高考物理二轮复习 专题10 直流与交流电路学案

专题10 直流与交流电路构建知识网络：考情分析：本专题包含直流电路的动态分析、电路故障的分析和判断、直流电路中能量转化、交变电流的产生与描述、变压器的规律及远距离输电等知识点，是高考命题的热点，特别是交变电流有效值的计算、变压器的动态分析、电路知识与电磁感应的综合应用等年年是高考的座上宾。从高考的考查重点不难看出，掌握电路的基本结构和基本规律是获得高分的关键。重点知识梳理：一、闭合电路的欧姆定律1公式：I2路端电压与电流的关系：UEIr.3路端电压与负载的关系：UIREE，路端电压随外电阻的增大而增大，随外电阻的减小而减小二、纯电阻电路和非纯电阻电路的电功、电功率1.纯电阻电路：电功全部转化为电热，有 2.非纯电阻电路：电功大于电热，计算电功、电功率用，计算电热、热功率二、交流电的“四值”En三、变压器和远距离输电1理想变压器的基本关系基本关系功率关系P入P出电压关系，与负载、副线圈的个数无关电流关系只有一个副线圈：频率关系f1f22.为减小远距离输电的功率损失和电压损失，远距离输电采用高压输电.【名师提醒】1.明确1个定律、2个关系(1)闭合电路的欧姆定律：I.(2)路端电压与电流的关系：UEIr.(3)路端电压与负载的关系UIREE，路端电压随外电阻的增大而增大，随外电阻的减小而减小.2.直流电路动态分析的3种常用方法 方法1：程序法 R局I总U内I总rU外EU内确定U支、I支方法2：结论法“串反并同” “串反”：指某一电阻增大(减小)时，与它串联或间接串联的电阻中的电流、两端电压、电功率都将减小(增大). “并同”：指某一电阻增大(减小)时，与它并联或间接并联的电阻中的电流、两端电压、电功率都将增大(减小). 方法3：极限法 因滑动变阻器滑片滑动引起电路变化的问题，可将滑动变阻器的滑片分别滑至两个极端，使电阻最大或电阻为零去讨论. 3.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. 4.交变电流“四值”的应用 (1)最大值：EmnBS，分析电容器的耐压值； (2)瞬时值：EEmsin t(由中性面开始计时)，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、电功率及保险丝的熔断电流； (4)平均值：En，计算通过电路截面的电荷量.5.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：.若n1n2，为降压变压器；若n1n2，为升压变压器.(3)电流关系：只有一个副线圈时，；有多个副线圈时，U1I1U2I2U3I3UnIn.2.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. 3.输电过程的电压关系 4.输电过程功率的关系 典型例题剖析：考点一：直流电路的动态分析【典型例题1】在如图所示的电路中，E为电源，电源内阻为r，L为小灯泡(其灯丝电阻可视为不变)，为理想电压表，R1、R2为定值电阻，R3为滑动变阻器，将滑动变阻器的滑片向上移动，则() A.电压表的示数变大 B.小灯泡消耗的功率变小 C.通过R2的电流变小 D.电源的内耗电压变大 【答案】 B【解析】将滑动变阻器的滑片向上移动，滑动变阻器接入电路的阻值增大，电路中的总电阻增大；由闭合电路欧姆定律可得，电路中的电流减小，故R1两端的电压减小，并联部分电压增大，通过R2的电流变大，A、C错误；由并联电路的电流规律可知，流过灯泡的电流一定减小，故由PI2R可知，小灯泡消耗的功率变小，B正确；因电路中电流减小，故电源的内耗电压减小，D错误。 【变式训练1】(2017淮安模拟)在如图所示的电路中，闭合开关S，当滑动变阻器的滑动触头P向上滑动过程中，下列说法正确的是()A电容器的电荷量增大 B电流表A的示数减小C电压表V1示数在变大 D电压表V2示数在变大【答案】 【变式训练2】(名师原创)在如图所示的电路中，已知电阻R1的阻值小于滑动变阻器R的最大阻值闭合电键S，在滑动变阻器的滑片P由左端向右滑动的过程中，四个电表V1、V2、A1、A2的示数及其变化量分别用U1、U2、I1、I2、U1、U2、I1、I2表示，下列说法中正确的是() AU1先变大后变小，I1不变BU1先变小后变大，I1变小C.