2023年高三物理二輪練習22 交變電流的“四值”問題、變壓器的綜合問題(解析版)_第1頁
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文檔簡介

2023年高三物理二輪高頻考點沖刺突破

專題22交變電流的“四值”問題、變壓器的綜合問題

專練目標______________________________專練內(nèi)容______________________________

目標1高考真題(IT—4T)

目標2交變電流的“四值”問題(5T—8T)

目標3變壓器的綜合問題(9T-12T)

目標4遠距離輸電問題(13T—16T)

【典例專練】

一、高考真題

1.一個有N匝的矩形線框,面積為S,以角速度。從如圖所示的位置開始,在勻強磁場8中勻速轉(zhuǎn)動,則

產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢隨時間變化的圖像是()

個e

f??

a-0\/~~AtB-

.”一,D

【答案】A

【詳解】圖示位置線框處于與中性面垂直的平面,,豎直長邊垂直切割磁感線,此時產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢最大

為Ew=N根據(jù)正弦式交變電流的表達式可知感應(yīng)電動勢隨時間的變化關(guān)系為e=N8SoCoSd故選A?

2.張家口市壩上地區(qū)的風力發(fā)電場是北京冬奧會綠色電能的主要供應(yīng)地之一,其發(fā)電、輸電簡易模型如圖

所示,已知風輪機葉片轉(zhuǎn)速為每秒Z轉(zhuǎn),通過轉(zhuǎn)速比為的升速齒輪箱帶動發(fā)電機線圈高速轉(zhuǎn)動,發(fā)電機

線圈面積為S,匝數(shù)為N,勻強磁場的磁感應(yīng)強度為8,f=O時刻,線圈所在平面與磁場方向垂直,發(fā)電機

產(chǎn)生的交變電流經(jīng)過理想變壓器升壓后。輸出電壓為α忽略線圈電阻,下列說法正確的是()

升壓變壓器

]高壓電網(wǎng)

A.發(fā)電機輸出的電壓為

B.發(fā)電機輸出交變電流的頻率為2萬〃z

C.變壓器原、副線圈的匝數(shù)比為?

D.發(fā)電機產(chǎn)生的瞬時電動勢e=V∑τN2S"zsin(2?τ"z)

【答案】C

【詳解】B.發(fā)電機線圈的轉(zhuǎn)速為“z,輸出交變電流的頻率為∕=*="z,B錯誤;

A.線圈繞垂直于磁場的軸勻速轉(zhuǎn)動,產(chǎn)生的為正弦交流電,最大值為Em=N3S?2小〃Z輸出電壓的有效值

為E=尾=丘兀NBSnz,A錯誤;

c.變壓器原、副線圈的匝數(shù)比為"=芻=叵等竺,C正確;

n2UU

D.發(fā)電機產(chǎn)生的瞬時電動勢為e=?Emsin<υ∕=2;TN8S"zsin(2;ZTJZ)/,D錯誤。故選C。

3.某住宅小區(qū)變壓器給住戶供電的電路示意圖如圖所示,圖中R為輸電線的總電阻。若變壓器視為理想變

壓器,所有電表視為理想電表,不考慮變壓器的輸入電壓隨負載變化,則當住戶使用的用電器增加時,圖

中各電表的示數(shù)變化情況是()

A.Al增大,Vz不變,V3增大

B.AI增大,V2減小,V3增大

C.A2增大,V2增大,V3減小

D.A2增大,V2不變,V3減小

【答案】D

【詳解】不考慮變壓器的輸入電壓隨負載變化,即變壓器原線圈的輸入電壓H=UVl不變,根據(jù)

可知,變壓器副線圈的輸出電壓%=UV2不變;當住戶使用的用電器增加時,即用戶的總電阻時變小,由

∕z=S?-可知,副線圈的電流/,=J變大,而由Uv3=U,-∕√?可知V3減?。河衫硐胱儔浩鞯脑?/p>

K+N燈

U/=UJz可知原線圈的電流變大;故綜合上述分析可知Al增大,A2增大,V2不變,V3減??;

故選D。

4.近年來,基于變壓器原理的無線充電技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用,其簡化的充電原理圖如圖所示。發(fā)射線圈的

