2020-2021年高三物理单元同步提升训练：交流电 18页

2020-2021 年高三物理单元同步提升训练：交流电 一、单选题（每题 3 分，共计 30 分） 1．（2019·江苏卷）某理想变压器原、副线圈的匝数之比为1：10，当输入电压增加20 V时，输出电压 A．降低2 V B．增加2 V C．降低200 V ．增加200 V 【答案】D 【解析】由理想变压器原、副线圈 的 电压比等于匝数比即 11 22 Un Un ，得： 2 21 1 nUUn ，即副线圈两端电压 与原线圈两端电压成正比，所以有： ，当输入电压增加 20V 时，输出电压增大 200V，故 D 正确。 2.（2020 年江苏卷）电流互感器是一种测量电路中电流的变压器，工作原理如图所示。其原线圈匝数较少， 串联在电路中，副线圈匝数较多，两端接在电流表上。则电流互感器（ ） A. 是一种降压变压器 B. 能测量直流电路的电流 C. 原、副线圈电流的频率不同 D. 副线圈的电流小于原线圈的电流 【答案】D 【解析】 【详解】A．原线圈匝数较少，电流互感器是一种降电流的变压器，A 选项错误。 B． 电流互感器的工作原理是电磁感应中的互感现象，只可以测量交变电流，B 选项错误。 C． 电流互感器不会改变电流的频率，只改变电流，故原、副线圈电流的频率相同。C 选项错误。 D．原线圈匝数较少，电流互感器是一种降电流的变压器，副线圈的电流小于原线圈的电流。D 正确。 故选 D。 3．一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. 1:2 D. 2:1 【答案】 D 【解析】根据题述，正弦交变电流的电压有效值为 ，而方波交流电的有效值为 u0， 根据焦耳定律和欧姆定律，Q=I2RT= T，可知在一个周期 T 内产生的热量与电压有效值的二次方成正比， Q 方∶Q 正= u02∶（ ）2=2∶1，选项 D 正确。 4．如图所示，理想变压器的原线圈接在 u＝220 2sin 100πt(V)的交流电源上，副线圈接有 R＝55 Ω 的负载 电阻，原、副线圈匝数之比为 2∶1，电流表、电压表均为理想电表．下列说法正确的是 ( ) A．原线圈的输入功率为 220 2 W B．电流表的读数为 1 A C．电压表的读数为 110 2 V D．副线圈输出交流电的周期为 50 s 【答案】B 【解析】 原线圈输入电压的有效值是 220 V，由U1 U2 ＝n1 n2 ，可得 U2＝110 V，则电压表读数应为 110 V，选项 C 错误．由欧姆定律可得 I2＝U2 R ＝2 A，由I1 I2 ＝n2 n1 ，可得 I1＝1 A，选项 B 正确．由功率 P1＝U1I1 可知，P1＝ 220 W，选项 A 错误．由电源电压瞬时值表达式 u＝220 2sin 100πt (V)，可知 ω＝100π rad/s，由 T＝2π ω可 知，T＝0.02 s，选项 D 错误． 5.如图甲所示,为一种调光台灯电路示意图,它通过双向可控硅电子器件实现了无级调节亮度,给该台灯接 220 V 的正弦交流电后加在灯管两端的电压如图乙所示,则此时交流电压表的示数为( )。 A.220 V B.110 V C.110 V D.55 V 【解析】设电压的有效值为 U,根据有效值定义有 ·+0= T,解得 U=110 V,则 B 项正确。 【答案】B 6.（2020 年北京卷）如图所示， 理想变压器原线圈接在  m sinuUt 的交流电源上， 副线圈接三个 阻值相同的电阻 R，不计电表内电阻影响。闭合开关 S 后（ ） A. 电流表 2A 的示数减小 B. 电压表 1V 的示数减小 C. 电压表 2V 的示数不变 D. 