的绝对值先变大后变小，的绝对值不变DU2先变小后变大，I2先变小后变大【答案】 【解析】 片P由滑动变阻器的左端向右端滑动的过程中，滑动变阻器R的左半部分与R1串联然后与R的右半部分并联，并联电阻先变大后变小，所以电路总电阻先变大后变小，根据闭合电路欧姆定律，I2先变小后变大，U1先变大后变小，由极限法可得当滑片P滑到滑动变阻器右端时，电流表A1把R1所在支路短路，此时I1最大，所以I1一直增大，A、B错误；对于C项，的绝对值等于电源的内阻，保持不变；的绝对值等于R2，保持不变，所以C错误；电阻R2不变，电压表V2的示数U2I2R2，U2先变小后变大，D正确【名师提醒】闭合电路动态分析的两种常用方法 方法1：程序法 ：遵循“局部整体部分”的思路，按以下步骤分析： 方法2：结论法“串反并同” “串反”：指某一电阻增大(减小)时，与它串联或间接串联的电阻中的电流、两端电压、电功率都将减小(增大). “并同”：指某一电阻增大(减小)时，与它并联或间接并联的电阻中的电流、两端电压、电功率都将增大(减小). 考点二：闭合电路的功率及效率问题【典型例题2】如图所示，已知电源电动势为6 V，内阻为1 ，保护电阻R00.5 ，求：当电阻箱R读数为多少时，保护电阻R0消耗的电功率最大，并求这个最大值。【答案】：R0P0max8 W【变式训练3】例题中条件不变，求当电阻箱R读数为多少时，电阻箱R消耗的功率PR最大，并求这个最大值。【答案】：R1.5 PRmax6 W【解析】：这时要把保护电阻R0与电源内阻r算在一起，据以上结论，当RR0r即R(10.5) 1.5 时，PRmax W6 W。【变式训练4】在例题中，若电阻箱R的最大值为3 ，R05 ，求：当电阻箱R读数为多少时，电阻箱R的功率最大，并求这个最大值。【答案】：R3 P W【名师提醒】电源总功率任意电路：P总EIP出P内纯电阻电路：P总I2(Rr)电源内部消耗的功率P内I2rP总P出电源的输出功率任意电路：P出UIP总P内纯电阻电路：P出I2RP出与外电阻R的关系电源的效率任意电路：100%100%纯电阻电路：100%由P出与外电阻R的关系图像可知当Rr时，电源的输出功率最大为Pm。当Rr时，随着R的增大输出功率越来越小。当Rr时，随着R的增大输出功率越来越大。当P出Pm时，每个输出功率对应两个外电阻R1和R2，且R1R2r2。考点三：两类UI图像的比较与应用【典型例题3】(多选)(2017衡水中学模拟)在如图所示的图像中，直线为某一电源的路端电压与电流的关系图像，直线为某一电阻R的伏安特性曲线。用该电源直接与电阻R相连组成闭合电路。由图像可知()A电源的电动势为3 V，内阻为0.5 B电阻R的阻值为1 C电源的输出功率为2 WD电源的效率为66.7%【答案】 BD【变式训练5】(多选)(2017南京模拟)如图所示，图线甲、乙分别为电源和某金属导体的伏安特性曲线，电源的电动势和内阻分别用E、r表示，根据所学知识分析下列选项正确的是()AE50 V Br C当该导体直接与该电源相连时，该导体的电阻为20 D当该导体直接与该电源相连时，电路消耗的总功率为80 W【答案】 C【解析】由图像的物理意义可知电源的电动势E50 V，内阻r 5 ，故A正确，B错误；该导体与该电源相连时，电阻的电压、电流分别为U40 V，I2 A，则R20 ，此时，电路消耗的总功率P总EI100 W，故C正确，D错误。