专题12 交流电-2021高考物理专项攻关高分宝典（解析版）

这是一份专题12 交流电-2021高考物理专项攻关高分宝典（解析版），共20页。
交变电流的四值问题、变压器的原理及应用、远距离输电等是本章的考查重点.其中对变压器的考查在高考命题中出现频率较高，交变电流四值与变压器的综合考查、原线圈中含有用电器的变压器问题是常见的命题考向，常以选择题的形式出现,分值一般为6分。复习时,要了解交变电流的产生过程;能分析、应用交变电流的图像;理解并会计算交变电流四值；理解变压器的制约关系并会求解变压器原、副线圈中的电流、电压与电功率，会分析变压器的动态变化过程;掌握应用变压器进行远距离输电问题。
【备考建议】
【经典例题】
【经典例题】
考点一 交变电流的产生及变化规律
【典例1】（2020陕西咸阳一模）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1所示，产生的交变电动势的图象如图2所示，则（ ）
【答案】B
【解析】由图2知：t=0.005s时，感应电动势最大，由法拉第电磁感应定律E=n可知，磁通量的变化率最大，但线圈与磁场平行磁通量为零，故A错误。由图2可知t=0.01时刻，e=0，说明此时线圈正经过中性面，故B正确。由图2可知：该交变电流的周期为 T=0.02s，电动势最大值为Em=311V。
根据正弦式交变电流有效值和峰值的关系可得，该交变电流的有效值为E=Em/=311/V=220V，
据周期和频率的关系可得，该交变电流的频率为：f=1/T=50Hz，故CD错误。
【典例2】(2018·武汉模拟)(多选)如图所示，导体棒ab两个端点分别搭接在两个竖直放置、电阻不计、半径相等的金属圆环上，圆环通过电刷与导线c、d相接．c、d两个端点接在匝数比n1∶n2＝10∶1的变压器原线圈两端，变压器副线圈接一滑动变阻器R0，匀强磁场的磁感应强度为B，方向竖直向下，导体棒ab长为L(电阻不计)，绕与ab平行的水平轴(也是两圆环的中心轴)OO′以角速度ω匀速转动．如果滑动变阻器的阻值为R时，通过电流表的电流为I，则( )
A．滑动变阻器上消耗的功率为P＝100I2R
B．变压器原线圈两端的电压U1＝10IR
C．取ab在环的最低端时t＝0，则导体棒ab中感应电流的表达式是i＝eq \r(2)Isin ωt
D．ab沿环转动过程中受到的最大安培力F＝eq \r(2)BIL
【答案】AD
【解析】由eq \f(I1,I2)＝eq \f(n2,n1)得I2＝10I，变阻器上消耗的功率为P＝Ieq \\al(2,2)R＝(10I)2R＝100I2R，故A正确；副线圈的电压为U＝I2R＝10IR，根据理想变压器的电压与匝数成正比可知，变压器原线圈两端的电压U1＝100IR，故B错误；ab在最低点时，ab棒与磁场垂直，此时的感应电动势最大，感应电流最大，所以棒ab中感应电流的表达式应为i＝eq \r(2)Ics ωt，故C错误；ab在最低点时，ab棒与磁场垂直，此时的感应电动势最大，感应电流最大，最大值为eq \r(2)I，此时的安培力也是最大的，最大安培力为F＝eq \r(2)BIL，故D正确．
考点二 交变电流有效值的求解
【典例3】（2020江苏高考仿真模拟3）如图所示，图甲、图乙分别表示两种电流的波形，其中图甲所示的电流按正弦规律变化，下列说法正确的是
0.02
甲
0.01
t/s
i/A
O
5.0
-5.0
i/A
5.0
-5.0
图
甲
A．图甲表示交流电，图乙表示直流电
B．两种电流变化的频率相等
C．两种电流的瞬时值表达式都为A
D．两种电流的有效值相等
【答案】B
