2019年高考物理备考中等生百日捷进提升系列专题12交变电流与传感器含解析20190524172.wps
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1、专题 1212 交变电流与传感器 第一部分名师综述 本章内容实际上是电磁感应现象研究的继续及其规律的具体应用。其知识特点是了解识记的基 本概念较多,主要围绕交变电流的产生、变化规律及表征交变电流的物理量这一中心展开,在 此基础上研究了变压器的工作原理和远距离输电。另外,简单介绍了电感、电容对交变电流的 影响。本章知识的另一个特点是与科学技术和生活实际联系密切,在学习的过程中,要注意理 论联系实际,要善于知识的迁移、综合和应用。复习时要抓住两条主线: 1.“”以 交变电流的规律 为复习中心,掌握交变电流的产生、特点及特征物理量. 2.“以 变压器的原理”为复习核心,掌握变压器传输电能的特点,掌握
2、远距离输电问题的特点 及分析方法. 第二部分知识背一背 一、描述交变电流的物理量 1周期和频率 (1)周期 T:交变电流完成一次周期性变化(线圈转一周)所需的时间,单位是秒(s)公式:T 2 . (2)频率 f:交变电流在 1 s 内完成周期性变化的次数,单位是赫兹(Hz) (3)周期和频率的关系: T 1 f 2交变电流的瞬时值、峰值、有效值和平均值 (1)瞬时值:交变电流某一时刻的值,是时间的函数 (2)峰值:交变电流的电流或电压所能达到的最大值 (3)有效值:让交流与恒定电流分别通过相同的电阻,如果它们在交流的一个周期内产生的热 量相等,则这个恒定电流 I、恒定电压 U 就是这个交流的有
3、效值 (4)正弦式交变电流的有效值与峰值之间的关系:有效值为峰值除以 2 (5)平均值:是交变电流图象中波形与横轴所围面积跟时间的比值. 二、远距离输电 1根据 P I 2 R 损 ,降低输电损耗有两种方法 (1)减小输电线的电阻 (2)减小输电导线中的电流:在输送功率一定的情况下,根据 PUI,要减 小电流,必须提高 输电电压 2远距离输电的功率损失 1 P P2R 线 1 输送功率一定时,线路电流 I ,输电线上的损失功率 P损I2R线 ,可知 P损 . U U2 U2 远距离输电中的功率关系:P输P损P用户. 第三部分技能+ +方法 一、“”交变电流 四值 的比较与理解 交变电流的瞬时值
4、、峰值、有效值和平均值的比较 物理量 物理含义 重要关系 适用情况及说明 eEmsin t 瞬时值 交变电流某一时刻的值 计算线圈某时刻的受力情况 iImsin t EmnBS 峰值 最大的瞬时值 Em Im Rr 讨论电容器的击穿电压 Em E 2 (1)计算与电流的热效应有关的 跟交变电流的热效应等效 的恒定电流的值 有效值 U m U 2 Im I 2 适用于正(余)弦式电流 量(如电功、电功率、电热等) (2)电气设备“铭牌”上所标的 一般是有效值 (3)保险丝的熔断电流为有效值 EBlv 交变电流图象中图线与时 间轴所夹的面积与时间的 t En 平均值 计算通过电路截面的电荷量 比值
5、 E I Rr 二、理想变压器原、副线圈基本量的关系 理想 没有能量损失(铜损、铁损) 变压器 没有磁通量损失(磁通量全部集中在铁芯中) 功率 关系 P入P出 基 电压 原、副线圈的电压比等于匝数比,与负载情况、副线圈个数的多少 本 关系 无关 关 电流 只有一个副线圈时,电流和匝数成反比有多个副线圈时,由输入功 系 关系 率和输出功率相等确定电流关系 频率 原、副线圈中电流的频率相等 关系 2 制 电压 副线圈电压 U2由原线圈电压 U1和匝数比决定 约 功率 原线圈的输入功率 P1由副线圈的输出功率 P2决定 关 电流 原线圈电流 I1由副线圈电流 I2 和匝数比决定 系 三、远距离输电问
6、题 1远距离输电的处理思路 对高压输电问题,应按“发电机升压变压器远距离输电线降压变压器用电器”,或从 “”“”用电器 倒推到 发电机 的顺序一步一步进行分析 2远距离高压输电的几个基本关系(以下图为例): (1)功率关系:P1P2,P3P4,P2P损P3. U1 n1 I2 U3 n3 I4 (2)电压、电流关系: , ,U2UU3,I2I3I线 U2 n2 I1 U4 n4 I3 P2 P3 U2U3 (3)输电电流:I线 . U2 U3 R 线 P2 (4)输电线上损耗的电功率:P损I线 UI 线2R 线( ) 2R 线当输送功率一定时,输电电压增 U2 1 大到原来的 n倍,输电线上损
