2011高考物理 专题8直流电路和交流电路热点分析与预测

用心 爱心 专心1 20112011 高考物理热点分析与预测专题高考物理热点分析与预测专题 8 8 直流电路和交流电路直流电路和交流电路 一 一 20112011 大纲解读大纲解读 本专题包含的内容有直流电路 交流电路的分析以及电磁感应现象与电路的综合应用等 涉及的考 点较多 考纲对这一部分的要求 除了电阻率与温度的关系和电阻 半导体及其应用 超导及其应用 电感和电容对交变电流的作用 电能的输送 这几部分知识点为 I 级要求 20112011 大纲 中定为 级要求 的知识点有 电流 欧姆定律 电阻和电阻定律 电阻的串联 并联 串联电路的分压作用 并联电路 的分流作用 电功和电功率 串联 并联电路的功率分配 交流发电机及其产生正弦式电流的原理 正 弦式电流的图象和三角函数表达式 最大值与有效值 周期与频率 变压器的原理 电压比和电流比 直流电路的分析与计算是高考的热点 可以结合实验的分析进行考查 重点考查欧姆定律的应用及 功率的求解 交流电路部分由于与工农业生产和日常生活紧密结合 在近几年的高考中考查的频度较高 重点考查交流电有效值 变压器的有关知识 电磁感应中的电路问题是综合性较强的高考热点之一 该 内容一般综合法拉第电磁感应定律 楞次定律 直流电路知识 磁场知识等多个知识点 还可以结合图 象进行考查 解答过程中对考生的综合应用能力要求较高 二 重点剖析二 重点剖析 电路这一部分以部分电路欧姆定律为中心 包括六个基本物理量 电压 电流 电阻 电功 电功 率 电热 三条定律 部分电路欧姆定律 电阻定律和焦耳定律 以及若干基本规律 串 并联电路 特点等 其二是以闭合电路欧姆定律为中心 讨论电动势的概念 闭合电路中的电流 路端电压以及闭 合电路中能量的转化 其三 对高中物理所涉及的三种不同类别的电路进行比较 即恒定电流电路 变 压器电路 远距离输电电路 比较这些电路哪些是基本不变量 哪些是变化量 变化的量是如何受到不 变量的制约的 其能量是如何变化的 本题专题的重点内容有 1 动态直流电路的分析 电路中某些元件 如滑线变阻器的阻值 的变化 会引起电流 电压 电阻 电功率等相关物理量的变化 解决这类问题涉及到的知识点多 同时还要掌握一定的思维方法 2 非纯电阻电路的分析与计算 非纯电阻电路是指电路含有电动机 电解槽等装置 这些装置的 共同特点是可以将电能转化为机械能 化学能等其他形式的能量 3 稳态 动态阻容电路的分析与计算 此类问题往往较难 但却是高考考查的重点 由于此类问 题能够考查考生理论联系实际的能力 对灵活运用知识的能力要求较高 所以可能成为近几年考查重点 4 非线性电路的分析与求解 非线性电路包括含二极管电路和白炽电灯电路 由于这类元件的伏 安特性不再是线性的 所以求解这类问题难度更大 5 交流电的产生 变压器的原理 电压比电流比公式的简单应用 远距离输电中的电能损失等在 高考中时常出现 三 考点透视三 考点透视 考点一 直流电路的分析和计算考点一 直流电路的分析和计算 例例 1 1 一个T型电路如图所示 电路中的电 1 10R 23 120 40RR 另有一测试电源 电动势为 100V 内阻忽略不计 则 A 当cd端短路时 ab之间的等效电阻是 40 B 当ab端短路时 cd之间的等效电阻是 40 C 当ab两端接通测试电源时 cd两端的电压为 80 V D 当cd两端接通测试电源时 ab两端的电压为 80 V 用心 爱心 专心2 例例 2 2 电动势为E 内阻为r的电源与定值电阻R1 R2及滑动变阻器R连接成如图所示的电路 当滑 动变阻器的触头由中点滑向b端时 下列说法正确的是 A 电压表和电流表读数都增大 B 电压表和电流表读数都减小 C 电压表读数增大 电流表读数减小 D 电压表读数减小 电流表读数增大 答案 答案 A 