2020届高考物理艺考生大二轮总复习 上篇 专题四 电路与电磁感应 第1讲 直流电路与交流电路教学案

第1讲直流电路与交流电路三年考情分析高考命题规律三年考题考查内容核心素养1.直流电路的考查：以电学实验为主，单独对直流电路的分析与计算进行命题的概率较小，有时会综合电磁感应现象，能量等知识进行综合考查．全国卷中只有2016全国卷Ⅱ中的第17题对含电容器的电路进行了考查．2.交流电路的考查：2018全国卷Ⅲ第16题考查了交流电的产生和描述．3.2020年高考全国卷从以下几个方面命题的概率较大：(1)理想变压器的工作原理与规律及动态分析．(2)远距离输电的模式．(3)交流电的产生和描述.2018Ⅲ卷16T交变电流中热量的计算科学思维考向一直流电路的动态分析[知识必备]——提核心通技法1．明确1个定律、2个关系(1)闭合电路的欧姆定律：I＝ER＋r.(2)路端电压与电流的关系：U＝E－Ir.(3)路端电压与负载的关系U＝IR＝RR＋rE＝11＋rRE，路端电压随外电阻的增大而增大，随外电阻的减小而减小．2．明确引起电路动态变化的原因(1)滑动变阻器、热敏电阻或光敏电阻的阻值变化．(2)某支路开关闭合或断开．[典题例析]——析典题学通法[例1](多选)在如图所示的电路中，电源的负极接地，其电动势为E、内电阻为r，R1、R2为定值电阻，R3为滑动变阻器，C为电容器，A、V分别为理想电流表和电压表．在滑动变阻器的滑片P自a端向b端滑动的过程中，下列说法正确的是()A．电压表示数减小B．电流表示数增大C．电容器C所带电荷量增多D．a点的电势降低[审题指导]滑动变阻器的滑片自a端向b端滑动→滑动变阻器接入电路的电阻减小→总电阻减小→总电流增大→局部电流、电压、功率变化，也可根据串反并同法或极限法求解．[解析]BD[基础解法：程序法滑片P由a端向b端滑动，滑动变阻器接入电路的阻值减小，则电路总电阻减小，总电流增大，电阻R1两端电压增大，电压表V示数变大，A错误；电阻R2两端的电压U2＝E－I总(R1＋r)，I总增大，则U2减小，I2＝U2R2，故I2减小，电流表A的示数IA＝I总－I2增大，B正确；由于电容器两端的电压UC＝U2减小，由Q＝CUC知电容器所带电荷量Q减小，C错误；Uab＝φa－φb＝φa＝U2，故φa降低，D正确．能力解法一：串反并同法由于R3减小，R2与R3并联，则U2、I2均减小，而UC＝U2，Q＝CUC，知电容器所带电荷量Q减小，C错误；Uab＝U2＝φa－φb＝φa减小，D正确；因为R1间接与R3串联，故I1、U1均增大，电压表V示数增大，A错误；电流表和滑动变阻器串联，滑动变阻器接入电路的阻值减小时，电流表A示数增大，B正确．能力解法二：极限法若将滑片P滑到b点，则R3＝0，φa＝φb＝0，D正确；R2两端电压为零，则电容器C两端电压也为零，电容器所带电荷量Q＝0，C错误；当R3＝0时，电路总电阻最小，总电流最大，R1两端电压最大，故A错误；由于IA＝I1－I2，此时I1最大，I2＝0最小，故IA最大，B正确．][跟进题组]——练考题提能力1．(2019·银川期末)如图所示电路，电源内阻不可忽略．开关S闭合后，在滑动变阻器R0的滑片向下滑动的过程中()A．电压表的示数增大，电流表的示数减小B．电压表的示数减小，电流表的示数增大C．电压表与电流表的示数都增大D．电压表与电流表的示数都减小解析：D[R0向下滑，R0减小，R总减小，↑I总＝ER总↓，↑U内＝I总↑r，↓U路＝E－U内↑，因此电压表示数减小，接下来看第一级：定值电阻R1与右端总电阻串联，先看定值电阻R1，I总＝I1变大，所以UR1增大，由↓U路＝U1↑＋U并可知U并减小．看第二级：定值电阻R2与R0并联，U2＝U并减小，所以I2＝U2R2减小，电流表示数也减小，所以D选项正确．]2.(2020·西安模拟)如图所示的电路中，电源的电动势为E、内阻为r，电表均为理想电表．闭合开关S，滑动变阻器的滑动触头由图示的位置向右滑动一小段距离，在这个过程中，下列判断正确的是()A．