1、二轮物理 专题八 直流与交流电路 二轮物理 展示考纲明晰考向 方法归纳重点点拨 锁定考点高效突破 二轮物理 展示考纲明晰考向 重要考点考题预测1.欧姆定律.()2.闭合电路的欧姆定律.()3.理想变压器.()高考对这一部分内容的考查题型一般为选择题.预计在2016年高考中,交、直流电路的故障与动态分析问题,电功和电热的计算,交变电流的产生与描述和变压器的应用仍是命题的热点.二轮物理 方法归纳重点点拨 一、直流电路 1.路端电压(1)与负载的关系 根据 U=IR=ERrR=1ErR可知,当 R 增大时 U 增大,R 减小时 U 减小.(2)与总电流的关系 关系式为U=E-Ir,用图像表示如图所示
2、.当总电流增大时,路端电压减小,内电压增大,但两者之和保持不变.二轮物理 2.功率与效率(1)电源的功率P P=IE(普遍适用);P=I2(R+r)(适用纯电阻电路).(2)电源损耗功率P P内=I2r.(3)电源输出功率 P 外 P 外=IU(普遍适用);P 外与外电阻 R 的关系为 P 外=22()RERr=22()4ERrrR,P 外-R 图像如图所示.当 R=r 时,电源的输出功率最大,Pm=24Er,此时电源效率=50%.当 R 由小于 r 增大到大于 r 时,随着 R 的增大,输出功率先增大后减小(非单调变化).二轮物理(4)电源效率 =PP外 100%=UIEI 100%=UE
3、100%,纯电阻电路=RRr100%.二、交变电流和变压器电路 1.交变电流的“四值”(1)峰值 Em=NBS 处理电容器的耐压问题(2)瞬时值 e=Emsin t 处理闪光电器的闪光时间等(3)正弦式交变电流的有效值 E=m2E I=m2I U=m2U 电表的读数及计算电热、电功及保险丝的熔断电流(4)平均值 E=nt 计算通过导体的电荷量 q=nR总 二轮物理 2.理想变压器的动态分析(1)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)根据题意,先弄清变量和不变量,如原线圈电压不变,原副线圈的匝数比或输出端负载电阻变化;再弄清引发的其他量的变化,如电表示
4、数,电流及功率等.(3)分析流程如下:由12UU=12nn 分析 U2的变化情况;由 I2=2UR 分析 I2的变化情况;由 P1=P2=I2U2判断输入功率的变化情况;由 P1=I1U1分析 I1的变化.二轮物理 锁定考点高效突破 考点一 交变电流的产生和描述 备选例题(2014天津理综)(多选)如图(1)所示,在匀强磁场中,一矩形金属线圈两次分别以不同的转速,绕与磁感线垂直的轴匀速转动,产生的交变电动势图像如图(2)中曲线a,b所示,则()A.两次t=0时刻线圈平面均与中性面重合 B.曲线a,b对应的线圈转速之比为23 C.曲线a表示的交变电动势频率为25 Hz D.曲线b表示的交变电动势
5、有效值为10 V AC 二轮物理 思路探究(1)分析图(1),图(2),初始时刻线圈在什么位置?答案:中性面位置.(2)曲线a,b的周期具有什么关系?两次电动势的峰值与各自的周期有什么关系?答案:由图(2)知,Ta=410-2s,Tb=610-2s,故 Tb=32 Ta;Em=NBS=2NBST.答案:I=m2I,U=m2U.(3)正弦式交变电流的有效值和峰值之间具有什么关系?二轮物理 解析:由题图(2)知 t=0 时两次产生的交变电动势瞬时值均为零,因此线圈平面均与中性面重合,选项 A 正确;图中 a,b 对应的周期之比为23,因此线圈转速之比 nanb=1aT 1bT=32,选项 B 错误
6、;a 曲线表示的交变电动势的频率为 fa=1aT=214 10 Hz=25 Hz,选项 C 正确;a 曲 线对应线圈相应的电动势的最大值 Ema=NBS 2aT,由图像知 Ema=15 V,b曲线对应线圈相应的电动势的峰值 Emb=NBS 2bT,因此mmbaEE=abTT=23,Emb=10 V,有效值 Eb=102 V=52 V,选项 D 错误.二轮物理 通关演练(2015 四川理综)小型手摇发电机线圈共 N 匝,每匝可简化为矩形线圈abcd,磁极间的磁场视为匀强磁场,方向垂直于线圈中心轴 OO,线圈绕 OO匀速转动,如图所示.矩形线圈 ab 边和 cd 边产生的感应电动势的最大值都为 e