【名师提醒】电源UI图像电阻UI图像图形物理意义电源的路端电压随电路电流的变化关系电阻中的电流随电阻两端电压的变化关系截距与纵轴交点表示电源电动势E，与横轴交点表示电源短路电流过坐标轴原点，表示没有电压时电流为零坐标U、I的乘积表示电源的输出功率表示电阻消耗的功率坐标U、I的比值表示外电阻的大小，不同点对应的外电阻大小不同每一点对应的比值均等大，表示此电阻的大小斜率(绝对值)电源电阻r电阻大小考点四：交变电流的产生与描述 【典型例题4】(2017苏州模拟)如图甲所示，在磁感应强度大小为B的匀强磁场中，有一矩形单匝线圈，其面积为S，总电阻为r，线圈两端外接一电阻R和一个理想交流电流表。若线圈绕对称轴OO以角速度做匀速转动，图乙是线圈转动过程中产生的感应电动势e随时间t变化的图像，下列说法正确的是()A在t1t3时间内，穿过线圈平面的磁通量的变化量为BSB在t3t4时间内，通过电阻R的电荷量为C在t3时刻穿过线圈平面的磁通量的变化率为2BSD在t3时刻电流表的示数为【答案】 A【变式训练6】(多选)(2017江苏四市一模)如图甲所示为风力发电的简易模型图，在风力的作用下，风叶带动与其固定在一起的永磁铁转动，转速与风速成正比。某一风速时，线圈中产生的正弦式电流如图乙所示，则()A电流的表达式i0.6sin 10t(A)B磁铁的转速为10 r/sC风速加倍时电流的表达式i1.2sin 10t(A)D风速加倍时线圈中电流的有效值为 A【答案】 D【解析】通过乙图可知Im0.6 A，T0.2 s，10 rad/s，故电流的表达式为：i0.6sin 10t(A)，A正确；磁体的转速为n5 r/s，B错误；风速加倍时，根据EmnBS可知感应电动势加倍，形成的电流加倍，故电流表达式变为i1.2sin 20t(A)，C错误；风速加倍时，Im1.2 A，有效值I A，D正确。【名师提醒】考点五：有关变压器问题的分析【典型例题5】(多选)(2016海南高考)图(a)所示，理想变压器的原、副线圈的匝数比为41，RT为阻值随温度升高而减小的热敏电阻，R1为定值电阻，电压表和电流表均为理想交流电表。原线圈所接电压u随时间t按正弦规律变化，如图(b)所示。下列说法正确的是()A变压器输入、输出功率之比为41B变压器原、副线圈中的电流强度之比为14Cu随t变化的规律为u51sin(50t)(国际单位制)D若热敏电阻RT的温度升高，则电压表的示数不变，电流表的示数变大【答案】BD【变式训练7】(多选)(2017南通模拟)如图甲所示，理想变压器原、副线圈的匝数之比为445，b是原线圈的中心抽头，S为单刀双掷开关，负载电阻R25 。电表均为理想电表，在原线圈c、d两端接入如图乙所示的正弦交流电，下列说法正确的是()A当S与a连接，t1102s时，电流表的示数为0B当S与b连接，t1.5102s时，电压表的示数为50 VC当S与b连接时，电阻R消耗的功率为100 WD当S与a连接时，1 s内电阻R上电流方向改变100次【答案】CD【名师提醒】1明确变压器各物理量间的制约关系2谨记三点提醒，全面清除雷区(1)变压器匝数不变时，变压器的输入、输出电压均不变，但变压器原、副线圈中的电流均随负载的变化而变化。(2)变压器匝数变化时，要注意区分是原线圈还是副线圈匝数变化。(3)当变压器输出电压一定时，移动变阻器的滑动触头或改变接入的用电器多少时，引起的各物理量的变化分析方法同直流电路的动态分析方法。考点六：交流电的四种产生模式【典型例题6】某兴趣小组设计了一种发电装置,如图所示. 在磁极和圆柱状铁芯之间形成的两磁场区域的圆心角均为,磁场均沿半径方向. 匝数为N 的矩形线圈abcd 的边长ab =cd =、bc =ad =2. 线圈以角速度绕中心轴匀速转动,bc和ad 边同时进入磁场. 在磁场中,两条边所经过处的磁感应强度大小均为B、方向始终与两边的运动方向垂直. 线圈的总电阻为r,外接电阻为R. 求:(1)线圈切割磁感线时,感应电动势的大小Em; (2)线圈切割磁感线时,bc 边所受安培力的大小F;(3)外接电阻上电流的有效值I.【答案】 （1）2NBl2（2）（3）【名师提醒】1.与教材上的发电模型相比较，本题有两点变化：（1）磁场只分布在两个圆心角为的对称范围内（2）磁感应强度大小相同，方向始终与运动方向垂直2.