电源的输出功率增加B．电阻R2两端电压减小C．电容器所带电荷量减少D．电压表与电流表示数变化量的比值增加解析：C[R1向右滑动，使R1减小，电容器与R1并联，电容器相当于断路，所以R总↓＝R1↓＋R2＋r减小，由I总↑＝ER总↓可知I总增大，U内↑＝I总↑r增大，U路↓＝E－U内↑减小，定值电阻R2的电流增大，所以UR2↑＝I总↑R2，UR2增大，U路↓＝UR1＋UR2↑，所以UR1减小，UC＝UR1减小，由QC＝CUC可知QC减小，C选项正确，B选项错误．对于定值电阻R＝U1I1＝U2I2＝ΔUΔI，而变化电阻不能成立，由于E＝U路＋U内，当测路端电压的电压表示数减少ΔU时，内电压就增加ΔU，所以r＝U内I＝ΔUΔI，选项D是错误的．而对电源的输出功率，当r＝R外时，输出功率最大，开始时R外与r的关系不确定，所以当R1向右滑动时，不知R外与r最接近，还是相差更多，因此电源的输出功率如何变不确定，因此A选项错误．所以应选C选项．][规律方法]——知规律握方法闭合电路的动态分析方法(1)程序法：闭合电路中，由于局部电阻变化(或开关的通断)，引起各部分电压、电流(或灯泡明暗)发生变化，分析此类问题的基本步骤是：①由局部电阻变化判断总电阻的变化；②由I＝ER＋r判断总电流的变化；③由U内＝Ir判定内电压的变化；④据U＝E－U内判断路端电压的变化；⑤接下来要逐级确定定值电阻的电压或电流的变化，再确定变化电阻的电压或电流的变化．(2)极限法：即因变阻器滑片滑动引起电路变化的问题，可将变阻器的滑动端分别滑至两个极端去讨论．(3)特殊值法：对于某些电路问题，可以采取代入特殊值法判定，从而得出结论．(4)结论法：“串反”“并同”．即某一电阻阻值变化，则与该电阻相串联的用电器两端电压、通过的电流、消耗的功率都将与该电阻阻值变化情况相反；与该电阻相并联的用电器两端电压、通过的电流、消耗的功率都将与该电阻阻值变化情况相同．考向二交变电流的产生及描述[知识必备]——提核心通技法1．线圈通过中性面时的特点(1)穿过线圈的磁通量最大．(2)线圈中的感应电动势为零．(3)线圈每经过中性面一次，感应电流的方向改变一次．2．正弦式交流电的“四值”的应用(以电动势为例)四值计算式应用最大值Em＝NBSω计算电容器的耐压值瞬时值e＝Emsinωt计算闪光电器的闪光时间等有效值E＝Em2电表的读数、电热、电功及保险丝熔断电流的计算等平均值E＝nΔΦΔt计算通过导体横截面的电荷量等注意：(1)只有正弦交流电最大值与有效值间才有2倍关系．(2)计算电热时只能用有效值，不可用平均值．(3)计算电荷量时应该用平均值．[典题例析]——析典题学通法[例2](2019·商丘三模)(多选)如图甲为小型旋转电枢式交流发电机，电阻为r＝2Ω，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右侧电路连接，右侧电路中滑动变阻器R的最大阻值为R0＝407Ω，滑动片P位于滑动变阻器中央，定值电阻R1＝R0、R2＝R02，其他电阻不计．从线圈平面与磁场方向平行时开始计时，闭合开关S，线圈转动过程中理想交流电压表示数是10V，图乙是矩形线圈磁通量Φ随时间t变化的图像，则下列说法正确的是()A．电阻R2上的热功率为57WB．0.02s时滑动变阻器R0两端的电压瞬时值为零C．线圈产生的e随时间t变化的规律是e＝102cos(100πt)VD．线圈开始转动到t＝1600s的过程中，通过R1的电荷量为2200πC[审题指导](1)矩形线圈从与中性面垂直的位置开始计时，产生余弦规律的交流电．(2)理想交流电压表的示数是有效值．(3)从Φ－t图象中可读出交流电的周期，进而求出频率．[解析]AD[由电路的串、并联关系可得R外＝74R0＝10Ω，电压表测的是电源的路端电压，由欧姆定律I＝UR外＝10V10Ω＝1A，所以I2＝I×R02R2＋R02＝12A，所以PR2＝I22R2＝57W，所以A选项正确．