輸入電壓為220V、匝數(shù)為IIoo匝,接收線圈的匝數(shù)為50匝。若工作狀態(tài)下,穿過接收線圈的磁通量約為

發(fā)射線圈的80%,忽略其它損耗,下列說法正確的是()

A.接收線圈的輸出電壓約為8V

B.接收線圈與發(fā)射線圈中電流之比約為22:1

C.發(fā)射線圈與接收線圈中交變電流的頻率相同

D.穿過發(fā)射線圈的磁通量變化率與穿過接收線圈的相同

【答案】AC

【詳解】A.根據(jù)ZL=當生可得接收線圈的輸出電壓約為5=8V;

B.由于存在磁漏現(xiàn)象,電流比不再與匝數(shù)成反比,故B錯誤;

C.變壓器是不改變其交變電流的頻率的,故C正確;

D.由于穿過發(fā)射線圈的磁通量與穿過接收線圈的磁通量大小不相同,所以穿過發(fā)射線圈的磁通量變化率與

穿過接收線圈的不相同,故D錯誤。故選AC。

二、交變電流的“四值”問題

5.海洋中蘊藏著巨大的能量,利用海洋的波浪可以發(fā)電。在我國南海上有一浮桶式波浪發(fā)電燈塔,其原理

示意圖如圖甲所示。浮桶內(nèi)的磁體通過支柱固定在暗礁上,浮桶內(nèi)置線圈隨波浪相對磁體沿豎直方向運動,

且始終處于磁場中,該線圈與阻值H=15Ω的燈泡相連,浮桶下部由內(nèi)、外兩密封圓筒構(gòu)成(斜線陰影部分),

如圖乙所示,其內(nèi)為產(chǎn)生磁場的磁體,與浮桶內(nèi)側(cè)面的縫隙忽略不計:匝數(shù)N=200的線圈所在處輻射磁場

的磁感應(yīng)強度B=0.2T,線圈直徑O=0.4m,電阻r=lΩ°取重力加速度g=10mX,π?=10。若浮桶隨波浪

B.燈泡中電流i的瞬時值表達式為i=4sinm(A)

C.燈泡的電功率為240W

D.燈泡兩端電壓的有效值為*V

2

【答案】B

【詳解】A.線圈在磁場中切割磁感線,產(chǎn)生電動勢為Enm=NE%a*;/=勿0聯(lián)立得

兀兀

Ema=NBDVnm=x2QQ×0.2×0.4×0.4πV=64V則波浪發(fā)電產(chǎn)生電動勢e的瞬時表達式

e=EmaxsinR=64sin(m)V故A錯誤;

EP

B.根據(jù)閉合電路歐姆定律有/=不一得i=?7J=4sin(加)A故B正確;

R+rR+r

燈泡電流的有效值為/=爰則燈泡的功率為尸=/2R=TXI5W=120W故C錯誤;

C.

燈泡兩端電壓的有效值為u=∕R=爰X15V=30√2V故D錯誤。

D.

故選Bo

6.如圖所示,兩根等高光滑的:圓弧軌道,α優(yōu)與cc'等高,半徑為『、間距為軌道電阻不計。在軌道

右側(cè)連有一阻值為R的電阻,整個裝置處在一豎直向上的勻強磁場中,磁感應(yīng)強度大小為8,現(xiàn)有一根長度

為L、電阻為R的金屬棒,在外力F的作用下以初速度%從αα'沿軌道做勻速圓周運動至cc'處,則該過程

A.金屬棒經(jīng)過最低位置防,處時,通過金屬棒的電流方向為b'→6

B.金屬棒經(jīng)過最低位置成,處時,電路中的電流最小

QRBgl)

C.電阻上產(chǎn)生的熱量為

2(R+R)2

πrβ2l}v

D.外力尸做的功為a

(R+?)

