2024年高中物理新教材同步學(xué)案 選擇性必修第二冊 第3章 章末素養(yǎng)提升（含解析）

章末素養(yǎng)提升物理觀念交變電流的產(chǎn)生和描述(1)產(chǎn)生：閉合線圈在勻強(qiáng)磁場中繞垂直于磁場的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)(2)交變電流的四值①瞬時(shí)值：e＝Emsinωti＝Imsinωt(從線圈位于中性面開始計(jì)時(shí))②峰值：Em＝NBSω③有效值：U＝eq\f(Um,\r(2))，I＝eq\f(Im,\r(2))(只適用于正弦式交變電流)④平均值：eq\x\to(E)＝Neq\f(ΔΦ,Δt)，eq\x\to(I)＝eq\f(\x\to(E),R＋r)變壓器eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)，I1n1＝I2n2(只有一個(gè)副線圈時(shí))；P1＝P2電能的輸送(1)輸電線路上的功率損失：ΔP＝I2R線，電壓損失：ΔU＝IR線，在線路電阻R線一定時(shí)，要減少輸電損耗，需要減小輸電電流，提高輸電電壓(2)遠(yuǎn)距離輸電的基本原理：先用升壓變壓器升壓到幾百千伏后再向遠(yuǎn)距離輸送，到達(dá)用戶地區(qū)再通過降壓變壓器進(jìn)行降壓科學(xué)思維1.會(huì)用右手定則和法拉第電磁感應(yīng)定律得出正弦式交變電流的大小和方向2.會(huì)根據(jù)電流的熱效應(yīng)計(jì)算有效值3.會(huì)推導(dǎo)理想變壓器原、副線圈電流與匝數(shù)的關(guān)系科學(xué)探究通過實(shí)驗(yàn)，探究并了解變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系科學(xué)態(tài)度與責(zé)任通過實(shí)驗(yàn)，養(yǎng)成安全操作、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度；通過高壓輸電的學(xué)習(xí)，了解我國電網(wǎng)事業(yè)的高速發(fā)展例1(2023·浙江6月選考)我國1100kV特高壓直流輸電工程的送電端用“整流”設(shè)備將交流變換成直流，用戶端用“逆變”設(shè)備再將直流變換成交流。下列說法正確的是()A．送電端先升壓再整流B．用戶端先降壓再變交流C．1100kV是指交流電的最大值D．輸電功率由送電端電壓決定答案A解析升壓和降壓都需要在交流的時(shí)候才能進(jìn)行，故送電端應(yīng)該先升壓再整流，用戶端應(yīng)該先變交流再降壓，故A正確，B錯(cuò)誤；1100kV指的是直流電的電壓，故C錯(cuò)誤；輸電的功率是由用戶端負(fù)載的總功率來決定的，故D錯(cuò)誤。例2(2022·秦安縣模擬)如圖(a)所示，兩個(gè)單匝矩形線圈分別放入勻強(qiáng)磁場中繞垂直磁場的軸OO′轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)線圈的轉(zhuǎn)速不同，穿過兩線圈的磁通量隨時(shí)間分別按圖(b)中圖線甲、乙的規(guī)律變化，則()A．圖線甲對(duì)應(yīng)線圈在t＝0時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢最大B．圖線乙對(duì)應(yīng)的線圈，1s內(nèi)交變電流的方向改變5次C．圖線甲、乙對(duì)應(yīng)的線圈在t＝0.2s時(shí)，線圈平面均垂直于磁感線D．圖線甲、乙對(duì)應(yīng)的線圈轉(zhuǎn)速之比為5∶4答案D解析在t＝0時(shí)刻，Φ甲最大，則產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢最小，故A錯(cuò)誤；圖線乙對(duì)應(yīng)的線圈的周期是0.2s，一個(gè)周期內(nèi)交變電流的方向改變2次，1s內(nèi)交變電流的方向改變10次，故B錯(cuò)誤；在t＝0.2s時(shí)，圖線甲、乙對(duì)應(yīng)的線圈的磁通量均為零，所以線圈平面均平行于磁感線，故C錯(cuò)誤；由題圖可知甲、乙圖線對(duì)應(yīng)線圈的周期為4∶5，而線圈的轉(zhuǎn)速n＝eq\f(1,T)，所以圖線甲、乙對(duì)應(yīng)的線圈轉(zhuǎn)速之比為5∶4，故D正確。例3(多選)(2022·山東日照國開中學(xué)階段考試)如圖甲所示，理想變壓器原、副線圈匝數(shù)比n1∶n2＝55∶4，原線圈接有交流電流表A1，副線圈電路接有交流電壓表V、交流電流表A2、滑動(dòng)變阻器R等，所有電表都是理想電表，二極管D正向電阻為零，反向電阻無窮大，燈泡L的阻值恒定。