动,P'向下滑动时,自耦变压器输入电压U1不变,根据U1U2=n1n2,输出电压U2不变,A错误;输入电压U1与匝数无关,B错误;P'不动,P顺时针转动一个小角度时,副线圈匝数减小,根据U1U2=n1n2可知副线圈两端电压减小,则电流减小,变压器输出功率减小,而理想变压器输入功率等于输出功率,则输入功率减小,原线圈中的电流减小,C错误;P顺时针转动一个小角度,U2变小,同时P'向下滑动,滑动变阻器接入电路的阻值减小,副线圈中的电流可能不变,小灯泡的亮度可能不变,D正确。7.C　变压器不改变交流电的频率,由题图乙可知,交流电的频率为f=12×10-2 Hz=50 Hz,A错误;通过R0的电流的最大值为Im=UmR0=102 A,B错误;通过R0的电流的有效值I=Im2=10 A,根据理想变压器原、副线圈中的电流与匝数的关系可知通过输电线的电流为I3=n4n3I=10n A,输电线损失的功率为P=I32r=1000n2 W,C正确;降压变压器的副线圈两端电压的瞬时值表达式为u=2202 sin 100πt V,D错误。8.B　设原、副线圈的匝数比为k,原线圈中的电流为I原,则副线圈中的电流为I副=kI原,U副=kI原R副。原线圈两端电压U原=k2I原R副,因为电源电压的有效值恒定,所以有IR1+k2I(R2+R3)=4R1I+4k2IR2,代入数据则有3I+5k2I=12I+4k2I,解得k=3,故选项B正确。导师点睛　本题可用等效电阻思想分析。设n1n2=k,由以上分析,S断开时有U=IR1+k2I(R2+R3)S闭合时有U=4IR1+4k2IR2解得k=3。9.AB　t=0.005 s时,线框产生的感应电动势最大,穿过线框的磁通量最小,线框所在平面平行于磁场,A正确;t=0.010 s时,线框产生的感应电动势为零,穿过线框的磁通量最大,线框处在中性面位置,B正确;t=0.015 s时,线框产生的感应电动势最大,穿过线框的磁通量最小,C错误;感应电动势的瞬时值可表示为e=311 sin θ(V),当θ=60°时线框平面与磁场的夹角为30°,代入可得电动势为e=311×32 V≈269 V,D错误。10.BC　当滑片P上移时,副线圈电路的电阻变大,副线圈电路电压不变,所以副线圈中的电流变小,副线圈的输出功率变小,相应的原线圈的输入功率变小,原线圈中的电流变小,A错误,B正确。由于理想整流二极管的作用是半波整流,将副线圈中负向电压滤除,所以当拿掉二极管后,副线圈中的交流电周期与原来相同,C正确。保持滑片P不动,在一个周期内,有二极管时R上产生的热量是无二极管时的12,即I有2RT=12I无2RT,得I有=22I无,所以有二极管时R上电流有效值是无二极管时的22,D错误。11.AD　根据P=UI,升压变压器原线圈中的电流为I1=P1U1=2 000 A,所以输电线上的电流为I2=n1n2I1=100 A,A正确;输电线损失的功率ΔP=I22r=1.5×105 W,则用户获得的功率P4=P1-ΔP=6.1×105 W,B错误;升压变压器副线圈两端电压U2=n2n1U1=7 600 V,降压变压器原线圈两端电压U3=U2-I2r=6 100 V,降压变压器的匝数比为n3n4=U3U4=6100V220V=30511,C错误;若用户端消耗的功率增大,在发电厂的输出电压不变的情况下,输电线的电流会增大,输电线上损失电压增大,降压变压器原线圈两端电压减小,则降压变压器副线圈两端电压减小,用户端获得的电压减小,D正确。故选A、D。12.AC　从图示位置开始计时,在0~T4时间内,根据楞次定律结合安培定则可知,线框中的感应电流沿顺时针方向,线框产生的感应电动势大小为E1=12BL2ω,感应电流大小为I1=E1R=BL2ω2R;在T4~T2时间内,线框中的感应电流沿逆时针方向,感应电动势大小为E2=12BL2ω,感应电流大小为I2=E2R=BL2ω2R;在T2~3T4时间内,线框中的感应电流沿逆时针方向,感应电动势大小为E3=12BL2ω,感应电流大小为I3=E3R=BL2ω2R;在3T4~T时间内,线框中的感应电流沿顺时针方向,感应电动势大小为E4=12BL2ω,感应电流大小为I4=E4R=BL2ω2R。综合上述分析可知,线框转动的过程中,线框内产生的感应电流大小不变,方向周期性变化;根据P=I2R可知,线框消耗的电功率不变,线框中感应电流的有效值为I=BL2ω2R,A、C正确,B错误。由左手定则可知线圈在转动过程中受到的安培力方向时刻发生变化,D错误。13.答案　(1)变暗(2分)　变小(2分)　(2)漏磁、铁芯发热、导线发热等(2分)解析　(1)与灯泡相连的副线圈的匝数n2减少,由U1U2=n1n2得副线圈两端电压U2变小,即灯泡两端电压变小,灯泡亮度变暗。