7、0,不计线圈电阻,则发电机输出电压()A.峰值是 e0 B.峰值是 2e0 C.有效值是22 Ne0 D.有效值是2 Ne0 D 二轮物理 解析:根据题意,小型发电机输出电压的峰值为 Em=2Ne0,选项 A,B 均错误;对于正弦式交变电流,峰值与有效值 E 的关系满足 E=m2E,故有效值为2 Ne0,选项 C 错误,选项 D 正确.二轮物理 2.正弦式交变电流的产生(2015大庆市第二次质检)(多选)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a所示.产生的交变电动势e随时间t变化的图像如图b所示,则下列说法正确的是()A.该交流电动势瞬时值表达式为e=311sin 10
8、0 t(V)B.t=0.01 s时线框平面与中性面重合 C.t=0.005 s时线框的磁通量变化率为零 D.该交变电流经原副线圈匝数比为101的理想变压器变压,频率变为原来的十分之一 AB 二轮物理 解析:由图 b 知,T=0.02 s,所以=2T=100 rad/s,故电动势的瞬时值表达式为 e=311sin 100t(V),A 项正确;t=0.01 s 时,感应电动势为零,线框平面与中性面重合,B项正确;t=0.005 s时,感应电动势有最大值,根据 E=nt分析可知,此时t有最大值,C 项错误;变压器改变交变电流的电压,但不改变交变电流的频率,D 项错误.二轮物理 3.交变电流的“四值”
9、问题(2015 石家庄一模)如图所示为小型旋转电枢式交流发电机原理示意图,电阻 r=1 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电路连接,滑动变阻器 R 的最大阻值为 6 ,滑片 P 位于滑动变阻器距下端 13 处,定值电阻 R1=2 ,其他电阻不计,线圈匀速转动的周期 T=0.02 s.闭合开关 S,从线圈平面与磁场方向平行时开始计时,线圈转动过程中理想电压表示数是 5 V.下列说法正确的是()A.电阻 R1消耗的功率为 23 W B.0.02 s 时滑动变阻器 R 两端的电压瞬时值为零 C.线圈产生的交流电动势 e 随时
10、间 t 变化的规律是 e=62 sin 100 t(V)D.线圈从开始计时到 1200 s 的过程中,通过 R1的电荷量为2200 C D 二轮物理 解析:外电路总电阻为 R 外=23 R+111313R RRR=4+1=5,所以形成闭合回路的电流为 I=UR外=55 A=1 A.故流过 R1的电流 I1=2I=0.5 A,所以 P1=21IR1=0.52 2 W=0.5 W,A 项错误.线圈产生的交流电动势的有效值为 E=U+Ir=6 V,线圈从图示位置开始计时,=2T=100 rad/s,产生的交流电动势的瞬时值表达式为 e=62 cos 100t(V),C 项错误.t=0.02 s 时,
11、电动势有最大值,B 项错误.线圈从开始计时到 1200 s 即 0 4T 的过程中,通过 R1的电荷量 q1=2q=12 n R总=12 mER总=12 6 21005+1 C=2200 C,D 项正确.二轮物理 方法总结 书写交变电流瞬时值表达式及“四值”应用注意点(1)线圈通过中性面时的特点 穿过线圈的磁通量最大;线圈中的感应电动势为零;线圈每经过中性面一次,感应电流的方向改变一次.(2)正弦式交变电流电动势瞬时值表达式的关键点 确定峰值Em=NBS;明确t=0时刻线圈的位置.(3)构成闭合电路后求交流电表的示数、电阻消耗的功率均用有效值,求电荷量要用平均值.二轮物理 考点二 直流电路综合
12、问题 典例 如图所示,整个装置处在竖直平面内,平行金属板中带电质点 P原来处于静止状态,不考虑电流表和电压表对电路的影响,R1的阻值和电源内阻 r 相等.当滑动变阻器 R4的滑片向 b 端移动时,则下列说法正确的是()A.R3上消耗的功率逐渐增大 B.电流表读数减小,电压表读数增大 C.电源的输出功率逐渐增大 D.质点 P 将向上运动 二轮物理 审题突破 二轮物理 解析:滑动变阻器R4的滑片向b端移动时,R4的阻值越来越小,故并联电路的总电阻减小,根据串联电路的分压规律可得:R3的电压减小,消耗的功率减小,故A错误;电容器电压等于R3的电压,故也减小,所以质点P向下运动,所以D错误;外电路总电