原線圈接入的交流電壓的變化規(guī)律如圖乙所示，則下列說法正確的是()A．交流電壓表V的讀數(shù)為64VB．燈泡L兩端電壓的有效值為16eq\r(2)VC．當(dāng)滑動(dòng)變阻器的觸頭P向下滑動(dòng)時(shí)，電流表A2示數(shù)增大，A1示數(shù)減小D．由圖乙可知交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角速度為100πrad/s答案BD解析由題圖乙可知，原線圈輸入電壓有效值為440V，根據(jù)eq\f(n1,n2)＝eq\f(U1,U2)，可得副線圈兩端電壓有效值為32V，交流電壓表V的示數(shù)為有效值，即為32V，A錯(cuò)誤；設(shè)燈泡L兩端電壓的有效值為U′，燈泡的阻值為r，交變電流的周期為T，根據(jù)交變電流有效值的定義有eq\f(U22,r)·eq\f(T,2)＝eq\f(U′2,r)T，解得U′＝16eq\r(2)V，B正確；當(dāng)滑動(dòng)變阻器的觸頭P向下滑動(dòng)時(shí)，滑動(dòng)變阻器接入電路的阻值減小，則由歐姆定律可知，電流表A2示數(shù)增大，所以電流表A1示數(shù)也增大，C錯(cuò)誤；根據(jù)ω＝eq\f(2π,T)＝eq\f(2π,0.02)rad/s＝100πrad/s，可知交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角速度為100πrad/s，D正確。例4(多選)(2022·福建百校聯(lián)合測評(píng))如圖甲所示，自耦變壓器的原線圈與N匝、半徑為r的圓形線圈(圖中未畫全)相連，副線圈與定值電阻R構(gòu)成閉合回路，圖示位置副線圈的匝數(shù)為原線圈匝數(shù)的eq\f(2,3)。圓形線圈內(nèi)有垂直線圈平面向里的磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度按圖乙所示規(guī)律變化。不考慮電阻隨溫度的變化以及線圈的電阻，下列說法正確的是()A．滑片P在圖甲所示位置時(shí)，定值電阻兩端的最大電壓為eq\f(2\r(2)π2r2NB0,3T)B．滑片P在圖甲所示位置時(shí)，定值電阻消耗的電功率為eq\f(8π4r4N2B02,9T2R)C．若磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化周期減小，則變壓器的輸出功率將增大D．若自耦變壓器的滑片P順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，則通過原線圈的電流增大答案BC解析由題圖乙可得磁場變化的角速度ω＝eq\f(2π,T)，圓形線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢最大值Um＝NB0Sω＝eq\f(2π2r2NB0,T)，由eq\f(Um,n1)＝eq\f(U2m,n2)得定值電阻兩端的最大電壓U2m＝eq\f(4π2r2NB0,3T)，A錯(cuò)誤；定值電阻消耗的電功率為P＝eq\f(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(U2m,\r(2))))2,R)＝eq\f(8π4r4N2B02,9T2R)，B正確；若磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化周期減小，則感應(yīng)電動(dòng)勢的最大值增大，有效值增大，副線圈兩端的電壓增大，定值電阻消耗的電功率即變壓器的輸出功率將增大，C正確；自耦變壓器的滑片P順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，副線圈的匝數(shù)減少，副線圈兩端的電壓減小，通過副線圈的電流減小，由n1I1＝n2I2可知通過原線圈的電流減小，D錯(cuò)誤。例5(2022·南山區(qū)模擬)如圖甲所示，理想變壓器原、副線圈的匝數(shù)之比為10∶1，B是原線圈的中心接頭，原線圈輸入電壓如圖乙所示，副線圈電路中R1、R3為定值電阻，R2為NTC型熱敏電阻(阻值隨溫度升高而減小)，C為耐壓值為50V的電容器，所有電表均為理想電表。下列判斷正確的是()A．當(dāng)單刀雙擲開關(guān)與B連接，副線圈兩端電壓的頻率變?yōu)?0HzB．當(dāng)單刀雙擲開關(guān)由A→B時(shí)，電容器C會(huì)被擊穿C．