【解析】由于两图中表示的电流方向都随时间变化，因此都是交流电，选项A错误；根据甲、乙两图可知两种电流变化的频率f=50Hz，选项B正确；图乙不是正弦式交流电，所以表达式不是正弦函数，选项C错误；由于对应相同时刻，图甲电压比图乙电压大，根据有效值的定义可知，图甲有效值要比图乙有效值大，图甲是正弦式交流电，所以有效值，图乙应小于A，选项D错误。
考点三 交变电流“四值”的比较和应用
【典例4】(2018·辽宁辽阳模拟)如图所示,矩形线圈abcd与可变电容器C、理想电流表A组成闭合电路.线圈在有界匀强磁场中绕垂直于磁场的bc边匀速转动,转动的角速度ω=100π rad/s.线圈的匝数N= 100,边长ab= 0.2 m,ad=0.4 m,电阻不计.磁感应强度大小B= T.电容器放电时间不计.下列说法正确的是( )
A.该线圈产生的交流电动势峰值为50 V
B.该线圈产生的交流电动势有效值为50 V
C.电容器的耐压值至少为50 V
D.电容器的电容C变大时,电流表的示数变小
【答案】B
【解析】:Em=NBSω=100× QUOTE ×(0.2×0.4)×100π V=50 QUOTE V,故A错误;E= QUOTE =50 V,故B正确;电容器的耐压值为电压的最大值,至少为50 QUOTE V,故C错误;电容器的电容C变大时,容抗变小,故电流表的示数变大,故D错误.
考点四 理想变压器的原理和基本关系
【典例5】 （2020年5月山东泰安二模）如图所示，理想变压器原、副线圈匝数之比为1∶4，正弦交流电源电压为U=100V，电阻R1=10Ω，R2=20Ω，滑动变阻器R3最大阻值为40Ω，滑片P处于正中间位置，则
A.通过R1的电流为8A
B.电压表读数为400V
C.若向上移动P，电压表读数将变大
D.若向上移动P，电源输出功率将变小
【答案】 A
【解析】由串联电路规律，U=I1R1+ U1，根据变压器的变压公式，U1∶U2=n1∶n2=1∶4，滑动变阻器R3最大阻值为40Ω，滑片P处于正中间位置，接入电路的电阻值为R3=20Ω，U2= I2（R2+ R3），根据变压器的变流公式，I1∶I2=n2∶n1=4∶1，联立解得：U2=80V，通过R1的电流为I1=8A，选项A正确B错误；若向上移动P，接入副线圈电路中电阻值减小，副线圈输出电流I2增大，副线圈输出电功率增大，根据变压器的输出电功率决定输入电功率可知，原线圈输入电功率将变大，电源输出功率将变大，原线圈电流I1增大，由U=I1R1+ U1，可知U1减小，根据变压器的变压公式，U1∶U2=n1∶n2=1∶4，可知U2减小，电压表读数将变小，选项CD错误。
【典例6】（2019湖南岳阳二模）一自耦变压器如图所示，环形铁芯上只绕有一个线圈，将其接在a、b间作为原线圈。通过滑动触头取该线圈的一部分，接在c、d间作为副线圈，在cd间接定值电阻R．在a、b间输入电压为U1的交变电流时，c、d间的输出电压为U2．在将滑动触头从M点顺时针旋转到N点的过程中（ ）
A. ，降低B. ，升高
C. 变压器输入功率增大D. 变压器输入功率减小
【答案】D
【解析】
根据变压器的电压关系有，当滑动触头M顺时针转动时，即n2减小时，电压U2应该减小，即降低，由于n2＜n1，所以U2＜U1，故A错误，B错误；由于电压U2减小，所以定值电阻上的电压减小，则定值电阻消耗的电功率减小，由于是理想变压器，所以变压器的输入功率也减小，故C错误，D正确。考
考点五 理想变压器的动态分析
【典例7】(2018·湖北黄石模拟)(多选)如图所示为原、副线圈匝数比为n1∶ n2=10∶1的理想变压器,b是原线圈的中心抽头,电压表和电流表均为理想交流电表,从某时刻开始在原线圈c,d两端加上u1=220 sin 100πt(V)的交变电压,则( )