13、阻减小,所以干路电流I1增大,而R3的电流I3减小,根据I1=I3+IA,可得电流表读数IA增大,所以B错误;因为R1的阻值和电源内阻r相等,故外电路电阻大于电源内阻,且逐渐减小,由输出功率与外电阻的关系可知电源的输出功率增大,所以C正确.答案:C 二轮物理 以例说法 闭合电路动态分析、含容电路、故障分析方法(1)闭合电路动态分析的方法 程序法:流程如下(2)含容电路分析 首先确定电容器两极板电势高低,当两板电势(电压)变化时,内部场强发生变化,且电容器充(放)电量q=UC(也等于与其串联电表(或电阻)中流过的电量).(3)电路故障分析 电路故障常由断路(或短路)引起,先由题目表述的现象判定故
14、障发生在干路还是支路.用电压表判定干路断路点两端电压时,(若只有一处断路)其值等于电源电动势,用导线短接时其他部分将导通.二轮物理 题组训练 1.直流电路的故障分析(多选)如图所示的电路中,电源电压保持不变,闭合开关S,电路正常工作,过了一会儿,电流表A的示数变为零,若电路中故障发生在灯L、电阻R上,用一根导线来判断电路故障,则下列判断正确的是()A.将导线并联在R两端,电流表无示数,一定是L断路 B.将导线并联在L两端,电流表无示数,一定是R断路 C.将导线并联在R两端,电流表有示数,一定是R断路 D.将导线并联在L两端,电流表有示数,一定是L断路 解析:电流表A的示数变为零,说明电路故障为
15、断路.将导线与用电器并联进行检测时,若电流表有示数,说明与导线并联的用电器断路;若电流表无示数,说明另一个用电器断路或两个用电器都断路.故A,B错误,C,D正确.CD 二轮物理 2.含容电路分析(2014 天津理综)如图所示,电路中 R1,R2均为可变电阻,电源内阻不能忽略,平行板电容器 C 的极板水平放置.闭合开关 S,电路达到稳定时,带电油滴悬浮在两板之间静止不动.如果仅改变下列某一个条件,油滴仍能静止不动的是()A.增大 R1的阻值 B.增大 R2的阻值 C.增大两板间的距离 D.断开开关 S B 二轮物理 解析:R2与电容器串联的支路不通,因此电容器两端的电压等于 R1两端的电压,增大
16、 R1的阻值,R1两端的电压增大,电容器两端的电压增大,由 E=Ud 可知,电容器两极板间的电场强度增大,带电油滴受到的电场力增大,会向上运动,选项 A 错误;增大 R2的阻值不改变电路中的总电阻,不改变 R1两端的电压,因此电容器中的油滴仍保持静止,选项 B 正确;增大两板间的距离,而电容器两板间的电压一定,由 E=Ud 可知,板间的场强减小,油滴受到的电场力减小,油滴会向下运动,选项 C 错误;断开开关 S,电容器会通过 R1,R2进行放电,使板间场强减小,油滴受到的电场力减小而向下运动,选项 D 错误.二轮物理 3.直流电路中的极值和能量问题 如图所示,电源电动势 E=3 V,内阻 r=
17、3 ,定值电阻 R1=1 ,滑动变阻器R2的最大阻值为 10 ,则(1)当滑动变阻器的阻值 R2为多大时,电阻 R1消耗的功率最大?电阻 R1消耗的最大功率是多少?解析:(1)R1为定值电阻,当 R2=0 时,流经 R1的电流最大,电阻 R1消耗的功率最大,此时I1=1ErR=0.75 A,PR1=21IR10.56 W.答案:(1)0 0.56 W 二轮物理(2)当变阻器的阻值为多大时,变阻器消耗的功率最大?变阻器消耗的最大功率是多少?(3)当变阻器的阻值为多大时,电源输出功率最大?电源输出的最大功率是多少?解析:(2)电源与定值电阻 R1可看做一个电动势为 E=3 V,内阻为 r=r+R1
18、=4 的“电源”,当滑动变阻器阻值 R2=r=4 时,变阻器消耗的功率最大,此时 PR2=24Er 0.56 W.(3)同理,当 R 外=r 时,即 R2=2 时,电源输出的功率最大,此时 P 出=24Er =0.75 W.答案:(2)4 0.56 W(3)2 0.75 W 二轮物理(4)三种情况下,电源的效率分别为多大?解析:(4)电阻 R1消耗功率最大时,电源的效率 1=11RRr100%=25%;变阻器消耗的功率最大时,电源的效率 2=1212RRrRR100%=62.5%;电源输出功率最大时,电源的效率 3=1212RRrRR100%=50%.答案:(4)25%62.5%50%二轮物理