线圈中电动势e随时间t变化的交变电流为“方波式”交变电流【典型例题7】磁场变化产生正弦式交变电流如图所示，光滑平行的长金属导轨固定在水平面上，相距，左端连接的电阻，一质量,电阻的导体棒MN垂直放置在两平行金属导轨上，彼此接触良好，导轨的电阻不计。在两导轨间有这样的磁场：磁场方向竖直向下，磁感应强度B大小随x变化关系是,；两区域磁感应强度大小关于直线对称（1）导体棒在水平向右的拉力F作用下，以速度匀速穿过磁场区，求此过程中感应电流的最大值（2）在（1）的情况下，求导体棒穿过磁场过程中拉力做功W以及电阻R上产生的热量【答案】 （1）0.2A（2）W=0.06J，【名师提醒】1.与教材上的发电模型相比较，本题有两点变化：（1）磁场不是匀强磁场，而是磁感应强度随位置按正弦规律变化（2）不是线圈在磁场中转动切割，而是导体棒在磁场中平动切割产生感应电动势2.回路中的电流为正弦式交变电流【典型例题8】导体棒的有效长度按正弦规律变化如图所示，OACO为置于水平面内的光滑闭合金属导轨，O、C处分别接有电阻丝（图中用粗线表示），（导轨其他部分电阻不计）。导轨OAC的形状满足(单位：m)。磁感应强度B0.2T的匀强磁场方向垂直于导轨平面。一足够长的金属棒在水平外力F作用下，以恒定的速率v5.0m/s水平向右在导轨上从O点滑动到C点，棒与导轨接触良好且始终保持与OC导轨垂直，不计棒的电阻。求：（1）外力F的最大值；（2）金属棒在导轨上运动时电阻丝R1上消耗的最大功率；（3）在滑动过程中通过金属棒的电流I与时间t的关系。【答案】 （1）0.3N（2）1W（3）故A【名师提醒】1.此类题属于导体杆平动切割，因此在电动势上用2.但因为有效切割长度随时间正弦规律变化，故产生的为正弦式交流电【典型例题9】导体棒切割磁感线的速度随时间按正弦规律变化在竖直方向上、磁感应强度大小B5 T的匀强磁场中，水平放置两平行光滑金属导轨MN和PQ，导轨宽度L1 m，导轨一端接有定值电阻R10 ，一导体棒垂直于导轨放置，导体棒在周期性驱动力的作用下，在ab和ab范围内做简谐运动，其速度随时间的变化规律为v2sin 3.14t(m/s)，求在10 s内电阻R上产生的热量。(导体棒和导轨的电阻均不计)【答案】 50J【名师提醒】1.此类题属于导体杆平动切割，因此在电动势上用2.但因为切割速度随时间正弦规律变化，故产生的为正弦式交流电专题十 课时跟踪训练一、单项选择题1.(2017淮安模拟)在如图所示的电路中，闭合开关S，当滑动变阻器的滑动触头P向上滑动过程中，下列说法正确的是()A电容器的电荷量增大 B电流表A的示数减小C电压表V1示数在变大 D电压表V2示数在变大【答案】 C2. 如图所示，面积为S、匝数为N、电阻为r的线圈与阻值为R的电阻构成闭合回路，理想交流电压表并联在电阻R的两端。线圈在磁感应强度为B的匀强磁场中，绕垂直于磁场的转动轴以角速度匀速转动。设线圈转动到图示位置的时刻t0，则()A在t0时刻，穿过线圈的磁通量达到最大，流过电阻R的电流为零，电压表的读数也为零B1秒钟内流过电阻R的电流方向改变次C经的时间，通过电阻R的电量为D在电阻R的两端再并联一只电容较大的电容器后，电压表的读数不变【答案】 B【解析】 t0时刻线圈处于中性面最大，e0，i0，但电压表的读数为有效值不为0，A错；T，交流电在1T内电流方向改变两次，所以1 s内电流方向改变次数为2，B正确；在时间内，通过R的电量Q，则C错；电容器有通交流隔直流的特点，在R两端并联一只电容较大的电容器，相当于总电阻减小，则路端电压减小，电压表测路端电压，所以D错。3. 如图所示为远距离输电的示意图，升压变压器和降压变压器均为理想变压器，发电厂的输出电压和输电线的电阻均不变。闭合开关S后()A.升压变压器的输出电压增大 B.降压变压器的输出电流减小 C.输电线上损耗的功率增大 D.输电线上交流电的频率减小【答案】C4. 如图甲所示，电阻箱R(099.9 )置于阻值最大位置，Rx为未知电阻，(1)断开S2，闭合S1，逐次减小电阻箱的阻值，得到一组R、I值，并依据R、I值作出了如图乙所示的R图线；(2)断开S2，闭合S1，当R调至某一位置时，电流表的示数I11.0 A。