【答案】c

【詳解】A.金屬棒經(jīng)過最低位置油'處時,根據(jù)右手定則,通過金屬棒的電流方向為bf〃,故A錯;

B.金屬棒經(jīng)過最低位置油,處時,金屬棒垂直切割磁感線,產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢最大,電路中的電流最大,

故B錯;

C.金屬棒切割磁感線產(chǎn)生的電動勢為e=AL%sin%t電路中的電動勢的有效值為E=華則有

r√2

(y2

。=(備F)?三Ttr聯(lián)立解得。?=而TrrRB汴1}v故aC正確:

D.根據(jù)能量關(guān)系,外力尸做的功等于電路的總熱量為叫=???(系,(R+R)=喘焉故D錯誤。

故選C。

7.如圖所示是小型交流發(fā)電機的示意圖,線圈繞垂直于磁場方向的水平軸Oo沿逆時針方向勻速轉(zhuǎn)動,角

速度為。,線圈匝數(shù)為“,電阻為廠,外接電阻為R,A為理想交流電流表,線圈從圖示位置(線圈平面平行

于磁場方向)轉(zhuǎn)過60。時的感應(yīng)電流為/,下列說法正確的是()

A.電阻R兩端電壓最大值Enl="8So

B.轉(zhuǎn)動過程中穿過線圈的磁通量的最大值為①=空£初

C.從圖示位置開始轉(zhuǎn)過90。的過程中,通過電阻R的電荷量為4=紅

ω

D.線圈轉(zhuǎn)動一周的過程中,電阻R產(chǎn)生的熱量為Q=也絲

ω

【答案】BCD

【詳解】A.線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢最大值Eπ="8‰,由于內(nèi)阻分壓,電阻R兩端電壓最大值小于〃8&o,

選項A錯誤;

DC,Dɑr~f

B.線框轉(zhuǎn)過三時的感應(yīng)電流為/=/〃,COSW=4R8S===々感應(yīng)電動勢有效值E=卡,感應(yīng)電流為I

33(R+r)32(∕?+r)√2

則電流的有效值為/'=!=邸:::=應(yīng)/從垂直中性面位置開始計時,e=E,"Cθscυt,所以有芻竺W=/

乂&二〃BS⑦二〃①①兩式聯(lián)立可得①二2?R+”選項B正確;

C.從圖示位置開始,線圈轉(zhuǎn)過90。的過程中,磁通量變化為AO=。2-0i=4Ssin90。-O=BS根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)

定律,Izhn”?根據(jù)歐姆定律,有7="-,根據(jù)電濟陽咬定義/=/,聯(lián)"可得公且選J頁C正確;

D.根據(jù)公式。=尸4可得,—1/??生還知道8S=2∕(R+'1,&,=〃85。聯(lián)立可得0=國生二

^√2(R+r))ωnωω

選項D正確。故選BCD。

8.某興趣小組設(shè)計了一種發(fā)電裝置,如圖所示,在磁極和圓柱狀鐵芯之間形成的兩磁場區(qū)域的圓心角ɑ均

為1萬,磁場均沿半徑方向。匝數(shù)為N的矩形線圈必Cd的邊長必=〃=£、6c="d=2L線圈以角速度。繞

中心軸勻速轉(zhuǎn)動,A邊和αd邊同時進入磁場。在磁場中,兩條邊所經(jīng)過處的磁感應(yīng)強度大小均為8、方向

始終與兩邊的運動方向垂直。線圈的總電阻為,,外接電阻為R,則()

一破極

T鐵芯

A.線圈切割磁感線時,感應(yīng)電動勢的大小Em=28尸切

B.線圈切割磁感線時?,兒邊所受安培力的大小F=竺紅色

R+r

C.線圈旋轉(zhuǎn)一圈時,流過電阻R的凈電荷量為零

↑6N2B2l4ω2

D.外力做功的平均功率為

9(r+7?)