电流表 1A 的示数不变 【答案】A 【解析】 【详解】开关 S 闭合时，副线圈总的电阻减小，由于变压器的匝数比和输入的电压都不变，所以输出的电 压也不变，即 V1 示数不变，但因副线圈的总电阻减小，则副线圈的总电流增大，则原线圈的电流增大，故 A1 的示数变大；由于副线圈的电流增大，故串联在副线圈的电阻 R 两端的电压增大，而副线圈的总电压不 变，所以副线圈并联部分的电压减小，即 2V 的示数减小，故电流表 2A 的示数减小，故 A 正确，BCD 错误。 故选 A。 7.如图所示,一个匝数 N=100 的线圈以固定转速 50 r/s 在匀强磁场中旋转,其产生的交流电通过一匝数比 n1∶ n2=10∶1的变压器给阻值R=20 Ω的电阻供电,已知交流电压表的示数为20 V,从图示位置开始计时,则下列说 法正确的是( )。 A.电阻 R 消耗的电功率为 10 W B.穿过线圈平面的最大磁通量为 Wb C.t=0 时刻流过线圈的电流不为零 D.t=0.0025 s 时刻穿过线圈平面的磁通量为 Wb 【解析】电阻 R 上消耗的电功率 P= =20 W,A 项错误;变压器原线圈两端的电压,即线圈产生的感应电动势 有效值为 200 V,所以其最大值 Em=200 V=NBSω,则穿过线圈的最大磁通量 Φm=BS= Wb= Wb,B 项错误;t=0 时刻线圈平面和磁场垂直,各边均不切割磁感线,故线圈中电流为零,C 项错误;t=0.0025 s 时 线圈转过 45°,此时穿过线圈的磁通量 Φ=BSsin 45°= × Wb= Wb,D 项正确。 【答案】D 8.图为模拟远距离输电实验电路图，两理想变压器的匝数 n1＝n42R，忽略 灯丝电阻随温度的变化．当 A、B 端接入低压交流电源时( ) A．A1、A2 两表的示数相同 B．L1、L2 两灯泡的亮度相同 C．R1 消耗的功率大于 R3 消耗的功率 D．R2 两端的电压小于 R4 两端的电压 【答案】D 【解析】 由于 n1UL2，由 P＝U2 R 可知，L1 的功率大于 L2 的功率，所以 L1 的亮度大于 L2，故 B 项错误；由于 A1 表的示 数小于 A2 表的示数，由 P＝I2R 可知，R1 消耗的功率小于 R3 消耗的功率，故 C 项错误；由于 A1 表的示数 小于 A2 表的示数，由 U＝IR 可知，R2 两端的电压小于 R4 两端的电压，故 D 项正确． 9.（2020 年山东卷）图甲中的理想变压器原、副线圈匝数比 n1：n2=22：3，输入端 a、b 所接电压 u 随时间 t 的变化关系如图乙所示。灯泡 L 的电阻恒为 15 Ω，额定电压为 24 V。定值电阻 R1=10 Ω、R2=5 Ω， 滑动 变阻器 R 的最大阻值为 10 Ω。为使灯泡正常工作，滑动变阻器接入电路的电阻应调节为（ ） A. 1 Ω B. 5 Ω C. 6 Ω D. 8 Ω 【答案】A 【解析】 【详解】输电电压的有效值为（即原线圈电压的有效值） 1 2202 V220V 2 U  根据理想变压器电压规律 11 22 Un Un 可知副线圈电压有效值为 2 21 1 3 220V30V22 nUUn 灯泡正常工作，根据欧姆定律可知分压为 24V ，则通过灯泡的电流，即副线圈部分的干路电流为 L L L 24 A 1.6A15 UI R   根据串联分压规律可知， 1R 和 2R 、 R 构成的并联电路部分的分压为 2L30V24V6VUUU 通过 1R 的电流为 1 1 6 A0.6A10 UI R 通过 2R 、 R 的电流为 2L1 1.6A0.6A1AIII 、 的分压为 22()U I R R 解得滑动变阻器的阻值为 2 2 6 Ω 5Ω 1Ω1 URRI A 正确，BCD 错误。 故选 A。 10.