解析解析触头由中点滑向b端时 外电路总电阻R总增大 干路电流I减小 故电源内部压降Ur 定值电 阻R1上压降UR1减小 路端电压U 并联电路电压U 增大 即电压表 电流表示数均增大 点拨点拨 电路中某些元件的变化 会引起电流 电压 电阻 电功率等相关物理量的变化 解决这类 问题涉及到的知识点多 同时还要掌握一定的思维方法 能很好的考查考生的综合应用能力 在近几年 高考中已多次出现 考点二 交流电路的分析与计算考点二 交流电路的分析与计算 例例 3 3 某理想变压器原 副线圈的匝数比如图 8 2 所示 负载中每个电阻均为 110 若输入电压 为 220V 则输入电流和功率分别是 A 5A 1100W B 5A 880W C 4A 1100W D 4A 880W 解析 解析 当两电阻串联时 总电阻为 2R 此时两端的电压为 440V 所以 880 220 4402 1 P W 而220 55 1102 2 PW 所以1100 21 PPPW 5 U P IA 考点三 电磁感应中的电路综合计算考点三 电磁感应中的电路综合计算 例例 4 4 如图所示 水平放置的金属细圆环半径为 0 1m 竖直放置的金属细圆柱 其半径比 0 1m 小得 多 的端面与金属圆环的上表面在同一平面内 圆柱的细轴通过圆环的中心O 将一质量和电阻均不计的 导体棒一端固定一个质量为 10g 的金属小球 被圆环和细圆柱端面支撑 棒的一端有一小孔套在细轴O 上 固定小球的一端可绕轴线沿圆环作圆周运动 小球与圆环的摩擦因素为 0 1 圆环处于磁感应强度大 小为 4T 方向竖直向上的恒定磁场中 金属细圆柱与圆环之间连接如图电学元件 不计棒与轴及与细圆 用心 爱心 专心3 柱端面的摩擦 也不计细圆柱 圆环及感应电流产生的磁场 开始时S1断开 S2拔在 1 位置 R1 R3 4 R2 R4 6 C 30uF 求 1 S1闭合 问沿垂直于棒的方向以多大的水平外力作用于棒的A端 才能 使棒稳定后以角速度 10rad s 匀速转动 2 S1闭合稳定后 S2由 1 拔到 2 位置 作用在棒上的外力不变 则至棒又 稳定匀速转动的过程中 流经R3的电量是多少 解析 解析 1 金属细圆柱产生的电动势为2 2 1 2 LBE V 对整个系统由功能关系得 21 2 RR E LfF 代入数据解得F 0 41N 2 S1闭合 S2拔到 2 位置 稳定后的金属细柱的解速度为 由对整个系统由功能关系得 21 22 2 1 RR LB LfF 代入数据解得 10rad s S2拔 1 稳定后电容器两端的电压为 2 1 12 2 1 RR ER UV 且上板带正电S2拔 2 稳定后电容器两端的电压为8 0 12 1 2 RR ER UV 且上板带负 电 电容器上的电量变化为 5 21 106 CUUQC 所以流过R3的电量为 5 3 106 3 5 3 QQC 答案 答案 1 1 0 41N 2 2 5 106 3 C 点拨点拨 本题解答关键在于正确确定各电键在断开与闭合时对应的电路结构图 四 热点分析四 热点分析 热点三 交流电的四值热点三 交流电的四值 例例 5 5 一正弦交流电的电压随时间变化的规律如图 8 3 所示 由图可知 A 该交流电的电压瞬时值的表达式为u 100sin 25t V B 该交流电的频率为 25 Hz C 该交流电的电压的有效值为 1002 V D 若将该交流电压加在阻值R 100 的电阻两端 则电阻消耗的功 率时 50 W 本题简介本题简介 本题考查交流电的瞬时值 有效值 最大值的理解 正确理解有效值的热效应定义 解析解析 从图象上可得交流电的电压的最大值为 100V 周期为 2 4 10 s 得频率为 25 Hz 所以得电压瞬时值的表达式为u 100sin 50 t V 交流电的电压的有效值为 502 V 计算电阻消耗 的功率用有效值 由 2 50W U P R 