2020高考物理二轮复习专题12交变电流讲含解析

交变电流考试大纲要求考纲解读1.交变电流、交变电流的图象Ⅰ高考对本专题知识的考查主要体现在“三突出”，一般试题难度不大，且多以选择题的形式出现．1．突出考查交变电流的产生过程；2．突出考查交变电流的图象和交变电流的四值；3．突出考查变压器，对变压器的原理理解的同时，还要掌握变压器的静态计算和动态分析，远距离输电也要重视.2.正弦交变电流的函数表达式、峰值和有效值Ⅰ3.理想变压器Ⅱ4.远距离输电Ⅰ纵观近几年高考试题，预测2019年物理高考试题还会考：1、对本专题知识点高考每年必考．命题频率较高的知识点有交变电流的变化规律(包括图象)、最大值与有效值等，以选择题的形式出现。2、变压器的原理，电压比、电流比及功率关系是考查的重点；将本章知识与电磁感应等结合的力、电综合题，或考查与本章知识有关的实际应用。考向01交变电流的产生和描述1.讲高考（1）考纲要求能掌握交变电流的产生和描述，会写出交变电流的瞬时值表达式；能认识交变电流的图象和进行有效值、最大值的计算．（2）命题规律交变电流的产生及描述(e、u、i的瞬时值表达式、最大值、有效值、周期、频率)，特别是有效值的计算是考查的热点。案例1．一电阻接到方波交流电源上，在一个周期内产生的热量为Q方；若该电阻接到正弦交变电源上，在一个周期内产生的热量为Q正。该电阻上电压的峰值为u0，周期为T，如图所示。则Q方:Q正等于A.B.C.1:2D.2:1【来源】2018年全国普通高等学校招生统一考试物理（全国III卷）【答案】D点睛此题将正弦交变电流和方波交变电流、有效值、焦耳定律有机融合。解答此题常见错误是：一是把方波交变电流视为正弦交变电流；二是认为在一个周期T内产生的热量与电压有效值，导致错选B；三是比值颠倒，导致错选C。考点定位】交变电流的规律和“四值问题”考点定位】电感、电容对交流电的阻碍作用【名师点睛】本题主要考查电感、电容对交流电的阻碍作用，即感抗、容抗的大小与什么因素有关，记住这个问题不难解决．2．讲基础（1）正弦交流电的产生和图象①产生：在匀强磁场里，线圈绕垂直于磁场方向的轴匀速转动．②中性面：与磁场方向垂直的平面；中性面的特点：(a)线圈位于中性面时，穿过线圈的磁通量最大，磁通量的变化率为零，感应电动势为零；(b)线圈转动一周，两次经过中性面．线圈每经过中性面一次，电流的方向就改变一次．③图象：用以描述交流电随时间变化的规律，如果线圈从中性面位置开始计时，其图象为正弦函数曲线．（2）正弦交变电流的函数表达式、峰值和有效值①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)(其中ω等于线圈转动的角速度，Em＝nBSω)(a)电动势e随时间变化的规律：e＝Emsin_ωt.(b)负载两端的电压u随时间变化的规律：u＝Umsinωt.(c)电流i随时间变化的规律：i＝Imsinωt.②交变电流的瞬时值、峰值、有效值(a)瞬时值：交变电流某一时刻的值，是时间的函数．(b)峰值：交变电流的电流或电压所能达到的最大值，也叫最大值．(c)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，其有效值和峰值的关系为：2mEE，2mUU，2mII.(d)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．3．讲典例案例1．（多选）将一总电阻为1Ω，匝数n=4的线圈放在匀强磁场中，已知磁场方向垂直于线圈平面，从某时刻其穿过线圈的磁通量按图示规律变化，则（）A．在0～8s内与8s～10s内线圈内的电流方向相同B．在0～8s内通过线圈导线截面的电荷量为8CC．在8s～10s线圈中感应电动势为1VD．现象中产生交变电流的有效值为2A【答案】BD【趁热打铁】（多选）如图所示，电阻为r的矩形线圈面积为S，在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴以角速度ω匀速转动．