2024鲁科版高中物理选择性必修第二册同步练习--第3章 交变电流与远距离输电拔高练

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2024鲁科版高中物理选择性必修第二册同步
综合拔高练
五年高考练
　　　　　　　　　　　　　　　
考点1　交变电流的产生和描述
1.(2021浙江6月选考,5)如图所示,虚线是正弦交流电的图像,实线是另一交流电的图像,它们的周期T和最大值Um相同,则实线所对应的交流电的有效值U满足 (　　)
A.U=Um　　　　B.U=Um
C.U>Um　　　　D.U2.(2023湖南,9)某同学自制了一个手摇交流发电机,如图所示。大轮与小轮通过皮带传动(皮带不打滑),半径之比为4∶1,小轮与线圈固定在同一转轴上。线圈是由漆包线绕制而成的边长为L的正方形,共n匝,总阻值为R。磁体间磁场可视为磁感应强度大小为B的匀强磁场。大轮以角速度ω匀速转动,带动小轮及线圈绕转轴转动,转轴与磁场方向垂直。线圈通过导线、滑环和电刷连接一个阻值恒为R的灯泡。假设发电时灯泡能发光且工作在额定电压以内,下列说法正确的是 (　　)
A.线圈转动的角速度为4ω
B.灯泡两端电压有效值为3nBL2ω
C.若用总长为原来两倍的相同漆包线重新绕制成边长仍为L的多匝正方形线圈,则灯泡两端电压有效值为
D.若仅将小轮半径变为原来的两倍,则灯泡变得更亮
3.(2022广东,4)如图是简化的某种旋转磁极式发电机原理图。定子是仅匝数n不同的两线圈,n1>n2,二者轴线在同一平面内且相互垂直,两线圈到其轴线交点O的距离相等,且均连接阻值为R的电阻,转子是中心在O点的条形磁铁,绕O点在该平面内匀速转动时,两线圈输出正弦式交变电流。不计线圈电阻、自感及两线圈间的相互影响,下列说法正确的是 (　　)
A.两线圈产生的电动势的有效值相等
B.两线圈产生的交变电流频率相等
C.两线圈产生的电动势同时达到最大值
D.两电阻消耗的电功率相等
4.(2021浙江1月选考,16)发电机的示意图如图甲所示,边长为L的正方形金属框,在磁感应强度为B的匀强磁场中以恒定角速度绕OO'轴转动,阻值为R的电阻两端的电压如图乙所示。其他电阻不计,图乙中的Um为已知量。则金属框转动一周 (　　)
A.框内电流方向不变　　　　B.电动势的最大值为Um
C.流过电阻的电荷量q=　　　　D.电阻产生的焦耳热Q=
考点2　理想变压器电路的动态分析
5.(2022山东,4)如图所示的变压器,输入电压为220 V,可输出12 V、18 V、30 V电压,匝数为n1的原线圈中电压随时间变化为u=Um cos (100πt)。单匝线圈绕过铁芯连接交流电压表,电压表的示数为0.1 V。将阻值为12 Ω 的电阻R接在BC两端时,功率为12 W。下列说法正确的是 (　　)
A.n1为1 100,Um为220 V
B.BC间线圈匝数为120,流过R的电流为1.4 A
C.若将R接在AB两端,R两端的电压为18 V,频率为100 Hz
D.若将R接在AC两端,流过R的电流为2.5 A, 周期为0.02 s
6.(2022湖南,6)如图,理想变压器原、副线圈总匝数相同,滑动触头P1初始位置在副线圈正中间,输入端接入电压有效值恒定的交变电源。定值电阻R1的阻值为R,滑动变阻器R2的最大阻值为9R,滑片P2初始位置在最右端。理想电压表的示数为U,理想电流表的示数为I。下列说法正确的是(　　)
A.保持P1位置不变,P2向左缓慢滑动的过程中,I减小,U不变
B.保持P1位置不变,P2向左缓慢滑动的过程中,R1消耗的功率增大
C.保持P2位置不变,P1向下缓慢滑动的过程中,I减小,U增大
D.保持P2位置不变,P1向下缓慢滑动的过程中,R1消耗的功率减小
7.(2021湖北,6)如图所示,理想变压器原线圈接入电压恒定的正弦交流电,副线圈接入最大阻值为2R的滑动变阻器和阻值为R的定值电阻,在变阻器滑片从a端向b端缓慢移动的过程中 (　　)
A.电流表A1示数减小
B.电流表A2示数增大
C.原线圈输入功率先增大后减小
D.定值电阻R消耗的功率先减小后增大
8.(2021湖南,6)如图,理想变压器原、副线圈匝数比为n1∶n2,输入端C、D接入电压有效值恒定的交变电源,灯泡L1、L2的阻值始终与定值电阻R0的阻值相同。在滑动变阻器R的滑片从a端滑动到b端的过程中,两个灯泡始终发光且工作在额定电压以内,下列说法正确的是 (　　)
A.L1先变暗后变亮,L2一直变亮
B.L1先变亮后变暗,L2一直变亮
C.L1先变暗后变亮,L2先变亮后变暗
D.L1先变亮后变暗,L2先变亮后变暗
考点3　交变电流、理想变压器的综合问题
9.(2021广东,7)某同学设计了一个充电装置,如图所示。假设永磁铁的往复运动在螺线管中产生近似正弦式交流电,周期为0.2 s,电压最大值为0.05 V。理想变压器原线圈接螺线管,副线圈接充电电路,原、副线圈匝数比为1∶60。下列说法正确的是(　　)