答案 答案 BDBD 反思 反思 正确理解交流电的瞬时值 有效值 最大值是解题的关键 在复习时 特别注意对交流电有 效值的理解和计算 热点四 变压器的动态分析热点四 变压器的动态分析 例例 6 6 如图 8 4 所示 电路中的变压器为理想变压器 S 为单刀双掷开关 P 是滑动变阻器 R 的滑动触 用心 爱心 专心4 头 U1 为加在原线圈两端的交变电压 I1 I2 分别为原线圈和副线圈中的电流 下列说法正确的是 A 保持 P 的位置及 U1不变 S 由 b 切换到 a 则 R 上消耗的功率减小 B 保持 P 的位置及 U1不变 S 由 a 切换到 b 则 I2 减小 C 保持 P 的位置及 U1不变 S 由 b 切换到 a 则 I1增大 D 保持 U1不变 S 接在 b 端 将 P 向上滑动 则 I1减小 本题简介本题简介 本题考查理想变压器的工作原理 变压器电路的原 副 线圈的功率 电流 电压的关系 对于变压器的动态分析问题要弄清那 些是不变量 解析解析 当 S 由 b 切换 a 时 副线圈匝数增多 即 n2增大 根据 11 22 Un Un 可知 输出电压 U2增大 R1消耗的功率 R U P 2 2 也增大 所以 A 错 由变压器功率关系可知 其输入功率也增大 故 I1增大 所以 C 对 S 由 a 切换 b 时 副线圈匝数 n2减少 则输出电压 U2也减小 由 R U I 2 2 得 I2 减小 所以 B 对 P 向上滑动时 R 减小 由 R U I 2 2 得 I2 增大 由电流与匝数的关 系 12 21 In In 可知 I1增大 故 D 错 所以选 BC 答案 答案 BCBC 反思 反思 如果对变压器工作原理理解不透彻 对原副线圈中哪些是变量 哪些是不变量分不清楚 或 不能清楚的知道各量间 谁决定谁 的关系 就不能正确解题 4 4 电路功率的分析与计算电路功率的分析与计算 例例 7 7 某同学设计了一个转向灯电路 如图所示 其中 L 为指示灯 L1 L2分别为左 右转向灯 S 为单 刀双掷开关 E 为电源 当 S 置于位置 1 时 以下判断正确的是 A L 的功率小于额定功率 B L1亮 其功率等于额定功率 C L2亮 其功率等于额定功率 D 含 L 支路的总功率较另一支路的大 解析解析 当 S 置于位置 1 时 由电路图知 L 与 L2串联再与 L1并联 由 于含 L 支路的电阻较大 由 R U p 2 知 消耗的功率较另一支路的小 故 D 错 因为电源的电动势为 6V 且内阻为 1 所以三盏灯两端的电压均小于 6V 额定电压 消耗的功率 均小于额定功率 故 A 选项正确 答案 答案 A 反思 反思 本题考查的是闭合电路欧姆定律 电功率 其误区在于 B C 选项的判断 正正确电源电动 势 闭合电路欧姆定律 电功率 是解决本题的关键 5 5 闭合电路欧姆定律闭合电路欧姆定律 例例 8 8 汽车电动机启动时车灯会瞬时变暗 如图 8 5 所示 在打开 车灯的情况下 电动机未启动时电流表读数为 10A 电动机启动时电流 表读数为 58A 若电源电动势为 12 5 V 内阻为 0 05 电流表内阻不 计 则因电动机启动 车灯的电功率降低了 用心 爱心 专心5 A 35 8W B 43 2W C 48 2 W D 76 8 W 6 6 电路故障的判断问题电路故障的判断问题 例例 9 9 如图所示的电路中 电源的电动势为 6V 当开关 S 接通后 灯泡L1和L2都不亮 用电压表测 得各部分的电压是Uab 6V Uad 0V Ucd 6V 由此可断定 A L1和 L2的灯丝都烧短了 B L1灯丝烧短了 C L2的灯丝烧断了 D 变阻器R断路 解析 解析 由Uab 6V 可知 电源完好 灯泡都不亮 说明电路当中出现断路故 障 且在 a b 之间 由Ucd 6V 可知 灯泡L1与变阻器R是通的 断路故障 