2023届高考物理二轮复习专题四第1讲直流电路和交流电路学案

这是一份2023届高考物理二轮复习专题四第1讲直流电路和交流电路学案，共12页。


1. 会解决直流电路的问题．
2. 理解交变电流的产生及四值问题．
3. 理解变压器与远距离输电等问题．
1. 恒定电流
(1) 闭合电路中的电压、电流关系：
E＝U外＋U内，I＝ eq \f(E,R＋r)，U＝E－Ir．
(2) 闭合电路中的功率关系：
P总＝EI，P内＝I2r，P出＝IU＝I2R＝P总－P内．
(3) 直流电路中的能量关系：电功W＝qU＝UIt，电热Q＝I2Rt．
(4) 纯电阻电路中W＝Q，非纯电阻电路中W>Q.
2. 交变电流
(1) 交变电流的“四值”
①最大值：为Um、Im，即交变电流的峰值．
②瞬时值：反映交变电流每瞬间的值，如e＝Emsin____ωt．
③有效值：正弦式交变电流的有效值与最大值之间的关系为E＝ eq \f(Em,\r(2))、U＝ eq \f(Um,\r(2))、I＝ eq \f(Im,\r(2))；非正弦式交变电流的有效值必须根据电流的热效应来求解．计算交变电流的电功、电功率和测定交流电路的电压、电流都是指有效值．
④平均值：反映交变电流的某物理量在t时间内的平均大小，如平均电动势E＝n eq \f(ΔΦ,Δt)．
(2) 理想变压器的基本关系式
①功率关系：P入＝P出；
②电压关系： eq \f(U1,U2)＝ eq \f(n1,n2)；
③电流关系： eq \f(I1,I2)＝ eq \f(n2,n1)．
(3) 远距离输电常用关系式(如图所示)
①功率关系：P1＝P2，P3＝P4，P2＝P线＋P3．
②电压损失：U损＝I2R线＝U2－U3．
③输电电流：I线＝ eq \f(P2,U2)＝ eq \f(P3,U3)＝ eq \f(U2－U3,R线)．
④输电导线上损耗的电功率：P损＝I线U损＝I eq \\al(2,线) __R线＝( eq \f(P2,U2))2R线．
1. (2020·江苏卷)电流互感器是一种测量电路中电流的变压器，工作原理如图所示．其原线圈匝数较少，串联在电路中，副线圈匝数较多，两端接在电流表上，则电流互感器( )

A. 是一种降压变压器
B. 能测量直流电路的电流
C. 原、副线圈电流的频率不同
D. 副线圈的电流小于原线圈的电流
【解析】 变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，不能改变交变电流的频率，B、C均错误；根据变压器匝数与电压的关系 eq \f(U1,U2)＝ eq \f(n1,n2) ，可得副线圈的电压U2＝ eq \f(n2,n1)U1，由于原线圈匝数少而副线圈的匝数多，即n1U1，电流互感器是一种升压变压器，A错误；根据变压器匝数与电流的关系 eq \f(I1,I2)＝ eq \f(n2,n1) ，可得副线圈的电流I2＝ eq \f(n1,n2)I1，由于n1＜n2，因此有I2＜I1，D正确．
【答案】 D
2. (2020·江苏卷改编)某汽车的电源与启动电机、车灯连接的简化电路如图所示．当汽车启动时，开关S闭合，电机工作，车灯突然变暗，关于此时，下列说法中错误的是( )
A. 车灯的电流变小
B. 路端电压变小
C. 电路的总电流变小
D. 电源的总功率变大
【解析】 开关闭合时，车灯变暗，故流过车灯的电流I灯变小，故A正确；电路的路端电压为U路＝U灯＝I灯R灯，I灯变小，路端电压变小，故B正确；总电流即干路电流为I干＝ eq \f(U内,r)＝ eq \f(E－U路,r)，U路减小，干路电流增大，故C错误；电源总功率为P总＝EI干，I干增大，总功率变大，故D正确．故选C.
