浙江鸭2019年高考物理二轮复习专题20交流电及远距离输电试题含解析.pdf
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1、专题 20 交流电及远距离输电 专题 20 交流电及远距离输电 交变电流的基本概念和描述 交变电流的基本概念和描述 交变电流交变电流 (1)定义:大小和方向都随时间做周期性变化的电流。 (2)图象:如图(a)、(b)、(c)、(d)所示都属于交变电流。其中按正弦规律变化的交变电流叫正 弦式交变电流,如图(a)所示。 1周期和频率1周期和频率 (1)周期(T) : 交变电流完成 1 次周期性变化(线圈转一周)所需要的时间,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 或f 。 1 f 1 T 2正弦
2、式交变电流的函数表达式(线圈在中性面位置开始计时)2正弦式交变电流的函数表达式(线圈在中性面位置开始计时) (1)电动势e随时间变化的规律:eEmsin_t。 (2)负载两端的电压u随时间变化的规律:uUmsin_t。 (3)电流i随时间变化的规律:iImsin_t。其中等于线圈转动的角速度,EmnBS。 3交变电流的瞬时值、峰值、有效值3交变电流的瞬时值、峰值、有效值 (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(电流、电压或电动势)所能达到的最大的值,也叫最大值。 (3)有效值:跟交变电流的热效应等效的恒定电流的值叫做交变电流的有效值。对正弦交流电,其有 效值和
3、峰值的关系为:E,U,I。 Em 2 Um 2 Im 2 1正弦式交变电流的变化规律1正弦式交变电流的变化规律 线圈在中性面位置时开始计时 物理量函数表达式图象 磁通量 mcos t BScos t 电动势 eEmsin t nBSsin t 电压 uUmsin t EmR Rr sin t 电流 iImsin t Em Rr sin t 2.两个特殊位置的特点2.两个特殊位置的特点 (1)线圈平面与中性面重合时,SB,最大,0,e0,i0,电流方向将发生改变。 t (2)线圈平面与中性面垂直时,SB,0,最大,e最大,i最大,电流方向不改变。 t 1交变电流的瞬时值、峰值、有效值和平均值的比
4、较 物理量物理含义重要关系适用情况及说明 瞬时值交变电流某一时刻的值 e=Emsin t i=Imsin t 计算线圈某时刻的受力情 况 峰值最大的瞬时值 Em=nBS m m E I Rr 讨论电容器的击穿电压 有效值 跟交变电流的热效应等 效的恒定电流的值 m 2 E E (1)计算与电流的热效应 有关的量 (如电功、 电功率、 电热等) m 2 U U m 2 I I 适用于正(余)弦式交变电流 (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 平均值 交变电流图象中图线与 时间轴所夹的面积与时 间的比值 vBLE ; En t rR E I 计算通过电路截
5、面的电荷 量 1图中属于交变电流的是 A B C D 【答案】【答案】C 【解析】【解析】电流的方向在周期性变化的电流为交变电流;交变电流的方向在不断地变化,ABD 选项中电流方向 不变,是直流电;C 选项电流大小不变,方向变化,是交变电流。故选 C。 2交流发电机发电示意图如图所示,线圈转动过程中,下列说法正确的是 A转到图甲位置时,通过线圈的磁通量变化率最大 B转到图乙位置时,线圈中产生的感应电动势为零 C转到图丙位置时,线圈中产生的感应电流最大 D转到图丁位置时,AB 边感应电流方向为 AB 【答案】【答案】D 【解析】【解析】转到图甲位置时,线圈平面与磁感线垂直,磁通量最大,但磁通量变
6、化率最小为零,故 A 错误; 转到图乙位置时,线圈产生的感应电动势最大,故 B 错误;转到图丙位置时,线圈位于中性面位置,此时 感应电流最小,且感应电流方向改变,故 C 错误;转到图丁位置时,根据楞次定律可知 AB 边感应电流方向 为 AB,故 D 正确;故选 D。 3一个匝数为 100 匝,电阻为 0.5 的闭合线圈处于某一磁场中,磁场方向垂直于线圈平面,从某时刻起 穿过线圈的磁通量按如图所示规律变化则线圈中产生交变电流的有效值为( ) A5 A BA C6 A D A 【答案】【答案】B 【解析】【解析】01 s 时间内,感应电动势为E1n1/t11 V,电流为 2 A; 11.2 s 内