出现在 c d 之间 故灯L2断路 所以选 C 正确 反思 反思 1 断路故障的判断 用电压表与电源并联 若有电压时 说 明电源正常 再逐段与电路并联 若电压表指针偏转 则该段电路中有断点 2 短路故障的判断 电 流表有示数而用电器不工作则该支路短路 用电压表与该部分并联 若有电压时 未短路 若电压则该 两点间可能短路 或被短路 热点六 用电路知识探究实际问题热点六 用电路知识探究实际问题 例例 1010 环保汽车将为 2008 年奥运会场馆服务 某辆以蓄电池为驱动能源的环保汽车 总质量m 3 103 kg 当它在水平路面上以v 36 km h 的速度匀速行驶时 驱动电机的输入电流I 50A 电压U 300V 在此行驶状态下 1 求驱动电机的输入功率P电 2 若驱动电机能够将输入功率的 90 转化为用于牵引汽车前进的机械功率P机 求汽车所受阻力与 车重的比值 g取 10m s2 3 设想改用太阳能电池给该车供电 其他条件不变 求所需太阳能电池板的最小面积 结合计算结 果 简述你对该设想的思考 用心 爱心 专心6 已知太阳辐射的总功率P0 4 1026 W 太阳到地球的距离r 1 5 1011m 太阳光传播到达地面的过 程中大约有 30 的能量损耗 该车所用太阳能电池的能量转化效率约为 l5 解析解析 1 驱动电机的输入功率P电 U I 1 5 104 W 2 在匀速行驶时 P机 0 9P电 P机 F v f v 得 f 0 9P电 v 汽车所受阻力与车重之比 f mg 0 9P电 mgv 0 045 3 当阳光垂直P电 入射时 所需板面积最小 设其为S 距太阳中心为r的球面面积 2 0 4 rS 若没有能量损耗 太阳能电池板接收到的太阳能功率为P 则 00 S S P P 设太阳能电池板实际接收到的太阳能功率为为P P 1 30 P 00 30 0 1 S S P P 由于P电 15 P 所以电池板的最小面积 0 2 0 0 7 015 0 4 7 0P Pr P PS S 电 101m2 分析可行性并提出合理的改进建议如下 由于所需太阳能电池板面积过大 远超过一般汽车的面 积 因此只有大幅度提高电池板的效率 才可以投入实际应用 答案答案 1 1 5 104W 2 f mg 0 045 3 电池板的最小面积 101m2 分析可行性并提出合理的 改进建议见解析 反思 反思 本题涉及电机的功率 能量守恒 效率概念 平衡条件等知识 考查考生运用电路知识解决 联系实际问题的能力 第 3 问 结合计算结果 简述你对该设想的思考 考查了考生 分析与论证 和 自主探究 的能力 科学 技术和社会 STS 教育是世界各国教育改革中形成的一股潮流 它 主张教育中应该强调科学技术在社会生产 生活中的应用 新课程改革体现了这一理念 考试大纲 明 确提出 要求考生 了解自然科学发展的最新成就和成果及其对社会发展的影响 并能与已学的知识结 合起来解决问题 近年高考试卷上出现了许多结合社会实际和科技前沿的好题 这些试题比较真实和 全面地模拟现实 复习中要关注这些社会热点 关注科技前沿的发展及其应用 并注意这些命题背景与 考试大纲 的知识结构 能力要求的联系 五 能力突破五 能力突破 例例 1 1 如图 8 6 所示是一火警报警器的部分电路示意图 其中 R3为用半导体热敏材料制成的传感器 值班室的显示器为电路中的电流表 a b 之间接报警器 当传感器 R3所在处出现火情时 显示器的电流 I 报警器两端的电压 U 的变化情况是 A I 变大 U 变大 B I 变大 U 变小 C I 变小 U 变小 D I 变小 U 变大 解析解析 当出现火情 温度升高 对于半导体热敏电阻 其电阻 减小 所以显示器的电流 I 报警器两端的电压 U 均减小 答案 答案 C C 反思 反思 本题与实际相联系 考查了半导体的电阻随温度变化的 规律及电路的动态分析问题 