匀强磁场的磁感应强度为B，t＝0时刻线圈平面与磁场垂直，各电表均为理想交流电表，则()A．滑片P下滑时，电压表的读数变大B．图示位置线圈中的感应电动势最大C．线圈从图示位置转过180°的过程中，电阻R上产生的焦耳热为D．1s内流过R的电流方向改变次【答案】ACD【解析】P下滑时外阻变大，电流变小，内压变小，外压变大，则电压表的读数变大。则A正确；图示位置为中性面，电动势为0．故B错误；电动势最大值Em=BSω，则由图示位置转过180°电阻R上产生的焦耳热为．故C正确；1s所完成的周期数是，每个周期电流方向改变2次，1s内流过R的电流方向改变次。故D正确；故选ACD。点睛：对于交变电流，求解热量、电功和电功率用有效值，而求解电量要用平均值．明确在中性面感应电动势最小为0．（2）交变电流的“四值”的比较与理解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＝Emsinωti＝Imsinωt计算线圈某时刻的受力情况峰值最大的瞬时值Em＝nBSωrREImm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2mEE，2mUU，2mII适用于正(余)弦式交变电流(1)计算与电流的热效应有关的量(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tnErREI计算通过电路截面的电荷量（3）交变电流有效值的计算方法①正(余)弦式交变电流的有效值的计算方法2mEE，2mUU，2mII②非正弦交流电有效值的计算方法：在高中阶段能计算有效值的非正弦交流问题主要有以下两类：(a)各段时间内电流的大小有各自不变的值，且有周期性．(b)某段时间电流按正弦规律变化，且这段时间内电流完成整数个由零到最大值的变化，且这种变化情况有周期性．以上两类问题计算有效值的方法是：取一个周期的时间，先分段计算各段时间内的通过电阻R的功率，求得一个周期的总发热量Q总，再设电压的有效值U(或电流的有效值U)，用关系式，即可算得交流电的有效值U或I．（4）交变电流与电路的综合分析交变电流的电路中，首先要搞清电路结构，再者注意最大值、有效值、平均值等概念的区分，最后将交流知识和恒定电流知识结合起来，用已有的知识和方法处理该部分问题．5．讲易错【题目】一含有理想变压器的电路如图甲所示，图中理想变压器原、副线圈匝数之比为2∶1，电阻R1和R2的阻值分别为3Ω和1Ω，电流表、电压表都是理想交流电表，a、b输入端输入的电流如图乙所示，下列说法正确的是（）A．电流表的示数为AB．电压表的示数为VC．0～0.04s内，电阻R1产生的焦耳热为0.24JD．0.03s时，通过电阻R1的电流为A【答案】C【正解】【错因】有效值的是按照电流的热效应定义的，即让交流电流和直流电流流过相同的电阻，在相同的时间内产生的热量相同，则交流的电压或电流有效值等于直流的电压或电流值；考向02变压器和远距离输电1.讲高考（1）考纲要求理解变压器的原理，会用功率关系、电压比、电流比进行有关的计算；能够对变压器进行动态分析.3.会分析计算远距离输电问题．考点定位】正弦式交变电流的“四值”、理想变压器原副线圈电压、电流、功率与匝数的关系【名师点睛】理想变压器原副线圈两端电压、电流、功率与匝数的关系需注意因果关系，电压由原线圈决定副线圈，电流与功率则由副线圈决定原线圈。案例3．【2016·天津卷】如图所示，理想变压器原线圈接在交流电源上，图中各电表均为理想电表。下列说法正确的是：（）A．当滑动变阻器的滑动触头P向上滑动时，R1消耗的功率变大B．当滑动变阻器的滑动触头P向上滑动时，电压表V示数变大C．当滑动变阻器的滑动触头P向上滑动时，电流表A1示数变大D．若闭合开关S，则电流表A1示数变大、A2示数变大【答案】B【2．讲基础（1）理想变压器①工作原理：互感现象．②基本关系式(a)功率关系：P入＝P出．