【答案】CD

【詳解】A.林、ad邊的運動速度V=竽感應(yīng)電動勢Em=4N8"解得Enι=27V5ZΛy故A錯誤;

B.根據(jù)歐姆定律得:電流鼻安培力尸=2N8∕n∕解得尸="竺包故B錯誤;

R+rR+r

C.線圈旋轉(zhuǎn)一圈時,磁通量的變化量為零,故平均感應(yīng)電動勢為零,故流過電阻R的凈電荷量為零,故C

正確;

D.在磁極和圓柱狀鐵芯之間形成的兩磁場區(qū)域的圓心角α均為,萬,電機的總功尸=3舁=萼空工

外力做功的功率與電源的總功率相等,故D正確。故選CD。

三、變壓器的綜合問題

9.無線手機充電技術(shù)的應(yīng)用,讓手機擺脫了"充電線"的牽制,手機使用者做到了“隨用隨拿,隨放隨充"。

正在無線充電的手機無線充電器簡化示意圖如圖所示,其工作原理與理想變壓器相同。已知發(fā)射線圈與接

收線圈的匝數(shù)比為5:1,CD端的輸出電流i=√∑sin(2;TXIO7(A),則下列說法正確的是()

A.手機充電利用了自感現(xiàn)象

B.1S內(nèi)發(fā)射線圈中電流方向改變IOS次

C.發(fā)射線圈N8端輸入電流的有效值為0.2A

D.接收線圈的輸出功率與發(fā)射線圈的輸入功率之比為1:5

【答案】C

【詳解】A.手機充電利用了互感現(xiàn)象,故A錯誤;

B.由題意可知電流的變化頻率為1C>5HZ,故IS內(nèi)發(fā)射線圈中電流方向改變2χl05次。故B錯誤;

C.接收線圈CD端輸入電流的有效值為/有效=卞=IA發(fā)射線圈AB端輸入電流的有效值為

%?=?有效=°?2A故C正確;

D.根據(jù)變壓器工作原理可知,接收線圈的輸出功率與發(fā)射線圈的輸入功率之比為1:1.故D錯誤。故選C。

10.在如圖所示,理想變壓器的電路中原線圈兩端并聯(lián)接入電阻凡,已知交流電源內(nèi)阻為廠,滑動變阻器的

總電阻為R,且滿足關(guān)系&<R,變壓器為升壓變壓器,則滑動變阻器連人電路的阻值4從O開始增大

時()

O

O凡

A.原線圈兩端的電壓不變B.通過電阻凡的電流逐漸增大

C.電源的輸出功率先減小后增大D,副線圈上消耗的功率逐漸增大

【答案】B

【詳解】AB.假設(shè)原、副線圈的比值為:,根據(jù)原、副線圈電壓之比等于原、副線圈匝數(shù)之比,則有

Yl

*=L所以H=Is設(shè)流過電阻&的電流為/°,則有/°=*設(shè)流過原線圈的電流為人,理想變壓器的輸入

%n〃Ko

功率為Pt,則有∕1=^-設(shè)交流電源的電動勢為E,則有竺洋=/。+""+含理想變壓器輸出功率P針鼻

U=R.E=ROE

,

理想變壓器的輸出功率等于輸入功率,即4=2聯(lián)立可得"jRΛ0÷Λr÷√V~r+r+?其中

o+r+R

AO、八以〃為定值,當電阻R增大時,原線圈兩端電壓增大;通過電阻4的電流/°增大,故A錯誤,B

正確;

2u

CD.因為r<凡則有q>f電源的輸出功率E-UxE['~2)顯然當Q>g時,輸出功

21-UJ1-UI*=2

r4rr

率隨著Ul的增大而減小,即電源的輸出功率一直減??;而副線圈消耗的功率即為原線圈的輸入功率

P}=UJt=P-UiIn,尸減小,而G和/°增大,所以4減小,即副線圈上消耗的功率逐漸減小,故CD錯誤.

故選B。

11.某小型發(fā)電站給如圖甲所示的電路供電,此小型發(fā)電站輸出穩(wěn)定的正弦交流電,如圖乙所示。理想變

壓器原、副線圈的匝數(shù)比為10:1,所有電表都是理想交流電表,二極管D的正向電阻為零,反向電阻無窮

A.電壓表V的讀數(shù)為24V

B.燈泡L兩端電壓的有效值為IlgV

C.當滑動變阻器火的滑片P向下滑動時,電流表A2的示數(shù)增大,電流表Al的示數(shù)減小

D.此發(fā)電站的輸出電壓的瞬時值表達式為e=220sin(100R)V

【答案】B

【詳解】A.由圖乙可知理想變壓器原線圈輸入電壓的有效值為220V,根據(jù)今="可得副線圈的輸出電壓

4=22V電壓表V的示數(shù)為有效值,即為22V,故A錯誤;