7、耗的功率就减小到原来的 . n2 第四部分基础练+ +测 一、单选题 1如图甲所示,理想变压器原、副线图的匝数之比n1:n2 = 10:1.电阻 R=5.L1、L2、L3为三个 完全相同的小灯泡,S1、S2为开关,原线圈接正弦交变电源,输入电压 u随时间 t的变化关系如 图乙所示.现将 S1闭合,S2断开,此时 L1正常发光.下列说法正确的是() 3 A输入电压 u 的表达式 u=10sin5t(V) BR 消耗的电功率为 0.2W C若 S1、S2均闭合,三个小灯泡均正常发光 D若 S1、S2均断开,三个小灯泡均正常发光 【答案】 C 【解析】 【详解】 A、 由 图 可 知 周 期 T =
8、 0.2s, 则 有 = 10rad/s, 所 以 输 入 电 压 u 的 表 达 式 应 为 u = 10sin(10t)V,故选项 A 错误; B、将 S1闭合,S2断开,根据变压器的电压与匝数关系可知电阻 R 电压有效值为U2 = 1 2V =2 2 2 2 U2 2 ) ( V P = ,R 消耗的电功率为 R = 5 W = 0.1W,故选项 B 错误; 2 CD、将 S1闭合,S2断开时,小灯泡 L2与 L3短路,此时小灯泡 L1两端电压等于U2 = ,正常 2 V 2 发光;若 S1、S2均闭合,三个小灯泡并联,此时三个小灯泡两端电压都等于 ,正常发光; 2 V 1 2 2 若
9、S1、S2均断开,三个小灯泡串联,此时三个小灯泡两端电压都等于 ,不能正 3 2 V = 6 V 常发光;故选项 C 正确,D 错误; 2图甲为小型发电机的结构简图,通过线圈在两磁极间转动给小灯泡供电,已知小灯泡获得的 交变电压如图乙。则下列说法正确的是 A甲图中电压表的示数为6 2V B乙图中的 0 时刻就是甲图所示时刻 C乙图中 0.510-2s 时刻,穿过甲图中线圈的磁通量最小 D乙图中 1.010-2s 时刻,穿过甲图中线圈的磁通量最小 【答案】 C 【解析】 【详解】 6 2 A甲图中电压表的示数为交流电的有效值:U = ,选项 A 错误; 2V = 6V B乙图中的 0 时刻感应电
10、动势为零,而甲图所示时刻,感应电动势最大,选项 B 错误; 4 C乙图中 0.510-2s 时刻,感应电动势最大,则此时穿过甲图中线圈的磁通量最小,选项 C 正确; D乙图中 1.010-2s 时刻感应电动势为零,则此时穿过甲图中线圈的磁通量最大,选项 D 错 误. 3如图甲所示,理想变压器原、副线圈的匝数比为 10:1,R1=10,R2=15 C 为电容器, 电流传感器与原线圈串联。当开关 S 断开时,传感器测得的正弦交流电如图乙所示,则 A电阻 R1中交流电的频率为 5Hz B输入电压的最大值为 600V C电阻 R2的电功率为 270W DS 闭合前后,原线圈中电流不变 【答案】 B 【
11、解析】 【详解】 由图可知,原线圈交变电流的频率为 50Hz,副线圈交变电流的频率同为 50Hz;原线圈交变电 1 I2 n1 流的有效值为I1 = ,由 得 。由并联电路的分流原理,电阻 R2中的电流 2A I1 = n2 I2 = 5 2A IR 2 R2 = 2 2V,电阻 R2消耗的电功率为 PR2=IR22R2=120W;电阻 R2的电压为 U2 = IR2R2 = 30 2V, U1 n1 由U2 = n2得U1 = 300 2V,故U1m = 2U1 = 600V;S 闭合后,有电流流过电容器,故副线圈中 电流增大,原线圈中电流也随之增大。故答案选 B。 4如图所示为远距离输电示
12、意图,T1、T2分别为理想升压变压器和理想降压变压器,图中的 电表 V1、V2、A1、A2均为理想电表,电表的示数分别为 U1、U2、I1、I2,输电线上有一定的电 阻,则下列说法正确的 AU1I1=U2I2 B保持输送功率不变,增大 U1,则 U2、I1、I2均增大 C保持 U1不变,输送功率增大,则 U2、I1、I2均增大 D保持 U1不变,用户减少,用户消耗功率与发电厂输出功率的比值增大 【答案】 D 5 【解析】 【详解】 理想变压器输出功率等于输入功率,由于在输电线路上有功率损失故 U1I1U2I2,故 A 错误; 保持输送功率不变增大 U1,根据 P=UI 可知,输电线上的电流减小