(b)电压关系：只有一个副线圈时，2121nnUU；有多个副线圈时，(c)电流关系：只有一个副线圈时，1221nnII由P入＝P出及P＝UI推出有多个副线圈时，U1I1＝U2I2＋U3I3＋…，得到n1I1＝nI2＋n3I3＋…(2)远距离输电①输电过程②输送电流(a)UPI；(b)RUUI③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Q＝I2Rt.④电压损失:(a)ΔU＝U－U′；(b)ΔU＝IR.⑤功率损失:(a)ΔP＝P－P′；(b)⑥降低输电损耗的两个途径(a)减小输电线的电阻，由电阻定律SLR可知，在输电距离一定的情况下，为了减小电阻，应采用电阻率小的材料，也可以增加导线的横截面积．(b)减小输电导线中的输电电流，由P＝UI可知，当输送功率一定时，提高输电电压，可以减小输电电流．3．讲典例案例1．（多选）在如图所示的变压器电路中，两定值电阻的阻值R1＝R2＝R，变压器为理想变压器，电表为理想电表，在输入端a、b两端输入正弦交流电压u＝Usinωt，原、副线圈的匝数比为1∶2，则()A．电阻R1、R2消耗的功率之比为2∶1B．电压表的示数为UC．电流表的示数为D．电路消耗的总功率为【答案】CD点睛：本题考查变压器原理，要注意明确变压器的其本规律，明确匝数之比和电流、电压之比的关系，并能正确分析电路结构，利用欧姆定律等进行分析求解．【趁热打铁】如图所示，在一理想变压器的副线圈两端连接了定值电阻R0和滑动变阻器R，在原线圈上加一正弦交变电压，下列说法正确的是（）A．保持Q位置不变，将P向上滑动，变压器的输出电压变小B．保持Q位置不变，将P向上滑动，电流表的读数变小C．保持P位置不变，将Q向上滑动，电流表的读数变小D．保持P位置不变，将Q向上滑动，变压器输出功率变小【答案】B考点：考查了理想变压器和电路的动态分析点评：理想变压器是理想化模型，一是不计线圈内阻；二是没有出现漏磁现象．输入电压决定输出电压，而输出功率决定输入功率．【趁热打铁】在远距离输电时，要考虑尽量减少输电线上的功率损失.有一个不涂备电钿，输送的电功伞为P=500kW，当使用U=5kV的电压输电时，测得安装在输电线路起点和终点处的两个电能表一昼夜示数相差4800kW·H.（l）求输电效率η和输电线的总电阻r.（2）若想使输电效率提高到98%，又不改变输电线，那么发电站应使用多高的电压向外输电?【答案】(1)60%，20Ω(2)22.4kV【解析】考点：远距离输电．点评：输电线上的损失功率与其电流的平方成正比，而与输电线两端的电压的平方成反比．4．讲方法(1)理想变压器的动态分析的方法①分清不变量和变量；②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；③利用闭合电路欧姆定律、串并联电路特点进行分析判定．(2)理想变压器问题的规范求解①一般解题思路（a）分析题干条件找出不变量和变量.（b）利用原、副线圈之间的功率关系确定原、副线圈中的电流.（c）根据电磁感应原理，分析电压、电流与原、副线圈匝数比之间的关系.②解决变压器问题的三种切入法：(a)电压切入法：变压器原、副线圈的电压之比为2121nnUU；当变压器有多个副线圈时(b)功率切入法：理想变压器的输入、输出功率为P入=P出，当变压器有多个副线圈时，P1=P2+P3+…(c)电流切入法：由UPI知，对只有一个副线圈的变压器有1221nnII；当变压器有多个副线圈时有n1I1＝nI2＋n3I3＋…③应注意的问题对于电源，原线圈相当于用电器；对于用电器，副线圈相当于电源.(2)解远距离输电问题必备技巧①正确画出输电过程示意图，并在图上标出各物理量．②抓住变压器变压前、后各量间关系，求出输电线上的电流．③计算电路功率问题时常用关系式：，注意输电线上的功率损失和电压损失．④电网送电遵循“用多少送多少”的原则，说明原线圈电流由副线圈电流决定．5．讲易错【题目】如图所示匝数n=60的线圈绕在变压器的闭合铁芯上，通过A、B两端在线圈内通有随时间变化的电流。有两个互相连接的金属环，细环的电阻是粗环的3倍，将细环套在铁芯的另一端。已知某一时刻细环和粗环的连接处CD间的电压U=0.2V，并知道粗环的电阻R