能很好地考查同学们的分析问题的能 力 提高学习物理的兴趣 用心 爱心 专心7 例例 2 2 高温超导限流器被公认为目前最好的且唯一行之有效的短路故障电流限制装置 中国科学院电 工研究所完成了一种具有自主知识产权的高温超导限流器样机的研制工作 超导限流器由超导部件和限 流电阻并联组成 如图 8 7 所示 超导部件有一个超导临界电流 Ic 当通过限流器的电流 I Ic时 将造 成超导体失超 从超导态 本题认为电阻为零 转变为正常态 本题认为是一个纯电阻 以此来限制电力 系统的故障电流 已知超导部件的正常态电阻为 R1 3 超导临界电流 Ic 1 2A 限流电阻 R2 6 小灯 泡 L 上标有 6V6W 电源电动势 E 8V 内阻 r 2 原来电路正常工作 现 L 突然发生短路 则 A 短路前通过 R1的电流为 2 3A B 超导部件将由超导态转为正常态 C 短路后通过 R1的电流为 4 3A D 短路后通过 R1的电流为 2A 反思 反思 本题以新情景下考查了闭合电路的欧姆定律及部分电路的欧姆定律的知识 同学们要能从长 篇的背景介绍中提取有用的解题信息 例例 3 3 如图 8 8 所示是实验时用的原 副线圈都有中 间抽头的理想变压器 在原线圈上通过一个单刀双掷开 关 1 S与一只安培表连接 在副线圈上通过另一个单刀 双掷开关与一个定值电阻 0 R相连接 通过 1 S 2 S可以 改变原 副线圈的匝数 在原线圈上加一电压为U的交 流电后 当 1 S接a 2 S接c时 安培表的示数为 1 I 用心 爱心 专心8 当 1 S接a 2 S接d时 安培表的示数为 2 I 当 1 S接b 2 S接c时 安培表的示数为 3 I 当 1 S接 b 2 S接d时 安培表的示数为 4 I 则 A 1 I 2 I B 1 I 4 I C 2 I 3 I D 2 I 4 I 解析 解析 设变压器原 副线圈的匝数分别为 1 n 2 n 所接交流电的电压 1 U 理想变压器在原线圈上的 输入功率与在副线圈的输出功率相同 即 出入 PP 当 1 S接a 2 S接c时 在定值电阻上消耗的功率 0 2 2 R U P 出 而在原线圈的输入功率 11U IP 入 01 2 2 1 RU U I 又 2 1 2 1 n n U U 2 1 2 0 1 1 n n R U I 当 1 S接a 2 S接d时 1 n不变 2 2 2 n n 1 2 1 2 0 1 2 4 1 2 I n n R U I 1 S接b 2 S接c时 即 2 1 1 n n 22 nn 1 2 1 2 0 1 3 4 2 I n n R U I 当 1 S接b 2 S接d时 即 2 1 1 n n 2 2 2 n n 1 2 1 2 0 1 2 1 2 0 1 4 I n n R U n n R U I 答案 答案 B B 反思 反思 本题的情况多 物理量也多 同学们要能分步进行分析 对于变压器的动态分析问题要注意谁决 定谁的问题 例例 4 4 图 1 中所示为一个电灯两端的电压与通过它的电流的变化关系 曲线 可见两者不成线性关系 这是由于焦耳热使灯丝的温度发生了变 化的缘故 参考这根曲线 回答下列问题 不计电流表和电池的内阻 1 若把三个这样的电灯串联后 接到电动势为 12V 的电源上 求流过灯 泡的电流和每个灯泡的电阻 2 如图 8 10 所示 将两个这样的电灯并联后再与 10 的定值电阻串 联 接在电动势为 8V 的电源上 求通过电流表的电流值及各灯泡的电阻 值 解析解析 1 由于三个电灯完全相同中 所以每个电灯两端的电压 UL 12 3V 4V 在图 3 中画出 U 4V 的直线 得到和曲线的交点坐标为 4V 0 4A 所以流过电灯的电流为 0 4A 此时每个电灯的电阻值为 10 L L I U R U V I A 02468 0 2 0 4 0 6 图 8 9 