當(dāng)單刀雙擲開關(guān)與A連接，R2所在處溫度升高，A1的示數(shù)變大，A2的示數(shù)不變D．其他條件不變，單刀雙擲開關(guān)由A→B時(shí)，變壓器的輸出功率變?yōu)樵瓉淼?.5倍答案B解析變壓器不會(huì)改變交流電的頻率，因此副線圈兩端電壓的頻率仍為50Hz，故A錯(cuò)誤；因此電容器C會(huì)被擊穿，故B正確；若R2所在處溫度升高，電阻減小，副線圈干路電流增大，原線圈電流增大，A1的示數(shù)變大；R3兩端的電壓升高，而副線圈兩端電壓不變，R1兩端的電壓減小，因此電流表A2的示數(shù)減小，故C錯(cuò)誤；其他條件不變，單刀雙擲開關(guān)由A→B時(shí)，變壓器的輸出電壓加倍，電容器被擊穿，形成短路，通過副線圈的電流變大，從而變壓器的輸出功率增加，故D錯(cuò)誤。例6(2022·寧德市月考)如圖所示，作為北京奧運(yùn)會(huì)主場館之一的國家體育場“鳥巢”擁有9.1萬個(gè)座位，其扇形屋面和大面積的玻璃幕墻不僅給人以賞心悅目之感，還隱藏著一座年發(fā)電量約為98550kW·h的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，供給體育場內(nèi)的照明燈等使用。假如該發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率為1×105W。(1)按平均每天太陽照射6小時(shí)，該發(fā)電系統(tǒng)一年(365)天能輸出多少電能？(2)假若輸出電壓為250V，現(xiàn)準(zhǔn)備向遠(yuǎn)處輸電。所用輸電線的總電阻為8Ω，要求輸電時(shí)在輸電線上損失的電功率為輸送電功率的5%，用戶獲得220V電壓，應(yīng)選用匝數(shù)比多大的升壓變壓器和降壓變壓器？答案(1)7.884×1011J(2)1∶16190∶11解析(1)設(shè)該發(fā)電系統(tǒng)一年能輸出的電能為EP＝1×105W，t＝365×6×3600s，E＝Pt解得E＝7.884×1011J(2)依題意作出如圖所示的輸電示意圖升壓變壓器原線圈中的電流I1＝eq\f(P,U1)＝eq\f(1×105,250)A＝400A當(dāng)輸電線上損失的電功率為輸送電功率的5%時(shí)，設(shè)輸電線中的電流為I2，則I22R線＝5%×P解得I2＝25A，則升壓變壓器T1原、副線圈的匝數(shù)比為eq\f(n1,n2)＝eq\f(I2,I1)＝eq\f(25,400)＝eq\f(1,16)設(shè)降壓變壓器T2副線圈中的電流為I4，即提供給所有用戶的總電流I總，用戶獲得的總功率為P用＝P－5%×P又P用＝U4I總＝U4I4解得I4＝eq\f(4750,11)A又I3＝I2＝25A則降壓變壓器原、副線圈的匝數(shù)比為eq\f(n3,n4)＝eq\f(I4,I3)＝eq\f(190,11)。例7(2023·寧波市北侖中學(xué)月考)地球是個(gè)巨大的磁體，它周圍空間存在的磁場叫地磁場，但地磁場看不到，摸不著。為了研究地磁場，趙老師指導(dǎo)的一個(gè)學(xué)習(xí)小組在空曠的場地上做“搖繩發(fā)電實(shí)驗(yàn)”，等效示意圖如圖。他們將一銅芯線像甩跳繩一樣勻速搖動(dòng)，銅芯線的兩端分別通過細(xì)銅線與靈敏交流電流表相連。搖繩的兩位同學(xué)的連線與所在處的地磁場(可視為勻強(qiáng)磁場)垂直。搖動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)的銅芯線所圍成區(qū)域近似半圓，面積為S，轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為ω，用電流表測得電路中電流為I，電路總電阻為R。(已知S＝5m2、ω＝10eq\r(2)rad/s、I＝20μA、R＝100Ω，取eq\f(π,\r(2))＝2.25)(1)求該處地磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大??；(2)從銅芯線所在平面與該處地磁場垂直開始計(jì)時(shí)，求其轉(zhuǎn)過半圈的過程中，通過電流表的電荷量q；(3)求銅芯線轉(zhuǎn)動(dòng)100圈過程中，電路產(chǎn)生的焦耳熱Q。答案(1)4×10－5T(2)4×10－6C(3)1.8×10－6J解析(1)銅芯線中產(chǎn)生的是正弦交流電，電流表測量的是電流的有效值，因此，電流的最大值Imax＝eq\r(2)I感應(yīng)電動(dòng)勢的最大值Emax＝ImaxR又因?yàn)楦袘?yīng)電動(dòng)勢的最大值Emax＝BSω，解得B＝4×10－5T(2)從銅芯線所在平面與該處地磁場垂直