【答案】 C
3. (2021·广东卷)某同学设计了一个充电装置，如图所示，假设永磁铁的往复运动在螺线管中产生近似正弦式交流电，周期为0.2 s，电压最大值为0.05 V，理想变压器原线圈接螺线管，副线圈接充电电路，原、副线圈匝数比为1∶60，下列说法正确的是( )
A. 交流电的频率为10 Hz
B. 副线圈两端电压最大值为3 V
C. 变压器输入电压与永磁铁磁场强弱无关
D. 充电电路的输入功率大于变压器的输入功率
【解析】 周期是T＝0.2 s，频率是f＝ eq \f(1,T)＝5 Hz，故A错误；由理想变压器原理 eq \f(U1,U2)＝ eq \f(n1,n2)，解得副线圈两端的最大电压为U2＝ eq \f(n2,n1)U1＝3 V，故B正确；根据法拉第电磁感应定律可知，永磁铁磁场越强，线圈中产生的感应电动势越大，变压器的输入电压就会越大，故C错误；由理想变压器原理可知，充电电路的输入功率等于变压器的输入功率，故D错误．
【答案】 B
4. (2022·广东卷)如图所示是简化的某种旋转磁极式发电机原理图．定子是仅匝数n不同的两线圈，n1>n2，二者轴线在同一平面内且相互垂直，两线圈到其轴线交点O的距离相等，且均连接阻值为R的电阻，转子是中心在O点的条形磁铁，绕O点在该平面内匀速转动时，两线圈输出正弦式交变电流．不计线圈电阻、自感及两线圈间的相互影响，下列说法正确的是( )
A. 两线圈产生的电动势的有效值相等
B. 两线圈产生的交变电流频率相等
C. 两线圈产生的电动势同时达到最大值
D. 两电阻消耗的电功率相等
【解析】 根据E＝n eq \f(ΔΦ,Δt)，两线圈中磁通量的变化率相等，但是匝数不等，则产生的感应电动势最大值不相等，有效值也不相等，根据P＝ eq \f(U2,R)，可知两电阻的电功率也不相等，A、D错误；因两线圈放在同一个旋转磁铁的旁边，则两线圈产生的交流电的频率相等，B正确；当磁铁的磁极到达一个线圈附近时，另一个线圈的磁通量变化率最大，感应电动势最大，可知两线圈产生的感应电动势不可能同时达到最大值，C错误．
【答案】 B
闭合电路动态分析的两种常用方法
(1) 程序分析法：流程如下
R eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(\a\vs4\al(增大,减小)\(――→,\s\up12(I总＝\f(E),\s\d4(R＋r)))I总)) eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(\a\vs4\al(减小,增大)\(――→,\s\up7(U内＝I总r))))
U内 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(\a\vs4\al(减小,增大)\(――→,\s\up7(U外＝E－I总r))U外)) eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(\a\vs4\al(增大,减小))) eq \(――→,\s\up7(最后确定)) eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(I支,U支))
(2) 利用结论法：即串反并同法
①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、消耗的电功率都减小(增大)；
②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、消耗的电功率都增大(减小).
eq \x(例) eq \x(1)(2022·苏州期中)如图所示，电源电动势为E、内阻为r，R0为定值电阻，电容器的电容为C.闭合开关S，增大可变电阻R阻值的过程中，电压表示数的变化量为ΔU，电流表示数的变化量为ΔI，则( )
A. 电压表示数U和电流表示数I的比值为R0＋r
B. ΔU和ΔI的比值为r
C. 电容器电荷的增加量为CΔU
D. 电阻R0两端电压的减小量为ΔU
【解析】 由图可知R＝ eq \f(U,I)，R增大，则电压表的示数U和电流表的示数I的比值变大，故A错误；根据闭合电路欧姆定律得U＝E－I(R0＋r)，由数学知识得知 eq \f(ΔU,ΔI)＝R0＋r，保持不变，故B错误；闭合开关S，增大可变电阻R的阻值后，电路中电流减小，由欧姆定律分析，得知电阻R0两端的电压减小，R两端的电压增大，而它们的总电压即路端电压增大，所以电阻R0两端的电压减小量小于ΔU，电容器两极板间的电压等于R两端的电压，可知电容器板间电压增大，带电量增大，增大量为CΔU，故D错误，C正确．
【答案】 C
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. 正弦式交流电“四值”的应用
eq \x(例) eq \x(2)(2021·江苏卷)贯彻新发展理念，我国风力发电发展迅猛，2020年我国风力发电量高达4 000亿千瓦时．某种风力发电机的原理如图所示，发电机的线圈固定，磁体在叶片驱动下绕线圈对称轴转动，已知磁体间的磁场为匀强磁场，磁感应强度的大小为0.20 T，线圈的匝数为100、面积为0.5 m2，电阻为0.6 Ω，若磁体转动的角速度为90 rad/s，线圈中产生的感应电流为50 A．求：
(1) 线圈中感应电动势的有效值E；
(2) 线圈的输出功率P.
【答案】 (1) 电动势的最大值Em＝NBSω，
有效值E＝ eq \f(Em,\r(2))，解得E＝ eq \f(NBSω,\r(2))，
代入数据解得E≈6.4×102 V.