B.通過:極管D后,燈泡L兩端的電壓波形如圖所示

U

?TI

設(shè)燈泡L兩端電壓的有效值為燈泡的阻值為小交變電流的周期為T,根據(jù)交變電流有效值的定義有

"竺T解得IleV故B正確;

r2r

C.當滑動變阻器R的滑片P向下滑動時,滑動變阻器H接入電路的阻值減小,則由歐姆定律可知電流表Az

的示數(shù)增大,因為理想變壓器輸入功率與輸出功率相等,所以電流表Al的示數(shù)也增大,故C錯誤;

D.根據(jù)。亨=急rad∕s=Ioom?ad∕s可知此發(fā)電站的輸出電壓的瞬時值表達式為e=220√ΣSin(IooMV

故D錯誤。故選B。

12.如圖所示,理想變壓器原線圈與電阻R串聯(lián),和電壓表并聯(lián),原、副線圈的匝數(shù)比為20:1,b是原線

圈的中心抽頭,副線圈連接滑動變阻器,電流表、電壓表均為理想交流電表。已知交流電源電壓瞬時值表

達式為"=311SinIOO"(V)。當單刀雙擲開關(guān)K扳向α后,下列說法中正確的是()

A.電壓表的示數(shù)為220V

B.若將滑動變阻器的滑片下移,則電壓表的示數(shù)減小,R消耗的功率增大

C.通過滑動變阻器的交變電流的頻率為IOoHZ

D.若將單刀雙擲開關(guān)由。扳向6,則電壓表的示數(shù)減小

【答案】BD

【詳解】A.電源電壓有效值為U=巖=患^V=220V因為有電阻R分壓,電壓表示數(shù)即原線圈兩端的電壓

小于220V,故A錯誤;

B.保持K的位置不變,滑動變阻器滑片向下移,電阻變小,電路的總電阻變小,副線圈輸出的電流變大,

則電流表的示數(shù)變大,原線圈中的電流變大,電阻A兩端的電壓也變大,R消耗的功率變大,交流電源的

電壓不變,變壓器的輸入電壓變小,原線圈兩端的電壓也相應(yīng)變小,電壓表的示數(shù)減小,故B正確;

D.變壓器不改變交變電流的頻率,由電源電壓表達式可知交變電流的頻率為/=/=粵Hz=50Hz

故C錯誤;

D.設(shè)原、副線圈的匝數(shù)分別為〃八“2,電壓和電流分別為S、I1,5、I2,滑動變阻器接入電路的阻值為

U1U1U,U,

Rp,若將電壓表右側(cè)的電路看成一個等效電阻R',則R'=T■乂因為一L=」;電阻為RP=??

∕∣?2I2

聯(lián)立可得N=(」)2RP單刀雙擲開關(guān)由。扳向江原線圈匝數(shù)變少,即〃/減小,等效電阻?減小,R和N

n2

組成串聯(lián)電路,電源電壓不變,所以電壓表的示數(shù)減小,故D正確。故選BD。

四、遠距離輸電問題

13.我國領(lǐng)先全球的特高壓輸電技術(shù)將為國家"碳中和"做出獨特的貢獻。2021年6月28日白鶴灘水電站首

批初裝機容量1600萬千瓦正式并網(wǎng)發(fā)電。在傳輸電能總功率不變情況下,從原先150KV高壓輸電升級為

1350KV特高壓輸電,則下列說法正確的是()

A.若輸電線不變,則輸電線上損失的電壓變?yōu)樵鹊?