7、,感应电动势E2 n2/t25 V, 感应电流为 10 A, 一个周期内发热量为, 得I2 A, B 正确 4 匝数为 N 的矩形线框 ABCD 放在垂直纸面向里的磁场中, 开始线框所在的平面与磁场方向垂直, 如图所示, 现以线框的 AB 边为轴使其在水平面内以恒定的加速度匀速转动,经测量可知此时线框的转动周期为 To,线 框中所产生的感应电动势的最大值为 Em下列选项中正确的是( ) A线框中所产生的感应电动势的有效值为 B线框在转动一周的过程中穿过线框磁通量的最大值为 C线框转动过程穿过每匝线框的磁通量变化率的最大值为 D线框转动一周的过程中电流方向始终不变 【答案】【答案】C 【解析】【
8、解析】 A 项:线框中所产生的感应电动势的有效值为,故 A 错误; B 项:当线框平面与磁场垂直时磁通量最大即为,解得:,故 B 错误; C 项:由公式,解得:,故 C 正确; D 项:线框转动一周的过程中电流方向改变两次,故 D 错误。 故应选:C。 5如图所示,边长为 L、匝数为 N 的正方形闭合线 abcd 圈绕对称轴 OO匀速转动,角速度为 w,空间中只 有 OO左侧存在垂直于纸面向里的匀强磁场,磁感应强度为 B.若闭合线圈的总电阻为 R,则() A线圈中感应电动势的有效值为 B线圈中感应电动势的最大值为 C在转动一圈的过程中,线圈中有一半时间没有电流 D当线圈转到图中所示位置时,穿过
9、线圈的磁通量为 【答案】【答案】B 【解析】【解析】感应电动势的最大值,有效值,选项 A 错误,选项 B 正确;在转动 的过程中,线圈始终有一半在磁场中运动,故线圈中始终有电流通过,选项 C 错误;在图中所示位置时, 穿过线圈的磁通量为,选项 D 错误. 6图甲为小型旋转电枢式交流发电机的原理图,其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阻值 R=10 的电阻连接,与电阻并联的交流电 压表为理想电压表示数是 10V.图乙是矩形线圈中磁通量 随时间 t 变化的图像.下列说法正确的是() A电阻 R 上消耗的电功率为 20W Bt
10、=0.02s 时电阻 R 两端的电压瞬时值为零 C电阻 R 两端的电压 u 随时间 t 变化的规律是 u=14.1cos100t(V) D通过电阻 R 的电流 i 随时间 t 变化的规律是 i=1.41cos50t(A) 【答案】【答案】C 【解析】【解析】根据公式求出电阻 R 上的电功率,由乙图可知,0.02s 通过线圈的磁通量为零,电动势最大, 根据有效值与最大值的关系求出最大值,写出 R 两端的电压 u 随时间 t 变化的规律,根据欧姆定律求出通 过 R 的电流 i 随时间 t 变化的规律。 A 项:根据公式得:,故 A 错误; B 项:由乙图可知,0.02s 通过线圈的磁通量为零,电动
11、势最大,R 两端的电压瞬时值为,故 B 错误; C 项 : 由乙图可知,T=0.02s,电动势的最大值,又因为此交变电流是从垂 直于中性面开始计时的,所以 R 两端的电压 u 随时间 t 变化的规律是 u=14.1cos100t(V) ,故 C 正确; D 项 : 根据得,: 通过 R 的电流 i 随时间 t 变化的规律是 i=1.41cos100t(A) ,故 D 错误。故应选 : C。 7 如图甲所示,一矩形闭合线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的转轴O以恒定的角速度转动,从线圈 平面与磁场方向平行时开始计时,线圈中产生的交变电流按照图乙所示的余弦规律变化,在t=/2时刻 ( ) A线圈中的
12、电流最大 B穿过线圈的磁通量为零 C线圈所受的安培力为零 D穿过线圈磁通量的变化率最大 【答案】【答案】C 【解析】【解析】试题分析:时刻 ,线圈转过的角度为,此时线圈平面和磁感线垂直,磁通量最大, 磁通量的变化率为零,感应电动势为零,感应电流为零,此时的安培力为零,选项 C 正确。 考点:交流电的产生及变化规律。 8有一种自行车,它有能向自行车车头灯泡供电的小型发电机,其原理示意图如图甲所示,图中N,S是 一对固定的磁极,磁极间有一固定的绝缘轴上的矩形线圈,转轴的一端有一个与自行车后轮边缘结束的摩 擦轮如图乙所示,当车轮转动时,因摩擦而带动摩擦轮转动,从而使线圈在磁场中转动而产生电流给车 头