（2020 年浙江卷）如图所示，某小型水电站发电机的输出功率 100kWP  ，发电机的电压 1 250VU  ， 经变压器升压后向远处输电，输电线总电阻 8ΩR 线 ，在用户端用降压变压器把电压降为 4 220VU  。已 知输电线上损失的功率 5kWP 线 ，假设两个变压器均是理想变压器，下列说法正确的是（ ） A. 发电机输出的电流 1 40AI  B. 输电线上的电流 625AI 线 C. 降压变压器的匝数比 34:190:11nn D. 用户得到的电流 4 455AI  【答案】C 【解析】 【详解】A．根据电功率公式 P U I 发电机输出电流 1 1 400API U A 错误； B．输电线上损失功率 5kW ，由 2P I R线 线 线 可得 = 25 API R 线 线 线 故 B 错误； C．降压变压器原副线圈得到的功率为 P4=P-P线=95kW 根据理想变压器电流与线圈匝数成反比关系，可得 4 43 5000W 118Ω 95000W 190 220V I n In线 C 正确； D．用户得到的功率为95kW ，用户得到的电流 4 95000W 432A220VI  D 错误。 故选 C。 二、多选题（每题 5 分，共计 30 分） 11.（2020 年天津卷）手机无线充电是比较新颖的充电方式。如图所示，电磁感应式无线充电的原理与变压 器类似，通过分别安装在充电基座和接收能量装置上的线圈，利用产生的磁场传递能量。当充电基座上的 送电线圈通入正弦式交变电流后，就会在邻近的受电线圈中感应出电流，最终实现为手机电池充电。在充 电过程中（ ） A. 送电线圈中电流产生的磁场呈周期性变化 B. 受电线圈中感应电流产生的磁场恒定不变 C . 送电线圈和受电线圈通过互感现象实现能量传递 D. 手机和基座无需导线连接，这样传递能量没有损失 【答案】AC 【解析】 【详解】AB．由于送电线圈输入的是正弦式交变电流，是周期性变化的，因此产生的磁场也是周期性变化 的，A 正确，B 错误； C．根据变压器原理，原、副线圈 是 通过互感现象实现能量传递，因此送电线圈和受电线圈也是通过互感现 象实现能量传递，C 正确； D．手机与机座无需导线连接就能实现充电，但磁场能有一部分以电磁波辐射的形式损失掉，因此这样传递 能量是有能量损失的，D 错误。 故选 AC。 12.一不计电阻的矩形导线框，在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动，产生的正弦交流电如图甲所 示。把该交流电接在图乙中理想变压器的 a、b 两端，Rt 为热敏电阻（温度升高时，其电阻减小），R 为定值 电阻，电压表和电流表均为理想电表。下列说法正确的是 A．在 t=l.5×10-2 s 时刻，线框平面与磁场方向垂直 B．该交流电电压的瞬时值表达式为 C．Rt 处温度升高时，Vl 表示数与 V2 表示数的比值增大 D．Rt 处温度升高时，V2 表示数与 A 表示数的比值不变 【答案】BC 【解析】A、在 t＝l.5×10﹣2s 时刻，交变电压最大，穿过线圈的磁通量的变化率最大，穿过该线圈的磁通量 为零，线框平面与磁场方向平行，故 A 错误；B、由图知，最大电压 ，周期 0.02 s，角速度 是 ，则该交流电电压的瞬时值表达式为 ，故 B 正确；C、Rt 处温度升高时，原副线圈电压比不变，故副线圈两端电压不变，设副线圈两端电压为 0u ，Rt 温度升高时， 阻值减小，则副线圈所在电路的电流 0uI R 总 ，电流变大，根据闭合电流欧姆定律： ，故 V2 示数减小，则电压表 V1、V2 示数的比值增大，故 C 正确；D、Rt 处温度升高时，阻值减小，V2 表示数与 A 表示数的比值等于电阻 Rt，故减小，故 D 错误。 13.如图所示，理想变压器原、副线圈的匝数比 n1:n2=11:5，原线圈接 ul=110sin100πt V 的交流电，电阻 R1= R2=25 Ω，D 为理想二极管，则 A．