(2) 输出电压U＝E－Ir，输出功率P＝IU，
解得P＝I(E－Ir)＝50×(6.4×102－50×0.6)W≈3.1×104 W．
1. 变压器制约问题主要有三项：
电压制约：输出电压U2由输入电压决定，即U2＝ eq \f(n2,n1)U1，可简述为“原制约副”．
电流制约：原线圈中的电流I1由副线圈中的输出电流I2决定，即I1＝ eq \f(n2,n1)I2，可简述为“副制约原”．
负载制约：原线圈的功率P1由用户负载决定，P1＝P负1＋P负2＋…，简述为“副制约原”．
2. 动态分析问题的思路程序可表示为：
eq \x(例) eq \x(3)(2022·扬州中学考试)如图所示是变电所为市区用户供电的示意图．变压器的输入电压是电网的电压，可视为不变．变压器视为理想变压器，其变压比通过P可调，输电线的电阻为R0，则( )
A. 用户增多时，A表的示数减小
B. 用户增多时，为使用户获得的电压稳定在220 V应将P适当上调
C. 用户减少时，用户获得的电压会有所降低
D. 用户减少时，R0的功率增大
【解析】 设变压器输入电压为U1，输出电压为U2，用户电压为U3，当P不动，则U2不变，变压器原副线圈电流关系为 eq \f(I1,I2)＝ eq \f(n2,n1)，用户增多时，电路总电阻变小，电流I2增大，可知原线圈电流I1增大，则A表的示数增大，故A错误；R0两端的电压为U0＝I2R0，用户得到的电压为U3＝U2－U0，当用户增多时，I2增大，U0增大，所以U3减小，为使用户获得的电压稳定在220 V，则需要增大U2，变压器原副线圈电压关系为 eq \f(U2,U1)＝ eq \f(n2,n1)，在U1 和n2 不变的情况下，要增大U2，可以减小n1，即将P适当上调，故B正确，C错误；R0消耗的功率为P0＝I eq \\al(2,2) R0，当用户减少时，I2减小，所以 R0的功率减小，故D错误．
【答案】 B
1. (2022·南通如皋适应性考试)互感式钳形电流表内部结构如图所示，电流表与次级线圈相连，用手柄控制钳形铁芯上方开口的开合，则( )
A. 该电流表可用来测量直流电
B. 次级线圈匝数越少，电流表读数越大
C. 该电流表测电流时相当于降压变压器
D. 测量时电流表应串联在被测通电导线中
【解析】 互感式钳形电流表利用的是电磁感应的互感原理，不能测量直流电，故A错误；电流大小与线圈匝数成反比，所以次级线圈匝数越少，电流表读数越大，故B正确；该电表原线圈为单匝，是升压变压器，故C错误；测量时，用手柄控制钳形铁芯上方开口打开，将被测通电导线圈放入其中，不需要将电流表串联在被测通电导线中，故D错误．
【答案】 B
2. (2022·南通如皋期中)汽车蓄电池供电简化电路图如图所示，当汽车启动时，启动开关S闭合，电动机工作，则S闭合后( )
A. 车灯会变亮
B. 蓄电池输出功率减小
C. 蓄电池总功率增大
D. 电动机对外做功的功率等于其消耗的功率
【解析】 启动开关S闭合，外电阻减小，总电流增大，内电压增大，外电压减小，则车灯会变暗，A错误；由于电池的内电阻与外电阻大小关系不确定，因此蓄电池输出功率增大还是减小无法确定，B错误；根据功率公式P＝EI，由于启动开关S闭合，外电阻减小，总电流增大，故蓄电池总功率增大，C正确；由于电动机有内阻，则有热功率，故电动机对外做功的功率小于其消耗的功率，D错误．
【答案】 C
3. (2022·济南期末)恒流源是一种特殊的电源，其输出的电流能始终保持不变；恒压源也是一种特殊的电源，其输出的电压能始终保持不变．如图甲所示的电路中电源是恒流源，如图乙所示的电路中电源是恒压源，两图中的滑动变阻器滑动触头P均从最右端向最左端移动时，下列说法中不正确的是( )
A. 图甲中R1两端的电压减小
B. 图乙中R1两端的电压减小
C. 图甲中流过R2的电流保持不变
D. 图乙中流过R2的电流保持不变
【解析】 题图甲中两个支路的电压始终相等，所以支路电流与电阻成反比，即I2R2＝I1(R1＋R0)且I1＋I2＝I是定值，滑动变阻器滑动触头P从最右端向最左端移动时，R0增大，可知I1减小，I2增大，R1两端的电压U1＝I1R1减小，故A正确，C错误；题图乙中两个支路的电压始终相等且为定值，支路电流与电阻成反比，即I2R2＝I1(R1＋R0)＝U(定值)，滑动变阻器滑动触头P从最右端向最左端移动时，R0增大，可知I1减小，I2不变，R1两端的电压U1＝I1R1减小，故B、D正确．故选C.
【答案】 C
4. (2022·徐州模拟)如图所示，理想变压器输入电压u＝Umsin ωt.电压表V、电流表A均为理想电表．接通开关S，则( )
A. 灯泡L变亮
B. A、V示数均减小
C. V示数不变，A示数减小
D. 原线圈输入功率增大
【解析】 开关闭合，输入电压不变，副线圈总电阻减小，根据 eq \f(U1,U2)＝ eq \f(n1,n2)，I2＝ eq \f(U2,R副)可知，副线圈电压U2不变，输出电流增大，再根据闭合电路的欧姆定律U2＝I2r＋I2R并可得，串联电阻r分压增大，并联部分电压减小，灯泡L变暗，A错误；开关闭合，副线圈总电阻减小，输入电压不变，则输出电压不变，V示数不变，输出电流增大，根据 eq \f(I2,I1)＝ eq \f(n1,n2)，则输入电流增大，A示数增大，B、C错误；开关闭合，副线圈总电阻减小，副线圈电压不变，副线圈总电流增大，副线圈输出功率变大，则原线圈输入功率增大，D正确．
【答案】 D