13、,即 I1减小,则 I2也减小; 输电线上电压损失减小,则 T2原线圈电压变大,则次级电压也变大,即 U2增大,故 B 错误; 保持 U1不变,输送功率增大根据 P=UI可知,输电线路上的电流增大,降压变压器原线圈两端 的电压 U3=U1-IR 减小,故降压变压器副线圈两端的电压减小,即 U2减小,故 C 错误;用户总 U1I - I2R IR 功率与发电厂的输出功率的比值为 ,则 U1不变,用户减小,I 减小,故用户消 U1I 1 - U1 耗功率与发电厂输出功率的比值变大,故 D 正确;故选 D。 5如图甲所示,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,图中电表 均为
14、理想的交流电表,定值电阻 R10 ,其余电阻均不计。从某时刻开始在原线圈 c、d 两 端加上如图乙所示的交变电压。则下列说法中正确的有( ) A当单刀双掷开关与 a 连接时,电压表的示数为 31.1 V B当单刀双掷开关与 b 连接且在 0.01 s 时,电流表示数为 0 C当单刀双掷开关由 a 拨向 b 时,副线圈输出电压的频率变为 25 Hz D当单刀双掷开关由 a 拨向 b 时,电压表和电流表的示数均变大 【答案】 D 【解析】 【详解】 由图象可知,交变电压的最大值为 311V,交流电的周期为 210-2s,所以交流电的频率为 311 f=1/T=50Hz;交流电的电压有效值为 =22
15、0V,根据电压与匝数成正比可知,副线圈的电压为 2 22V,即电压表的示数为 22V,选项 A 错误;电流表示数为交流电的有效值,不随时间的变化 而变化,所以当单刀双掷开关与 b 连接且在 0.01 s 时,电流表示数不为 0,B 错误;变压器不 会改变电流的频率,所以当单刀双掷开关由 a 拨到 b 时,副线圈输出电压的频率依然为 50Hz, 选项 C 错误;当单刀双掷开关由 a 拨向 b 时,原线圈的匝数变为一半,所以副线圈的输出电压 要变大一倍,变为 44V,则电压表和电流表的示数均变大,故 D 正确;故选 D。 6如图所示,将一均匀导线围成一圆心角为 60的扇形导线框 OMN,O 为圆心
16、,半径为 R,线 框总电阻为 r,将线框 O 点置于坐标系的原点,在二、四象限有垂直于纸面向外的匀强磁场, 磁感应强度为 B从 t=0 时刻开始,导线框绕 O 点以角速度 匀速转动,则导线框中感应电 6 流的有效值为( ) BR2 A 2r B 2BR2 4r C 6BR2 6r D 15BR2 6r 【答案】 C 【解析】 【详解】 4 60 2 线框转动一周过程中,两次进入磁场、两次出磁场,所以产生感应电流的时间 t= T= ; 3T 360 1 转动切割磁感应线产生的感应电动势 E=2BR ;设感应电动势的有效值为 E,根据有效值的 2 E2 E2 6BR2 E 6BR2 计算公式可得:
17、RT = R t;解得 E= 6 ,则导线框中感应电流的有效值为I = r = , 6r 故 C 正确、ABD 错误。 7如图甲所示理想变压器原、副线圈的匝数比为 4:1,R1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,如图乙所示。下列说法正确的是 A变压器的输入功率与输出功率之比为 4:1 B变压器原、副线圈中的电流之比为 4:1 Cu 随 t 变化的规律为 u=51im50tV(式中各物理量均为国际单位制) 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】 D 【解析】 7
18、 【详解】 I1 n2 原副线圈输入功率和输出功率相等,故 A 错误。根据I2 得,原副线圈的电流之比为 1:4, n1 故 B 错误。交变电压的峰值为 51V,周期 T=0.02s,则角速度 2/T100rad/s,则 u 随 t 的变化规律为 u=51sin(100t),故 C 错误。若热敏电阻 RT的温度升高,则热敏电阻的 阻值减小,由于原线圈的电压不变,则副线圈的电压不变,副线圈中的电流变大,故 D 正确。 故选 D。 8如图所示,某电路上接有保险丝、交流电压表、“220V 900W”的电饭锅及“220V 200W” 的抽油烟机现接入 u=31lsin100t(V)的交流电,下列说法正