B.若輸電線不變,則輸電線上損失功率變?yōu)樵鹊模?/p>

C.如果損失功率不變,相同材料、傳輸?shù)较嗤胤剿鑼?dǎo)線橫截面積是原先的工

o1

D.如果損失功率不變,相同材料、粗細的輸電線傳輸距離是原先的9倍

【答案】C

【詳解】A.在功率不變時,電壓升高9倍,則傳輸電流變?yōu)樵瓉砣糨旊娋€不變,則到線上損失電壓

△U=/,?即變?yōu)樵瓉?,A錯誤;

B,輸電線損失功率ΔP=∕2z.因此輸電線損失功率變?yōu)樵鹊摹?,B錯誤;

oI

C.如果損失功率不變(捺),?=(J)//=夕/如果相同輸電線,則電阻率不變,傳輸距離不變時,所需導(dǎo)

線橫截面只有原先C正確;

o1

D.如果損失功率不變,相同材料、粗細的輸電線傳輸距離是原先的81倍,D錯誤。故選C。

14.如圖所示為某小型發(fā)電站高壓輸電示意圖。升壓變壓器原、副,線圈兩端的電壓分別為Ui和降壓

變壓器原副線圈兩端的電壓分別為4和4。在輸電線路的起始端接入兩個互感器,兩個互感器原、副線圈

的匝數(shù)比分別為10:1和1:10,各互感器和電表均為理想的,則下列說法正確的是()

A.若電壓表的示數(shù)為220V,電流表的示數(shù)為10A,則線路輸送電功率為IlOkW

B.若保持發(fā)電機輸送功率一定,僅將滑片0下移,輸電線損耗功率增加

C.若發(fā)電機輸出電壓■一定,若用戶數(shù)減少,為維持用戶電壓S一定,可將滑片P上移

D.若保持發(fā)電機輸出電壓G一定,僅將滑片0下移,輸電線損耗電壓增加

【答案】D

【詳解】A.由題意,根據(jù)理想變壓器變壓和變流規(guī)律可得*■=10;?=10解得&=2000丫;Λ=IOOA

UVIA

所以線路輸送的電功率為P=4∕2=2200xl00W=220kW,A錯誤;

B.輸電線損耗的功率為ΔP=/介,=(7P)2,,若保持P不變,輸電電壓L增大,則AP減小,B錯誤;

4

c.若保持發(fā)電機輸出電壓α和。的位置一定,使用戶數(shù)減少,即α不變,R增大,則A減小,α增大,

為了維持用戶電壓ɑ一定,需要減小超,可將滑片尸下移,C錯誤;

?3

D.根據(jù)閉合電路歐姆定律有ɑ=&-+根據(jù)理想變壓器變壓和變流規(guī)律有?=夕嚕設(shè)用戶

U/一%

端總電阻為R,則有4=(■聯(lián)立解得2r+(Z)2&若保持發(fā)電機輸出電壓4和用戶數(shù)一定,僅將滑片。

?4

下移,則輸電電壓&增大,R不變,所以輸電電流八增大,設(shè)輸電線電阻為,?,而輸電線損耗電壓為

△(7=八廠所以AU增大,D正確。故選D。

15.如圖甲,白鶴灘水電站是世界第二大水電站,共安裝16臺我國自主研制的全球單機容量最大功率百萬

千瓦水輪發(fā)電機組。2021年6月28日,白鶴灘水電站首批機組投產(chǎn)發(fā)電,用500千伏特高壓向四川遠距離

輸電。在遠距離輸電中,輸電線的電阻是不可忽略的,如圖乙,為白鶴灘水電站輸電線路原理圖,水電站

輸出電壓穩(wěn)定的正弦交流電,升至特高壓。后向四川供電,輸送的總功率為P。用戶端理想變壓器原副線

圈匝數(shù)分別為“八Q為輸電線總電阻,處為不斷電用戶電阻(可視為定值電阻),K為可變用戶電阻(可

視為可變電阻)。當可變電阻及減小時,電壓表和電流表示數(shù)變化的絕對值分別為△"、△/,電壓表和電流

表均為理想電表,下列說法正確的是()

甲乙

△Un

A.-----=Rl

M

M

c.對于原線圈回路,虛線框所圈部分的等效電阻為R'=’(a+R)

?2

D.輸電線路上損耗的功率為扁=丁§^P

【答案】B

【詳解】AB.設(shè)用戶端理想變壓器原副線圈兩端電壓分別為U/、5,電流分別為/八/2,則根據(jù)理想變壓

L

器特點U//尸U2〃;Ui:U2=n∕:"2得Ul=-U2,∕1=-I2對原線圈電路有U=/內(nèi)+U∣=區(qū)+24

n2%n?n2

由上式可得當

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