通过电阻 R1 的电流为 2 A B．二极管的反向耐压值应大于 50 V C．原线圈的输入功率为大于 50 W D．通过原线圈的电流为 15 A11 【答案】BC 【解析】由表达式知原线圈电压有效值为 ，根据 1 22 nU Un ，得副线圈两端电压为 ，则通过电阻 R1 的电流为 ；故 A 错误；输出电压最大值为 50 V； 故要使电路正常工作，反向耐压值应大于 50 V，故 B 正确；根据电流热效应， ，所 以 R2 两端的电压为 3 25VU  ，则通过 R2 的电流为 ，输出端的总功率 ，故输入功率也为 75 W，故 C 正确；原线圈的电流 ， 故 D 错误。故选 BC。 14.如图所示的电路中，P为滑动变阻器的滑片，保持理想变压器的输入电压U1不变，闭合开关S，下列说 法正确的是( ) A．P 向下滑动时，灯 L 变亮 B．P 向下滑动时，变压器的输出电压不变 C．P 向上滑动时，变压器的输入电流变小 D．P 向上滑动时，变压器的输出功率变大 【答案】BD 【解析】 由于理想变压器输入电压不变，则副线圈电压 U2 不变，滑片 P 滑动时，对灯泡两端的电压没有 影响，故灯泡亮度不变，则选项 A 错误；滑片 P 下滑，电阻变大，但副线圈电压由原线圈电压决定，则副 线圈电压不变，故选项 B 正确；滑片 P 上滑，电阻减小，副线圈输出电流 I2 增大，则原线圈输入电流 I1 也 增大，故选项 C 错误；此时变压器输出功率 P2＝U2I2 将变大，故选项 D 正确． 15.如图所示，将额定电压为 60 V 的用电器通过一理想变压器接在正弦交变电源上．闭合开关 S 后，用电器 正常工作，交流电压表和交流电流表(均为理想电表)的示数分别为 220 V 和2.2 A．以下判断正确的是( ) A．变压器输入功率为 484 W B．通过原线圈的电流的有效值为 0.6 A C．通过副线圈的电流的最大值为 2.2 A D．变压器原、副线圈匝数比 n1∶n2＝11∶3 【答案】BD 【解析】 理想电流表没有电阻，显示的 2.2 A 是理想变压器的输出电流的有效值，理想电压表的电阻无穷 大，显示的 220 V 是理想变压器的输入电压的有效值．用电器正常工作，所以，理想变压器的输出电压的 有效值为 60 V．根据理想变压器的电压与匝数成正比，可得 n1∶n2＝U1∶U2＝11∶3 ，选项 D 正确．理想 变压器的输入功率等于输出功率，P 入＝P 出＝60×2.2 W＝132 W ，选项 A 错误．根据理想变压器的电流与 匝数成反比，即 I1∶I2＝n2∶n1，可得通过原线圈的电流的有效值为 I1＝n2 n1 I2＝0.6 A ，选项 B 正确．通过变 压器的是正弦交流电，所以副线圈的电流的最大值为 Im＝ 2I2＝2.2 2 A，选项 C 错误． 16.（2020 年全国 III 卷）在图（a）所示的交流电路中，电源电压的有效值为 220V，理想变压器原、副线 圈的匝数比为 10∶1，R1、R2、R3 均为固定电阻，R2=10 Ω ，R3=20 ，各电表均为理想电表。已知电阻 R2 中电流 i2 随时间 t 变化的正弦曲线如图（b）所示。下列说法正确的是（ ） A. 所用交流电的频率为 50Hz B. 电压表的示数为 100V C. 电流表的示数为 1.0A D. 变压器传输的电功率为 15.0W 【答案】AD 【解析】 【详解】A．交流电的频率为 1150Hz0.02sf T A 正确； B．通过 2R 电流的有效值为 2A 1A 2 I  两端即副线圈两端的电压，根据欧姆定律可知 221 10V 10VU IR    根据理想变压器的电压规律 11 22 Un Un 可知原线圈的电压 1 12 2 1010V100VnUUn 电阻 1R 两端分压即为电压表示数，即 V01 220V100V120VUUU B 错误； C．