19、确的是 A交流电压表的示数为 311V B1s内流过保险丝的电流方向改变 50 次 C电饭锅的热功率是抽油烟机的热功率的 4.5 倍 D为保证电路正常工作,保险丝的额定电流不能小于 5A 【答案】 D 【解析】 【详解】 A、现接入电压 u311sin100t(V)的交流电,交流电压最大值 Um311V,交流电压表的示 311 数为有效值 U = 2 = 220V,故 A 错误; 2 B、接入 u311sin100t(V)的交流电,故周期:T = 100 = 0.02s,一个周期电流方向改 变 2 次,故 1s电流方向改变 100 次;故 B 错误; C、电饭锅是纯电阻,消耗的电能全部转化为内
20、能,产生热量,而抽油烟机是非纯电阻,耗的 电能部分转化为机械能,部分转化为内能产生热量,电饭锅发热功率是抽油烟机总功率的 4.5 倍,故 C 错误; P1 + P2 900W + 200W D、电流的最大值为:I = ;故为保证电路正常工作,保险丝的额定电 U = 220V = 5A 流不能小于 5A;故 D 正确。 9在如图甲所示的电路中,理想变压器原、副线圈匝数比为 10:1,b 两端接入图乙所示的电 压,副线圈接火灾报警系统(报警器未画出),图中电压表和电流表均为理想电表,D 为理想二 极管,R0为定制电阻,L 为电阻恒定的指示灯,Rr为热敏电阻,其阻值随温度的升高而减小。 下列说法中正
21、确的是 8 A电压表的示数为 22V B若 Rr处出现火灾时,电压表示数将变大 C若 Rr处出现火灾时,电流表示数将变大 D若 Rr处出现火灾时,指示灯 L 将变亮 【答案】 C 【解析】 【详解】 U21 2202 T A、设原线圈两端电压为 U1,根据热效应可得: ,解得 ,则副线圈 RT = R 2 U1 = 110 2V n2 的电压U2 = n1U1 = 11 2V,故 A 错误; B、输入端的电压不变,匝数比不变,则电压表示数不变,故 B 错误; C、若 RT处出现火灾时,RT电阻变小,输出的总功率变大,则输入端的电功率变大,电压不变, 则电流表的示数变大,故 C 正确; D、若
22、RT处出现火灾时,RT电阻变小,输出的总功率变大,电流强度变大,R0两端电压变大, 则灯泡两端电压变小,灯泡变暗,故 D 错误; 故选 C。 10如图所示,一理想变压器原线圈与定值电阻 R1、理想电流表 A1一起接入电压恒为 U 的交 流电源上,原线圈接入电路的匝数可通过调节触头 P 进行改变,副线圈和滑动变阻器 R、定值 电阻 R2以及理想电流表 A2连接在一起,下列说法正确的是 A保持 R 不变,将触头 P 向上移动,则 A1的示数变小,A2的示数变小 B保持 R 不变,将触头 P 向下移动,电源输出的总功率变小 C保持 P 的位置不动,增大 R,则 A1的示数减小,A2的示数减小 D保持
23、 P 的位置不动,增大 R,则 R 的电功率变小,R1的电功率不变 【答案】 D 【解析】 9 【详解】 n2 A. 保持 R 不变,将触头 P 向上移动,则n1增大,再由U2 = n1U1,可知U2减少,又因为副线圈的 总电阻不变,所以通过副线圈的电流减少,即 A2的示数变小;A1的示数为 U1 R1,U1和R1都不变,所以 A1的示数不变。故 A 错误。 n2 B. 保持 R 不变,将触头 P 向下移动,则n1减少,再由U2 = ,可知 增加,副线圈的负载电 n1U1 U2 U2 阻不变,由P出 = 可知电源输出的总功率增大。故 B 错误。 R总 U2 C. 保持 P 的位置不动,增大 R
24、,负载的总电阻R总增大,U2不变,由I2 = 可知 减小,所以 A2 R总 I2 U1 的示数减小;A1的示数为R1,U1和R1都不变,所以 A1的示数不变。故 C 错误。 U2 D.保持 P 的位置不动,增大 R,负载的总电阻R总增大,U2不变,由I2 = R总可知I2减小,副线圈 的输出功率为P2 = U2I2减小,由因为R2的功率不变,所以R的功率是减小的;电阻R1不变,两 端的电压U2不变,所以 R1的电功率不变。故 D 正确。 二、多选题 11图中理想变压器原、副线圈的匝数之比为 41,电压表和电流表可视为理想电表,现在 原线圈两端加上交变电压 U=311sin(100t)V 时,灯
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