t＝0.02s时Φ＝0，ΔΦΔt最大，R0两端电压最大，所以B选项错误．E＝U＋Ir＝12V，所以Em＝122V，由于从中性面垂直位置计时，应为余弦函数，e＝122cos(100πt)V，C选项错误．q＝ΔΦR外＋r，转过θ＝ωt＝π6，Em＝Φmω，ΔΦ＝Φm·sinθ，代入得q＝2200πC，所以选项D正确，应选A、D.][跟进题组]——练考题提能力1．(2018·全国卷Ⅲ，16T)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流电源上，在一个周期内产生的热量为Q正．该电阻上电压的峰值均为U0，周期均为T，如图所示，则Q方∶Q正等于()A．1∶2B.2∶1C．1∶2D．2∶1解析：D[由焦耳定律Q＝U2R·t，得：Q方＝U20R·T2＋U20R·T2，Q正＝U022R·T2＋U022R·T2，所以Q方Q正＝21，故D正确，A、B、C错误．]2．(2020·陕西省榆林市第三次模拟)如图甲所示，为一台小型发电机构造示意图，线圈逆时针转动，产生的电动势随时间按余弦规律变化，其e－t图像如图乙所示．发电机线圈的内阻为1Ω，外接灯泡的电阻为9Ω，电表均为理想电表，则()A．电压表的示数为6VB．在2×10－2s时刻，穿过线圈的磁通量变化率为零，线圈与中性面平行C．在1×10－2s时刻，穿过线圈的磁通量为零，线圈处于中性面D．发电机的输出功率为3.24W解析：D[由Em＝62V，E＝Em2＝6V，由闭合电路欧姆定律得，电压表示数U＝RR＋rE＝5.4V，故A错误；在2×10－2s时刻，感应电动势最大，故穿过线圈的磁通量变化率最大，线圈与中性面垂直，故B错误；在1×10－2s时刻，感应电动势为零，故说明线圈处于中性面，此时穿过线圈的磁通量最大，故C错误；灯泡实际消耗的功率即电源的输出功率，由功率公式可知，P＝U2R＝5.429W＝3.24W，故输出功率为3.24W，故D正确．][易错警示]——辨易错防未然解决交变电流问题要注意的几点(1)理解几个特殊位置的磁通量、磁通量的变化率、感应电动势及感应电流方向的特点①与中性面重合时，S⊥B，Φ最大，ΔΦΔt＝0，e＝0，i＝0，电流方向将发生改变．②与中性面垂直时，S∥B，Φ＝0，ΔΦΔt最大，e最大，i最大；电流方向不变．(2)区分交变电流的峰值、瞬时值、有效值和平均值．(3)确定交变电流中电动势、电压、电流的有效值后就可以运用直流电路的规律处理交流电路中的有关问题．(4)交变电流瞬时值表达式书写的基本思路①确定正、余弦交变电流的峰值，根据已知图像或由公式Em＝nBSω求出相应峰值，其中ω＝2πT＝2πf＝2πn.②明确线圈的初始位置，找出对应的函数关系式．a．若线圈从中性面开始计时，则et图像为正弦函数，e＝Emsinωt；b．若线圈从垂直中性面开始计时，则et图像为余弦函数，e＝Emcosωt.考向三有关变压器问题分析[知识必备]——提核心通技法理想变压器的基本关系大小关系因果关系功率P入＝P出P出决定P入电压U1U2＝n1n2n1n2：降压变压器n1n2：升压变压器U1决定U2电流只有一个副线圈时，I1I2＝n2n1有多个副线圈时，U1I1＝U2I2＋U3I3＋…＋UnInI2决定I1[典题例析]——析典题学通法[例3](2020·枣庄模拟)(多选)如图所示，一理想变压器的原、副线圈匝数之比为n1∶n2＝10∶1，原线圈接入电压u＝2202sin(100πt)V的交流电源，电压表和电流表对电路的影响可忽略不计，定值电阻R0＝10Ω，可变电阻R′的阻值范围为0～10Ω，则()A．副线圈中交变电流的频率为100HzB．t＝0.02s时，电压表的示数为22VC．调节可变电阻R′的阻值时，电流表示数的变化范围为0.11～0.22AD．当可变电阻阻值为10Ω时，变压器的输入电功率为242W★[审题流程][第一步]审题干→提取信息(1)从输入电压的表达式可知道电压的最大值2202V，有效值为220V，角速度100π，周