(2)由于变压器不是理想变压器,电压比不等于匝数比的原因可能是漏磁、铁芯发热、导线发热等。14.答案　(1)C(2分)　(2)D(2分)　(3)图见解析(2分)　2.2(2分)解析　(1)变压器的工作原理是互感现象,为保证实验安全,原线圈应接低压交流电源,A错误;变压器使用的是交流电,电表应置于交流电压挡,B错误;为了研究副线圈的匝数对输出电压的影响,需要采用控制变量法,保持原线圈电压及匝数不变,改变副线圈的匝数,从而研究副线圈的匝数对输出电压的影响,C正确;变压器正常工作后,电能由原线圈通过铁芯,利用互感原理将电能输送到副线圈,D错误。选C。(2)为了减小涡流的影响,铁芯应该选择绝缘的硅钢片叠成,选D。(3)在坐标纸上描绘出相关数据点,用直线拟合各点迹,使点迹尽量多地分布在直线上,不在直线上的点均匀分布在直线两侧,如图所示。根据图像,直线的斜率为k=125.4≈2.2。15.答案　(1)NBL2ω　(2)2R2(R+r)NBL2ω解析　(1)感应电动势的最大值Em=NBSω=NBL2ω (2分)(2)转动过程中,电压表的示数为有效值U=Um2 (1分)其中Um=RR+rEm(1分)联立可得U=2R2(R+r)NBL2ω (2分)16.答案　(1)U2nR　(2)2(n2R+r)U2nNBSR解析　(1)副线圈电路电阻R中的电流I2=U2R (1分)根据理想变压器原、副线圈中电流与匝数的关系,可得I1I2=n2n1=1n (1分)电流表的示数即原线圈中的电流为I1=U2nR (1分)(2)线圈中产生感应电动势的最大值Em=NBSω (1分)电动势的有效值E=Em2 (1分)且有E=U1+I1r (1分)变压器原线圈两端电压U1=nU2 (1分)解得磁体转动的角速度ω=2(n2R+r)U2nNBSR (1分)17.答案　(1)e=200 cos 100t V　(2)802 V　(3)0.1 C　12.56 J解析　(1)由Φ-t图线可知,磁通量最大值Φm=2.0×10-2 Wb(1分)周期T=6.28×10-2 s,则角速度ω=2πT=2×3.146.28×10-2 rad/s=100 rad/s(1分)交流发电机产生的电动势的最大值Em=NBSω=NΦmω=100×2.0×10-2×100 V=200 V(1分)交流发电机产生的电动势的瞬时值表达式为e=Em cos ωt=200 cos 100t V(2分)(2)电动势的有效值E=Em2=1002 V(1分)由闭合电路欧姆定律得,电路中电流的有效值为I=ER+r=52 A(1分)交流电压表的示数为U=IR=802 V(2分)(3)从图示位置转过90°,磁通量变化量为ΔΦ=2.0×10-2 Wb(1分)通过线圈的电荷量q=IΔt=ER+rΔt=NΔΦΔt(R+r)Δt=NΔΦR+r=0.1 C(2分)根据焦耳定律,电阻R产生的焦耳热Q=I2Rt=(52)2×16×6.28×10-24 J=12.56 J。 (2分)18.答案　(1)160 W　(2)3002 V　2 240 V　(3)4∶1解析　(1)电动机恰能正常工作,有I4=P用U4=8800220 A=40 A(2分)根据理想变压器原、副线圈中的电流与匝数的关系,有I3I4=n4n3 (1分)得降压变压器原线圈中的电流I3=4 A(1分)输电线路上损耗的电功率ΔP=I32R=160 W(2分)(2)发电机电动势最大值为Em=NBSω=3002 V(1分)输电线路上损失的电压ΔU=I3R=40 V(1分)根据理想变压器原、副线圈电压与匝数的关系,有U3U4=n3n4 (1分)得降压变压器原线圈两端电压为U3=n3n4·U4=2 200 V(1分)升压变压器副线圈两端电压U2=U3+ΔU=2 240 V(1分)(3)根据理想变压器原、副线圈电压与匝数的关系,有U1U2=n1n2 (1分)可得升压变压器原线圈两端电压U1=n1n2·U2=280 V(1分)升压变压器的原线圈输入功率P1=ΔP+P用=8 960 W(1分)根据P1=U1I1,解得I1=32 A(1分)发电机电动势有效值E=Em2=300 V(1分)发电机线圈内阻上的热功率P内=I1E-I1U1=640 W(1分)所以交流发电机线圈电阻r上的热功率与输电线上损耗的电功率之比P内ΔP=4∶1 (1分)序号12345原线圈:U1/V2.04.06.08.010.0副线圈:U2/V0.901.822.753.634.501.A2.C3.B4.D5.C6.D7.C8.B9.AB10.BC11.AD12.AC