19、 考点三 变压器和远距离输电问题(2015 全国新课标理综)一理想变压器的原、副线圈的匝数比为 31,在原、副线圈的回路中分别接有阻值相同的电阻,原线圈一侧接在电压为 220 V 的正弦交流电源上,如图所示.设副线圈回路中电阻两端的电压为 U,原、副线圈回路中电阻消耗的功率的比值为 k,则()A.U=66 V,k=19 B.U=22 V,k=19 C.U=66 V,k=13 D.U=22 V,k=13 二轮物理 思路探究(1)两个回路中的电阻R依据什么物理量关联起来?答案:原、副线圈电流比I1I2=n2n1,及消耗的功率比.(2)220 V是变压器的输入电压吗?答案:不是.解析:法一 设原线圈
20、中电流为 I,由12II=21nn 知副线圈中的电流 I2=3I,由题意知副线圈中电阻两端的电压 U=3IR,则原线圈回路中 R 两端的电压 U=IR=3U,原线圈两端的电压 U1=3U,由闭合电路中电压关系可知 U1+U=220 V,即 3U+3U=220 V,解得 U=66 V,原线圈回路中电阻消耗的功率 P1=I2R,副线圈回路中电阻消耗的功率 P2=(3I)2R,k=12PP=22(3)I RIR=19,选项 A 正确.二轮物理 法二 副线圈两端电压为 U,则变压器原线圈两端电压为 3U,所以原线 圈所连接电阻 R 两端的电压为 UR=220 V-3U.因此流过原线圈的电流I1=220
21、V3UR,副线圈的电流 I2=UR,而12II=21nn=13,联立解得 U=66 V,而P=2UR,故 PR=2(2203)UR,P2=2UR,所以 k=RPP=22RUU=19.A 项正确.答案:A 二轮物理 以例说法 理想变压器及远距离输电中的关系分析(1)理想变压器中的制约关系 U1U2 I2 I1P1(2)远距离输电中的电压及功率关系 二轮物理 题组训练 1.变压器的基本关系的应用(2015江苏卷)一电器中的变压器可视为理想变压器,它将220 V交变电流改变为110 V.已知变压器原线圈匝数为800,则副线圈匝数为()A.200 B.400 C.1 600 D.3 200 B 解析:
22、由于理想变压器的变压比等于匝数比,即12UU=12nn,解得 n2=21UU n1=400,选项 B 正确.二轮物理 2.变压器的动态分析(2015 兰州诊断)(多选)如图所示,理想变压器原、副线圈的匝数比为 101,b 是原线圈的中心抽头,电压表和电流表均为理想电表,从某时刻开始在原线圈 c,d 两端加上交变电压,其瞬时值表达式为 u1=2202 sin 100 t V,则下列说法正确的是()A.当单刀双掷开关与 a 连接时,电压表的示数为 22 V B.当 t=1600 s 时,c,d 间的电压瞬时值为 110 V C.单刀双掷开关与 a 连接,在滑动变阻器触头 P 向上移动的过程中,电压
23、表和电流表的示数均变小 D.变阻器 R 不变,当单刀双掷开关由 a 扳向 b 时,输入功率变大 AD 二轮物理 解析:根据12UU=12nn 得 U2=121U nn=200 110 V=22 V,A 项正确;U1=2202 sin(100 1600)V=1102 V,B 项错误;变压器的匝数比不变,则 U2不变,触头 P 上移,R 增大,I2=2UR 减小,C 项错误;开关由 a 扳向 b 时,n1减小,所以U2=121U nn增大,故 P2=22UR 增大,因为 P1=P2,所以 P1增大,D 项正确.二轮物理 3.远距离输电问题(2015 福建理综)图为远距离输电示意图,两变压器均为理想
24、变压器,升压变压器 T 的原、副线圈匝数分别为 n1,n2,在 T 的原线圈两端接入一电压 u=Um sin t 的交流电源,若输送电功率为 P,输电线的总电阻为 2r,不考虑其他因素的影响,则输电线上损失的电功率为()A.(12nn)2m4Ur B.(21nn)2m4Ur C.4(12nn)2(mPU)2r D.4(21nn)2(mPU)2r C 二轮物理 解析:T 的输入电压 U1=m2U,则 P=U1I1,I1=1PU=m2PU,又因为12II=21nn,所以 I2=12nn I1=12m2 n Pn U,则输电线上损失的电功率 P 损=22I2r=4(12nn)2(mPU)2r,C 项正确.二轮物理 点击进入限时训练