2021高考物理二轮复习第11讲恒定电流和交变电流课件

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第11讲　恒定电流和交变电流
1.知识规律(1)闭合电路的欧姆定律。
②U路=E-Ir。(2)交变电流的“四值”。①最大值:Em=nBSω。②瞬时值:e=Emsin ωt。③有效值:由电流的热效应定义求解。
(3)理想变压器的四个基本关系。①功率关系:P入=P出。
④频率关系:f1=f2。2.思想方法(1)物理思想:等效思想、守恒思想。(2)物理方法:图像法、等效法、程序法、分析推理法、特殊值法。
直流电路的动态分析常以选择题的形式考查闭合电路的欧姆定律。例1已知磁敏电阻在无磁场时电阻很小,有磁场时电阻变大,并且磁场越强阻值越大。为探测磁场的有无,利用磁敏电阻作为传感器设计了如图所示电路。电源的电动势E和内阻r不变,在无磁场时调节滑动变阻器R使小灯泡L正常发光。若探测装置从无磁场区进入强磁场区,则(　　)A.小灯泡L变亮B.电压表的示数变小C.磁敏电阻两端电压变小D.通过滑动变阻器的电流变大
解析:因为磁敏电阻在无磁场时电阻很小,有磁场时电阻变大,并且磁场越强阻值越大,所以当它从无磁场区进入强磁场区时,其电阻会变大,所以它与滑动变阻器串联的总电阻也变大,再与灯泡并联的总电阻也变大,故外电路的电阻增大,所以外电路的电压增大,即灯泡的两端电压变大,小灯泡变亮,选项A正确;电压表的示数变大,故选项B错误;由欧姆定律可知,电路中的总电流变小,而小灯泡的电流变大,故流过滑动变阻器的电流变小,则其两端电压变小,又由于滑动变阻器所在支路的电压变大,故磁敏电阻两端电压变大,选项C、D错误。
规律方法闭合电路动态分析的两种方法(1)程序分析法:
(2)利用结论法:“串反并同”法所谓“串反”即某一电阻增大(减小)时,与它串联或间接串联的电阻中的电流、两端电压都减小(增大);所谓“并同”即某一电阻增大(减小)时,与它并联或间接并联的电阻中的电流、两端电压都增大(减小)。
拓展训练1如图甲所示,M为一电动机,闭合开关,在滑动变阻器R的滑片从一端滑到另一端的过程中,两电压表的读数随电流表读数的变化情况如图乙所示。已知电流表读数在0.2 A以下时,电动机没有发生转动。不考虑电表对电路的影响,以下判断正确的是(　　)
A.电路中的电源电动势为3.4 VB.滑动变阻器的滑片向右滑动时,V2读数逐渐减小C.此电路中,电动机的最大输出功率为0.9 WD.滑动变阻器的最大阻值为30 Ω
答案:D　解析:由题图乙可知E=3.6 V,选项A错误。当I=0.1 A时,滑动变阻器电阻为最大值,由题图可知rM=4 Ω,r=2 Ω,由闭合电路欧姆定律可得R= -r-rM=30 Ω,选项D正确。滑动变阻器的滑片向右滑动时,R阻值变大,总电流减小,路端电压即为V2读数逐渐变大,选项B错误。电动机内阻rM=4 Ω,当I=0.3 A时,电动机输出功率最大,最大为3 V×0.3 A-(0.3 A)2×4 Ω=0.54 W,选项C错误。
交变电流的产生和描述常以选择题的形式考查交变电流的产生原理和图像。例2(多选)图甲为小型旋转电枢式交流发电机示意图,电阻为r=2 Ω的矩形线圈在磁感应强度为B的匀强磁场中,绕垂直于磁场方向的固定轴OO'匀速转动,线圈的两端经集流环和电刷与右侧电路连
与磁场方向平行时开始计时,闭合开关S,线圈转动过程中理想交流电压表示数是10 V,图乙是矩形线圈磁通量Φ随时间t变化的图像,则下列说法正确的是(　　)
规律方法1.线圈通过中性面时的特点(1)穿过线圈的磁通量最大。(2)线圈中的感应电动势为零。(3)线圈每经过中性面一次,感应电流的方向改变一次。2.交变电流“四值”的应用(1)最大值:分析电容器的耐压值。(2)瞬时值:计算闪光电器的闪光时间、线圈某时刻的受力情况。(3)有效值:电表的读数及计算电热、电功、电功率和保险丝的熔断电流。(4)平均值:计算通过电路截面的电荷量。