13、灯泡供电关于此装置,下列说法正确的是( ) A自行车匀速行驶时线圈中产生的是直流电 B小灯泡亮度与自行车的行驶速度无关 C知道摩擦轮与后轮的半径,就可以知道后轮转一周的时间里摩擦轮转动的圈数 D线圈匝数越多,穿过线圈的磁通量的变化率越大 【答案】【答案】C 【解析】【解析】 自行车匀速行驶时, 线圈中在磁场中旋转产生感应电动势, 如果从中性面开始计时, 则 e=Emsint, 所以产生的是交流电,故 A 错误;小灯泡亮度决定于电功率,电功率 P=EI,而,所以灯泡 亮度与自行车的行驶速度有关,故 B 错误;如果摩擦轮半径为 r,后轮的半径为 R,则,则后轮 转一周的时间里摩擦轮转动的圈数为 N
14、=R/r,故 C 正确 ; 磁通量的变化率为,与线圈匝数无关,故 D 错误。 故选 C。 理想变压器 理想变压器 一、理想变压器一、理想变压器 1构造1构造:如图 1 所示,变压器是由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成的。 或符号: 2原理:2原理:在变压器原、副线圈中由于有交变电流而发生互相感应的现象,叫互感现象; 铁芯的作用:使绝大部分磁感线集中在铁芯内部,提高变压器的效率。 3基本关系式3基本关系式 (1)功率关系:P入P出。 (2)电压关系:。 U1 n1 U2 n2 有多个副线圈时。 U1 n1 U2 n2 U3 n3 (3)电流关系:只有一个副线圈时。 I1 I2 n2 n1 由P
15、入P出及PUI推出有多个副线圈时,U1I1U2I2U3I3UnIn。 4几种常用的变压器4几种常用的变压器 (1)自耦变压器调压变压器 (2)互感器电压互感器:用来把高电压变成低电压。 电流互感器:用来把大电流变成小电流。) 二、远距离输电二、远距离输电 1 输电过程 (如图 2 所示) 2 输电导线上的能量损失 : 主要是由输电线的电阻发热产生的, 表达式为QI2Rt。 图 2 3电压损失 (1)UUU;(2)UIR 4功率损失 (1)PPP;(2)PI2RR ( P U) 2 5输送电流 (1)I ;(2)I。 P U UU R 一、互感器一、互感器 电压互感器和电流互感器,比较如下: 电
16、压互感器电流互感器 原理图 原线圈的连接并联在高压电路中串联在待测高流电路中 副线圈的连接连接电压表连接电流表 互感器的作用将高电压变为低电压将大电流变成小电流 利用的公式 2 1 2 1 n n U U I1n1=I2n2 二、理想变压器的动态分析二、理想变压器的动态分析 1解决理想变压器中有关物理量的动态分析问题的方法 (1)分清不变量和变量,弄清理想变压器中电压、电流、功率之间的联系和相互制约关系,利用闭合 电路欧姆定律,串、并联电路特点进行分析判定; (2)分析该类问题的一般思维流程是: 2常见的理想变压器的动态分析问题一般有两种:匝数比不变的情况和负载电阻不变的情况。 (1)匝数比不
17、变的情况 U1不变,根据 2 1 2 1 n n U U ,输入电压U1决定输出电压U2,不论负载电阻R如何变化,U2也不变; 当负载电阻发生变化时,I2变化,输出电流I2决定输入电流I1,故I1发生变化; I2变化引起P2变化,由P1=P2知P1发生变化。 (2)负载电阻不变的情况 U1不变, 2 1 n n 发生变化,U2变化; R不变,U2变化,I2发生变化; 根据 R U P 2 2 2 和P1=P2,可以判断P2变化时,P1发生变化,U1不变时,I1发生变化。 三、远距离输电相关的细节三、远距离输电相关的细节 1理清三个回路 图 13 2抓住两个联系 (1) 理想的升压变压器联系着回
18、路 1 和回路 2, 由变压器原理可得 : 线圈 1(匝数为n1) 和线圈 2(匝数为n2) 中各个量间的关系是,P1P2。 U1 U2 n1 n2 I1 I2 n2 n1 (2) 理想的降压变压器联系着回路 2 和回路 3, 由变压器原理可得 : 线圈 3(匝数为n3) 和线圈 4(匝数为n4) 中各个量间的关系是,P3P4。 U3 U4 n3 n4 I3 I4 n4 n3 3掌握一个守恒 能量守恒关系式P1P损P3 1如图所示,一个匝数为N=100 匝,电阻不计的线框以固定转速 50r/s 在匀强磁场中旋转,其产生的交流 电通过一匝数比为 n1: n2=10: 1 的理想变压器给阻值R=2