A R0 图 8 10 用心 爱心 专心9 2 设此时电灯两端的电压为 U 流过每个电灯的电流为 I 根据闭合电路欧姆定律得 E 2IR0 U 代 入数据得 U 8 20I 在图 8 9 上画出此直线 得到如图 8 11 所示的图象 可求得 到直线和曲线的交点坐标为 2V 0 3A 即流过电灯的电流为 0 3A 流过电流表的电流强度为 0 6A 此时电灯的电阻为 7 6 L L I U R 反思 反思 题中的电阻变化是非线性的 所以其电阻值不能直接求得 只能从图象上得出电流和电压再求之 另外要注意图象中交点的物理 意义 例例 5 5 如图 8 12 所示电路中 电源电动势 E 6V 内阻 r 1 电阻 R1 3 R2 6 电容器的电容 C 3 6 F 二极管 D 具有单向导电性 开始时开头 S1闭合 S2断开 1 合上 S2 待电路稳定以后 求电容器 C 上电量变化了多少 2 合上 S2 待电路稳定以后再断开 S1 求断开 S1后 流过 R2的电量是多少 解析解析 s1闭合 s2断开时 电容器两端电压 U1 I1R1 1 1 R rR E 4 5V S2 闭合后有 I2 r RR RR E 21 21 2A 电压 U2 I2 21 21 RR RR 4V 电容器上电量变化了 Q U2 U1 C 1 8 10 6C 2 合上 S2后电容器上的电量 Q CU2 1 44 10 6C 断开 s1后 R1 R2并联 电阻与电流成反比 又 q It 因此流过的电量与电阻成反比 流过 R2的电量 Q2 21 1 RR R Q 4 8 10 6C 反思 反思 含容电路和分析是高考的热点 解决此类问题要明确电容器两极板的电压是多少 有时还需注 意极板带电的电性 例例 6 6 如图甲所示为一个灯泡两端的电压与通过的电流的关系曲线 参考这根曲线回答下列问题 不 计电流表和电池的内阻 1 若把三个这样的灯泡串联后 接到电动势为 12 V 的电源上 则流过灯泡的电流为 A 每 个灯泡的电阻为 2 如图乙所示 将两个这样的灯泡并联后再与 l 0 的定值电阻串联 接在电动势为 8V 的电源上 求通过电流表的电流为 A 各灯泡的电阻值为 解析 解析 1 因三个灯泡的电阻相同 故每个灯泡的电压也相同 都为 4V 结合灯泡的伏安特性曲线 可知 此时流过灯泡的电流为 0 4A 每个灯泡的电阻为 10 2 设每盏灯的电压为U 电流为I 则有 U 0 R2I8 IU208 作图线如图所示 解得 2 UV 0 3AI 故通过电流表的电 U V I A 02468 0 2 0 4 0 6 图 8 11 U V I A 02468 0 2 0 4 0 6 用心 爱心 专心10 流为 0 6A 各灯泡的电阻值为 I U R6 7 答案 答案 1 0 4A 10 2 0 6A 6 7 反思 反思 不能通过图象的转换 巧妙利用图象交点的物理含义求解 例例 2 2 在磁感应强度为B 0 4 T 的匀强磁场中放一个半径r0 50 cm 的圆形导 轨 上面搁有互相垂直的两根导体棒 一起以角速度 103 rad s 逆时针匀速转 动 圆导轨边缘和两棒中央通过电刷与外电路连接 若每根导体棒的有效电阻为 R0 0 8 外接电阻R 3 9 如图所示 求 1 每半根导体棒产生的感应电动势 2 当电键S接通和断开时两电表示数分别为多少 假定两电表均为理想电表 解析 解析 1 每半根导体棒产生的感应电动势为 E1 Blv 2 1 Bl2 2 1 4 103 0 5 2 V 50 V 2 两根棒一起转动时 每半根棒中产生的感应电动势大小相同 方向相同 从边缘指向中心 相当于四个电动势和内阻相同的电池并联 得总的电动势和内电阻 为E E1 50 V r 2 1 4 1 R0 0 1 当电键S断开时 外电路开路 电流表示数为零 电压表示数等于电源电动势 为 50 V 当电键S 接