拓展训练2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,产生的交流电动势的图像如图乙所示,则(　　)A.t=0.005 s时线框的磁通量变化率为零B.t=0.01 s时线框平面与中性面重合C.线框产生的交流电动势有效值为311 VD.线框产生的交流电动势频率为100 Hz
解析:由题图乙可知,t=0.005 s时,感应电动势最大,线框的磁通量变化率最大,A错误;t=0.01 s时感应电流为零,故线框平面处于中性
变压器和远距离输电问题常以选择题形式考查含变压器的动态电路。例3在如图所示的交流电路中,理想变压器输入电压为U1,输入功率为P1,输出功率为P2,各交流电表均为理想电表,则(　　)A.当滑动变阻器R的滑片向下移动时灯L变亮B.当滑动变阻器R的滑片向上移动时灯L变亮C.当滑动变阻器R的滑片向下移动时各个电表读数均变大D.当滑动变阻器R的滑片向上移动时P1变大,且始终有P1=P2
滑动变阻器R的滑片向下移动时,电流表读数增大,变压器输出电流增大,电阻R0两端电压增大,电压表读数减小,电灯L变暗,选项A、C错误;当滑动变阻器R的滑片向上移动时,电流表读数减小,变压器输出电流减小,电阻R0两端电压减小,电压表读数增大,电灯L变亮,选项B正确;当滑动变阻器R的滑片向上移动时,变压器输出电流减小,输出功率减小,根据变压器功率关系,P1变小,且始终有P1=P2,选项D错误。
例4(多选)图甲为远距离输电示意图,变压器均为理想变压器。升压变压器原、副线圈匝数比为1∶100,其输入电压如图乙所示。远距离输电线的总电阻为100 Ω。降压变压器右侧部分为一火警报警系统原理图,其中R1为一定值电阻,R2为用半导体热敏材料制成的传感器,当温度升高时其阻值变小。电压表显示加在报警器两端的电压(报警器未画出),未出现火警时,升压变压器的输入功率为750 kW。下列说法正确的有(　　)
A.降压变压器副线圈输出的交变电流频率为50 HzB.远距离输电线路损耗功率为180 kWC.当传感器R2所在处出现火警时,电压表的示数变小D.当传感器R2所在处出现火警时,输电线上的电流变小思维导引
答案:AC　解析:由题图乙知交变电流的周期为0.02 s,所以频率为50 Hz,变压器不改变频率,A正确;升压变压器输入端电压有效值为250 V,根据电压与匝数成正比知副线圈电压为25 000 V,所以输电线中的电流为I= =30 A,输电线路损耗功率为ΔP=I2R=90 kW,B错误;当传感器R2所在处出现火警时,其阻值减小,副线圈中电流增大,定值电阻的分压增大,所以电压表的示数变小,C正确;副线圈电流增大,根据电流与匝数成反比知输电线上的电流变大,D错误。
规律方法1.原、副线圈中各量的因果关系(1)电压关系:U1决定U2。(2)电流关系:I2决定I1。(3)功率关系:P出决定P入。2.输电过程的电压关系
3.输电过程功率的关系
拓展训练3(多选)某同学在实验室中研究远距离输电。由于输电线太长,他将导线每100 m卷成一卷,共卷成8卷来代替输电线路(忽略输电线路的自感作用)。第一次直接将输电线与学生电源及用电器相连,测得输电线上损失的功率为P1。第二次采用如图所示的电路输电,其中理想变压器T1与电源相连,其原、副线圈的匝数比为n1∶n2,理想变压器T2与用电器相连,测得输电线上损失的功率为P2。下列说法正确的是(　　)A.前后两次实验都可用于研究远 距离直流输电B.实验可以证明,减小输电电流能减 小远距离输电的能量损失
D.若输送功率一定,则P2∶P1=n1∶n2