19、0 的电阻供电,已知电压表的示数为 20 V,从图 示位置开始计时,则下列说法正确的是 At=0 时刻线框内的电流最大 B变压器原线圈中电流的有效值为 10 A C穿过线框平面的最大磁通量为Wb D理想变压器的输入功率为 10 W 【答案】【答案】C 【解析】【解析】 A、t=0 时刻为中性面位置,故感应电动势为零,故感应电流为零,流过线圈的电流为零,故 A 错误; B、副线圈中的电流,根据电流与匝数成反比,原线圈中电流的有效值 ,故 B 错误; C、根据电压与匝数成正比,原线圈两端的电压U1200V,角速度=2n=100 rad/s,线圈产生最大感 应电动势,而Em=NBS,则最大磁通量,故
20、 C 正确; D、理想变压器输出功率,输入功率等于输出功率,所以变压器的输入功率为 20W, 故 D 错误; 故选 C. 2矩形线框与理想电流表、理想变压器、灯泡连接电路如图甲所示灯泡标有“36 V 40 W”的字样且阻 值可以视作不变,变压器原、副线圈的匝数之比为 21,线框产生的电动势随时间变化的规律如图乙所 示则下列说法正确的是( ) A图乙电动势的瞬时值表达式为 e36 sin(t)V B变压器副线圈中的电流方向每秒改变 50 次 C灯泡L恰好正常发光 D理想变压器输入功率为 20 W 【答案】【答案】D 【解析】【解析】根据交流电的图像确定交流电瞬时值表达式;交流电的方向一周改变 2
21、 次;根据变压器匝数比求 解次级电压从而判断灯泡的发光情况;变压器的输入功率等于输出功率. A由乙图可知,周期为 0.02s,交流电的圆频率:,故原线圈输入电压的瞬时值表达式 为 =72 sin100t(V) ,故 A 错误; B交流电的频率为 50Hz,在一个周期内电流方向改变 2 次,可知变压器副线圈中的电流方向每秒改变 100 次,选项 B 错误; C变压器初级电压有效值为,由原副线圈的匝数比为 2:1 可知,次级电压为 18V,则灯 泡 L 不能正常发光,选项 C 错误; D灯泡电阻为,次级功率 :,则理想变压器输入功率为 20W,选项 D 正确; 故选 D. 3如图所示,理想变压器的
22、原线圈接在一个交流电源上,交流电压瞬时值随时间变化的规律为 u=220 sin100t(V) ,副线圈所在电路中接有灯泡、电动机、理想交流电压表和理想交流电流表。已知理想变压 器原、副线圈匝数比为 10:1,灯泡的电阻为 22,电动机内阻为 1,电流表示数为 3A,各用电器均正 常工作。则 A通过副线圈的电流方向每秒钟改变 50 次 B电压表示数为 22V C变压器原线圈的输入功率为 66W D电动机的输出功率为 40W 【答案】【答案】D 【解析】【解析】每个周期内电流方向改变两次;电压表测量的是副线圈的电压有效值,根据原线圈交流电压随时 间变化的规律求出原线圈电压的有效值,再利用求出电压表
23、的示数;变压器的输入功率等于副线圈的输出 功率,计算副线圈总的输出功率就能得出变压器的输入功率;电动机的输出功率等于电动机的输入功率减 去发热功率,分别计算即可; A.交流电的频率 f=100/2=50Hz,每个周期内电流方向改变两次,所以通过副线圈的电流方向每秒钟改 变 100 次,故 A 错误; B.已知交变电压瞬时值随时间变化的规律为 u=220sin100t(V) ,则原线圈电压的有效值为 U1=220/ V=220V,U1:U2=n1:n2,解得 U2=22V,故电压表示数为 22V,故 B 错误; C. 副线圈的输出功率 P2=U2I2=223W=66W,变压器输入功率等于输出功率
24、,也是 66W,故 C 错误; D. 通过电灯泡的电流 I3=U2/R灯=22/22A=1A,故通过电动机的电流 IM=II3=31=2A,则电动机的输入功率 P=IMU2=222=44W,电动机的发热功率 P热=I2R内=4W,故电动机的输出功率为 PP热=444=40W,故 D 正确; 故选:D 4利用如图装置给小灯泡供电,下列说法正确的是 A图示位置穿过线框的磁通量的变化率最大 B在图示位置线框电流改变方向 C用变压器的目的是为了提高输出功率 D若灯泡亮度偏暗,可通过增加原线圈匝数来提高灯泡亮度 【答案】【答案】B 【解析】【解析】线框与磁场垂直时,位于中性面,感应电动势为零,根据电压与
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