电流表的示数为 2 A 3 10 A0.5A20 UI R C 错误； D．副线圈中流过的总电流为 2A1A 0.5A 1.5AI I I     变压器原副线圈传输的功率为 22 15WPI U D 正确。 故选 AD。 三、实验题（每题 10 分，共 20 分） 17.待测电阻 Rx 的阻值约为 20 Ω,现要测量其阻值,实验室提供器材如下: A.电流表 (量程 150 mA,内阻约为 10 Ω) B.电流表 (量程 20 mA,内阻 r2=30 Ω) C.电压表 (量程 15 V,内阻约为 3000 Ω) D.定值电阻 R0=100 Ω E.滑动变阻器 R1,最大阻值为 5 Ω,允许通过的最大电流为 1.0 A F.滑动变阻器 R2,最大阻值为 5 Ω,允许通过的最大电流为 0.5 A G.电源 E,电动势为 4 V(内阻不计) H.开关 S 及导线若干 (1)为了使电表调节范围较大,测量准确,测量时电表读数不得小于其量程的 ,请从所给的器材中选择合适的 实验器材 (均用器材前对应的序号字母填写)。 (2)根据你选择的实验器材,请你在虚线框内画出测量 Rx 的最佳实验电路图并标明元件符号。 (3)待测电阻的表达式为 Rx= ,式中各符号的物理意义为 。 【解析】(1)由于电源电动势为 4 V,电压表 的量程为 15 V,达不到其量程的三分之一,故电压表不能使用;可用 电流表 与定值电阻 R0 串联扩大其电压量程,当作电压表与电流表 配合使用伏安法测量待测电阻阻值,由 于改装的电压表内阻已知,故电流表用外接法,改装的电压表量程为 20×10-3×130 V=2.6 V,滑动变阻器最大阻 值为 5 Ω,无法起到限流作用,故滑动变阻器采用分压式接法;此时考虑到干路最小电流约为 =0.8 A,故滑动变 阻器只能选择 R1,经过估算,当电流表 满偏时,电流表 也正好满偏,非常匹配,因此满足电表读数不得小于 其量程三分之一的要求。故实验器材选择 ABDEGH。 (2)如图所示。 (3)待测电阻 Rx= ,其中 I1、I2 分别为电流表 和 的示数。 【答案】(1)ABDEGH (2)如图所示 (3) I1、I2 分别为电流表 和 的示数 18.（2020 年山东卷）实验方案对实验测量的精度有直接的影响，某学习小组对“测量电源的电动势和内阻” 的实验方案进行了探究。实验室提供的器材有： 干电池一节（电动势约 1.5 V，内阻小于 1 Ω）； 电压表 V （量程 3 V，内阻约 3 kΩ）； 电流表 A （量程 0.6 A，内阻约 1 Ω）； 滑动变阻器 R （最大阻值为 20 Ω）； 定值电阻 R1 （阻值 2 Ω）； 定值电阻 R2 （阻值 5 Ω）； 开关一个，导线若干。 (1)该小组按照图甲所示的电路进行实验，通过调节滑动变阻器阻值使电流表示数逐渐接近满偏，记录此过 程中电压表和电流表的示数，利用实验数据在 U-I 坐标纸上描点，如图乙所示，结果发现电压表示数的变化 范围比较小，出现该现象的主要原因是_____。（单选，填正确答案标号） A．电压表分流 B．干电池内阻较小 C．滑动变阻器最大阻值较小 D．电流 表内阻较小 (2)针对电压表示数的变化范围比较小的问题，该小组利用实验室提供的器材改进了实验方案，重新测量得 到的数据如下表所示。 序号 1 2 3 4 5 6 7 I/A 0.08 0.14 0.20 0.26 0.32 0.36 0.40 U/V 1.35 1.20 1.05 0.88 0.73 0.71 0.52 请根据实验数据，回答以下问题： ①答题卡的坐标纸上已标出后 3 组数据对应的坐标点，请在答题卡的坐标纸上标出前 4 组数据对应的坐标点 并画出 U-I 图像________。 ②根据实验数据可知，所选的定值电阻为_____ （填“R1”或“R2”）。 ③用笔画线代替导线，请在答题卡上按照改进后的方案，将实物图连接成完整电路____________。 【答案】 (1). B (2).见上图 (3). R1 (4). 【解析】 【详解】(1)电压表示数变化过小，则原因是外电阻比内阻大的多，即电源内阻偏小，故选 B。 (2)①根据数据做出 U-I 图像如图； ②由图像可知 1.58==2.630.6rR定 电源内阻小于 1Ω，则定值电阻大于 1.63Ω，可知定值电阻 为 R1； ③定值电阻与电源串联，电路如图； 四、计算题（18 题 8 分，19 题 12 分，共计 20 分） 18.交流发电机的原理如图甲所示，闭合的矩形线圈放在匀强磁场中，绕 OO′轴匀速转动，在线圈中产生的 交变电流随时间变化的图象如图乙所示，已知线圈的电阻为 R＝2.0Ω，求： (1)线圈电阻上产生的电热功率是多少； (2)保持线圈匀速运动，1min 内外界对线圈做的功是多少． 【答案】(1) 4W. (2) 240J. 【解析】 （1）由 I﹣t 图可知，该线圈产生的交流电周期为 4.0×10﹣2s，通过线圈导线的任一个横截面的电流的最 大值 Im=2.0 A； 根据交变电流的产生原理，发电机线圈每转动一周，交变电流完成一次周期性的变化，所以矩形线圈转动 的周期 T=4.0×10﹣2s。 流过线圈电阻电流的有效值 I= 线圈电阻上产生的电热功率为 =4 W （2）外界对线圈做功转化成电能再转化成电热，1 分钟内外界对线圈做的功 19.如图所示,MN 和 PQ 是平行、光滑、足够长且不计电阻的两根竖直固定金属杆,间距 L=0.1 m,其最上端通 过电阻 R 相连接,R=0.5 Ω。R 两端通过导线与平行板电容器连接,电容器上下两板距离 d=1 m。在 R 下方一 定距离有方向相反、无缝对接的两个沿水平方向的匀强磁场区域Ⅰ和Ⅱ,磁感应强度均为 B=2 T,其中区域Ⅰ 的高度差 h1=3 m,区域Ⅱ的高度差 h2=1 m。现将一阻值 r=0.5 Ω、长 L=0.1 m 的金属棒 b 紧贴 MN 和 PQ,从 距离区域Ⅰ上边缘 h=5 m 处由静止释放;b 进入区域Ⅰ后即刻做匀速直线运动,在 b 进入区域Ⅰ的同时,从紧贴 电容器下板中心处由静止释放一带正电的微粒 A。微粒的比荷 =20 C/kg,重力加速度 g=10 m/s2。求: (1)金属棒 b 的质量 M。 (2)在 b 穿越磁场的整个过程中,微粒发生的位移大小 x。(不考虑电容器充、放电对电路的影响及充、放电时 间) 【解析】(1)b 下滑 h 的过程中,由运动学规律有 v2=2gh 代入数据解得 v=10 m/s b 进入区域Ⅰ后,由平衡条件有 BIL=Mg 感应电动势 E=BLv=2 V 感应电流 I= =2 A,解得 M=0.04 kg。 (2)因区域Ⅰ、Ⅱ的磁感应强度大小相同,故 b 在区域Ⅱ中也做匀速运动,b 匀速穿过磁场的整个过程中,电容器 两极板间的电压 U= =1 V,电场强度 E'= =1 V/m b 穿越区域 Ⅰ 的过程中经历的时间 t1= =0.3 s,此过程下板电势高,微粒 A 的加速度大小 a1= =10 m/s2,方向竖直向上 A 的末速度 v1=a1t1=3 m/s,向上的位移 x1= a1 =0.45 m b 穿越区域Ⅱ的过程中经历的时间 t2= =0.1 s 此过程中上板电势高,A 的加速度大小 a2= =30 m/s2,方向竖直向下 末速度 v2=v1-a2t2=0,故微粒运动方向始终未变 向上的位移 x2=v1t2- a2 =0.15 m 得 x=x1+x2=0.45 m+0.15 m=0.60 m。 【答案】(1)0.04 kg (2)0.60 m