解析:变压器只能改变交变电流的电压,所以第二次实验只能研究远距离交流输电,故A错误。实验可以证明,减小输电电流能减小远距离输电的能量损失,故B正确。第一次实验输电线上的电流
1.(2018·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;若该电阻接到正弦式交流电源上,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(　　)
2.(多选)如图所示,电源电动势E=3 V,内阻r=2 Ω,定值电阻R1=2 Ω,滑动变阻器的最大阻值R2=4 Ω,其滑片P置于正中央,电容器C的正中央A处固定一个带正电的点电荷q,右极板N接地,现将开关S1、S2闭合,则(　　)A.若滑动变阻器的滑片从中央向右滑动,电压表的读数变大B.若滑动变阻器的滑片从中央向右滑动,电源的输出功率变小C.若滑动变阻器的滑片从中央向左滑动,电容器两极板间的电场强度变小,A位置的电势降低D.若将开关S1、S2闭合一段时间后再断开S2,将电容器左极板M稍稍向右移,点电荷q的电势能不变
3.(多选)(2020·全国卷Ⅱ)特高压输电可使输送中的电能损耗和电压损失大幅降低。我国已成功掌握并实际应用了特高压输电技术。假设从A处采用550 kV的超高压向B处输电,输电线上损耗的电功率为ΔP,到达B处时电压下降了ΔU。在保持A处输送的电功率和输电线电阻都不变的条件下,改用1 100 kV特高压输电,输电线上损耗的电功率变为ΔP',到达B处时电压下降了ΔU'。不考虑其他因素的影响,则(　　)
4.(多选)如图所示,图线a是线圈在匀强磁场中匀速转动时所产生的正弦式交变电流的图像。当调整线圈转速后,所产生的正弦式交变电流的图像如图线b所示。以下关于这两个正弦式交变电流的说法正确的是(　　)A.线圈先后两次转速之比为2∶3B.在图中t=0时刻穿过线圈的磁通量均为零C.交变电流a的电动势瞬时值的表达式为e=10sin 5πt V
5.(多选)如图所示,匝数为10的矩形线框处在磁感应强度B= T的匀强磁场中,绕垂直磁场的轴以恒定角速度 ω=10 rad/s在匀强磁场中转动,线框电阻不计,面积为 0.4 m2,线框通过滑环与一理想自耦变压器的原线圈相连,副线圈接有一只灯泡L(4 W,100 Ω)和滑动变阻器。已知图示状况下灯泡正常发光,电流表视为理想电表,则下列说法正确的是(　　)A.此时原、副线圈的匝数比为2∶1B.此时电流表的示数为0.4 AC.若将自耦变压器触头向下滑动,灯泡会变暗D.若将滑动变阻器滑片向上移动,则电流表示数增大
交变电流图像与理想变压器综合问题【典例示范】 (多选)在如图甲所示的电路中,理想变压器原、副线圈匝数比为10∶1,电流表、电压表均为理想电表,R是光敏电阻(其阻值随光强增大而减小)。原线圈接入如图乙所示的正弦式交流电压,下列说法正确的是(　　)A.交流电压的频率为100 HzB.电压表的示数为22 VC.照射R的光变强时,灯泡变暗D.照射R的光变强时,电流表的示数变大
分析推理:1.有效值。2.电压表示数不变,副线圈中电流增大。
以题说法(1)抓住理想变压器问题中的两个“弄清”:①弄清变量和不变量。如原线圈电压不变,原、副线圈的匝数比不变,其他物理量可随电路的变化而发生变化。②弄清动态变化过程中的决定关系。如U2 由U1决定,P1、I1由P2、I2决定。(2)理想变压器问题的分析流程:
③由P1=P2=I2U2判断输入功率的情况。④由P1=I1U1分析I1的变化情况。
针对训练(多选)(2020·全国卷Ⅲ)在图甲所示的交流电路中,电源电压的有效值为220 V,理想变压器原、副线圈的匝数比为10∶1,R1、R2、R3均为固定电阻,R2=10 Ω,R3=20 Ω,各电表均为理想电表。已知电阻R2中电流i2随时间t变化的正弦曲线如图乙所示。下列说法正确的是(　　)