A.当单刀双掷开关与a连接时,电压表的示数为22 V
B.当单刀双掷开关与a连接时,在滑动变阻器触头P向上移动的过程中,电压表和电流表的示数均变小
C.当仅把单刀双掷开关由a扳向b时,原线圈输入功率变小
D.当单刀双掷开关由a扳向b时,调节滑动变阻器滑片到适当位置,有可能实现调节前、后原线圈输入功率相等
【答案】AD
【解析】:当单刀双掷开关与a连接时,根据电压与匝数成正比且n1∶n2=10∶1可知,副线圈电压的最大值为22 QUOTE V,电压表的示数为电压的有效值,所以示数为 QUOTE V=22 V,故A正确;当单刀双掷开关与a连接时,输入电压及匝数比不变,输出电压不变,所以电压表的示数不变,变阻器触头P向上移动,变阻器电阻变大,副线圈电流变小,电流表示数变小,故B错误;当仅把单刀双掷开关由a扳向b时,原线圈匝数变小,根据 QUOTE = QUOTE ,得U2= QUOTE U1,可知副线圈两端的电压变大,输出功率P2= QUOTE 变大,输入功率等于输出功率,所以原线圈输入功率变大,故C错误;当单刀双掷开关由a扳向b时,输出电压变大,调节滑动变阻器滑片到适当位置使负载电阻变大,输出功率P2= QUOTE 可能不变,输出功率等于输入功率,所以有可能实现调节前、后原线圈输入功率相等,故D正确.
【典例8】（2019山西质量检测）(多选)如图所示，R是一个光敏电阻，其阻值随光照强度的增加而减小，理想变压器原、副线圈的匝数比为10∶1，电压表和电流表均为理想交流电表，从某时刻开始在原线圈两端加上交变电压，其瞬时值表达式为(V)，则( )
A．电压表的示数为V
B．在天逐渐变黑的过程中，电流表A2的示数变小
C．在天逐渐变黑的过程中，电流表A1的示数变大
D．在天逐渐变黑的过程中，理想变压器的输入功率变小
【答案】BD
【解析】根据电压与匝数成正比可知，原线圈的电压的最大值为，根据电压之比等于线圈匝数之比可知，副线圈的电压的最大值为，电压表的示数为电压的有效值，所以示数为，故A错误；在天变黑的过程中，光照变弱，R阻值增大，电路的总电阻减大，由于电压是由变压器决定的，输出的电压不变，所以电流变小，电流表A2的示数变小，故B正确；由于变压器的输入和输出的功率是相等的，副线圈的电流减小，电压不变，所以由P=UI可知，输出的功率要减小，故输入的功率也要减小，因输入电压不变，故输入电流变小，故C错误，D正确。
考点六远距离输电
【典例9】（2020河北唐山一模）远距离输电的原理图如图所示，升压变压器原副线圈的匝数分别为n1、 n2，输电线上的电阻为R，变压器为理想变压器。发电机功率不变，为减小输电线上功率损耗，下列方法可行的是
A．n1加倍，n2加倍
B．n1加倍，n2减半
C．n1减半，n2减半
D．n1减半，n2减半
【答案】.B
【解析】输电线上功率损耗P损=I22R，为减小输电线上功率损耗，必须减小输电线上电流I。发电机功率P=U1I1不变，变压器输入电功率等于输出电功率，U1I1= U2I2，由变压器变压公式，U1∶ U2 = n1∶ n2，联立解得：I2= I1。所以要减小输电线上功率损耗，可行的方法是：n1加倍，n2减半，选项B正确。
考点七特殊变压器
【典例10】（2016·江苏卷）一自耦变压器如图所示，环形铁芯上只绕有一个线圈，将其接在a、b间作为原线圈。通过滑动触头取该线圈的一部分，接在c、d间作为副线圈。在a、b间输入电压为U1的交变电流时，c、d间的输出电压为U2，在将滑动触头从M点顺时针旋转到N点的过程中
A．U2>U1，U2降低
B．U2>U1，U2升高
C．U2