保持电阻箱的位置不变，断开S1，闭合S2，此时电流表的示数I20.8 A，据以上数据可知()A.电源电动势为2.0 V B.电源内阻为0.25 C.Rx的阻值为1.5 D.S1断开、S2接通时，随着R的减小，电源输出功率减小【答案】 A【解析】 断开S2，闭合S1，由闭合电路欧姆定律得EI(Rr)，REr，R图线斜率等于电源的电动势，E2.0 V，在纵轴的截距绝对值等于电源内阻，r0.5 ，选项A正确，B错误；断开S2，闭合S1，当电阻调至某一位置时，电流表的示数I11.0 A，由EI(Rr)可知R1.5 ；保持电阻箱的位置不变，断开S1，闭合S2，由闭合电路欧姆定律，EI(RRxr)，此时电流表的示数为I20.8 A，Rx0.5 ，选项C错误；S1断开，S2接通时，随着R的减小，电源的输出功率增大，选项D错误。5.(2015北京理综19)如图2所示，其中电流表A的量程为0.6A，表盘均匀划分为30个小格，每一小格表示0.02A；R1的阻值等于电流表内阻的；R2的阻值等于电流表内阻的2倍若用电流表A的表盘刻度表示流过接线柱1的电流值，则下列分析正确的是()A将接线柱1、2接入电路时，每一小格表示0.04AB将接线柱1、2接入电路时，每一小格表示0.02AC将接线柱1、3接入电路时，每一小格表示0.06AD将接线柱1、3接入电路时，每一小格表示0.01A【答案】 C二、多项选择题6.(2017常州模拟)小灯泡通电后其电流I随所加电压U变化的图线如图所示，P为图线上一点，PN为图线在P点的切线，PQ为U轴的垂线，PM为I轴的垂线，则下列说法中正确的是()A随着所加电压的增大，小灯泡的电阻增大B对应P点，小灯泡的电阻为RC对应P点，小灯泡的电阻为RD对应P点，小灯泡的功率为图中矩形PQOM所围的面积大小【答案】 ABD【解析】 IU图线的斜率逐渐减小，说明电阻逐渐增大，A正确；对应P点，小灯泡的电阻为R，B正确，C错误；对应P点，小灯泡的功率为PI2U1，此值恰为图中矩形PQOM所围面积的大小，D正确。7.如图所示，直线、分别是电源1与电源2的路端电压随输出电流变化的特性图线，曲线是一个小灯泡的伏安特性曲线，曲线与直线、相交点的坐标分别为P(5.2,3.5)、Q(6,5)。如果把该小灯泡分别与电源1、电源2单独连接，则下列说法正确的是()A电源1与电源2的内阻之比是32B电源1与电源2的电动势之比是11C在这两种连接状态下，小灯泡的电阻之比是12D在这两种连接状态下，小灯泡消耗的功率之比是710【答案】 AB8.如图所示，图甲中M为一电动机，当滑动变阻器R的触头从左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变阻器向右滑动时，V2读数逐渐减小B电路中电源内阻为2 C此电路中，电动机的输出功率先减小后不变D变阻器的最大阻值为36 【答案】 BC9. 如图甲所示，阻值为r4 的矩形金属线框与理想电流表、理想变压器的原线圈构成回路，标有“12 V36 W”的字样的灯泡L与理想变压器的副线圈构成回路，灯泡L恰能正常发光，理想变压器原、副线圈的匝数之比为31。矩形金属线框在匀强磁场中绕与磁感线垂直的轴匀速转动，产生的电动势随时间变化的规律如图乙所示。则() A.理想变压器原线圈输入电压的瞬时值表达式为u40sin(100t)VB.理想电流表的示数为1 AC.t0.01 s时，矩形金属线框平面与磁场方向平行D.灯泡L与理想变压器的副线圈构成的回路中的电流方向每秒改变100次【答案】 BD【解析】 由于灯泡恰能正常发光，说明理想变压器的输出电压U212 V，根据理想变压器电压与匝数的关系可得U1U236 V，所以理想变压器输入电压的瞬时值表达式为u36sin(100t)V，故A选项错误；根据理想变压器的电流与匝数的关系可得I1I21 A，又电流表显示的交变电流的有效值，则理想电流表的示数为1 A，故B选项正确；t0.01 s时，电动势的瞬时值为零，发电机的线圈平面与磁场方向垂直，故C