A.交流电的频率为10 Hz
B.副线圈两端电压最大值为3 V
C.变压器输入电压与永磁铁磁场强弱无关
D.充电电路的输入功率大于变压器的输入功率
10.(2022河北,3)张家口市坝上地区的风力发电场是北京冬奥会绿色电能的主要供应地之一,其发电、输电简易模型如图所示。已知风轮机叶片转速为每秒z转,通过转速比为1∶n的升速齿轮箱带动发电机线圈高速转动,发电机线圈面积为S,匝数为N,匀强磁场的磁感应强度为B。t=0时刻,线圈所在平面与磁场方向垂直,发电机产生的交变电流经过理想变压器升压后,输出电压为U。忽略线圈电阻,下列说法正确的是 (　　)
A.发电机输出的电压为πNBSz
B.发电机输出交变电流的频率为2πnz
C.变压器原、副线圈的匝数比为πNBSnz∶U
D.发电机产生的瞬时电动势e=πNBSnz sin (2πnzt)
11.(2020山东,5)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 (　　)
图甲
图乙
A.1 Ω　　B.5 Ω　　C.6 Ω　　D.8 Ω
考点4　远距离输电问题
12.(2023山东,7)某节能储能输电网络如图所示,发电机的输出电压U1=250 V,输出功率500 kW。降压变压器的匝数比n3∶n4=50∶1,输电线总电阻R=62.5 Ω,其余线路电阻不计,用户端电压U4=220 V,功率88 kW,所有变压器均为理想变压器。下列说法正确的是 (　　)
A.发电机的输出电流为368 A
B.输电线上损失的功率为4.8 kW
C.输送给储能站的功率为408 kW
D.升压变压器的匝数比n1∶n2=1∶44
三年模拟练
应用实践
1.(2023广东深圳二模)如图为某款电吹风的电路图,a、b、c、d均为固定触点,可动扇形金属触片P可同时接通两个触点。当触片P接通c、d两点时,电吹风不工作。电路中的变压器可视为理想变压器,原副线圈匝数比=。当电吹风接220 V交流电,P接通b、c触点时,额定功率为60 W的小风扇能正常工作,小风扇的输出功率为52 W。下列说法正确的是 (　　)
A.转动P接通b、c触点时,电吹风吹出热风
B.小风扇正常工作时的电流为1 A
C.小风扇电动机的线圈内阻为60 Ω
D.转动P接通a、b触点时,因电热丝的电阻变大,所以通过小风扇的电流变小
2.(2022山东青岛期末)如图甲,白鹤滩水电站是世界第二大水电站,共安装16台我国自主研制的全球单机容量最大功率百万千瓦水轮发电机组。2021年6月28日,白鹤滩水电站首批机组投产发电,用500千伏特高压向四川远距离输电。在远距离输电中,输电线的电阻是不可忽略的,图乙为白鹤滩水电站输电线路原理图,水电站输出电压稳定的正弦交流电,升至特高压U后向四川供电,输送的总功率为P。理想变压器原、副线圈匝数分别为n1、n2,R1为输电线总电阻,R2为不断电用户电阻(可视为定值电阻),R为可变用户电阻(可视为可变电阻)。当可变电阻R减小时,电压表和电流表示数变化的绝对值分别为ΔU、ΔI,电压表和电流表均为理想电表,下列说法正确的是 (　　)
A.=R2
B.=R1
C.对于原线圈回路,虚线部分的等效电阻为R'=(R2+R)
D.输电线路上损耗的功率为P损=P
3.(2022河南焦作期末)如图所示,交流发电机的矩形线圈在匀强磁场中绕垂直磁场的虚线轴以恒定的转速匀速转动。电路中理想变压器副线圈接入电路的匝数可通过单刀双掷开关改变,开始时开关S置于位置1,电流表、电压表均为理想电表,下列说法正确的是(　　)
A.图示位置线圈产生的感应电动势为零
B.只将S从1拨向2时,电流表示数变大
C.只将R的滑片上移,电流表示数变大
D.只将R的滑片上移,R2的电功率变小
4.(2022福建莆田一中期末)在匀强磁场中有一不计电阻的矩形线圈,绕垂直磁场的轴匀速转动,产生如图甲所示的正弦式交流电,把该交流电接在图乙中理想变压器的A、B两端,电压表和电流表均为理想电表,Rt为负温度系数的热敏电阻(温度升高时其电阻减小),R为定值电阻。下列说法正确的是　 (　　)
A.在t=0.01 s,穿过该矩形线圈的磁通量最大
B.变压器原线圈两端电压的瞬时值表达式为u=36 sin πt(V)
C.温度升高时,电压表V1、V2示数的比值保持不变
D.温度升高时,电压表V2的示数变小,变压器输入功率变大
5.(2021广东汕头模拟)如图为日常生活中常见的电子打火灶的点火装置原理图。将1.5 V直流电压通过转换器转换为正弦式交变电压u=6 sin 100πt (V),再将其加在匝数比n2∶n1=2 000∶1的理想变压器的原线圈上,副线圈两端就可获得高压引发电火花点燃燃气。不计导线电阻,下列说法正确的是 (　　)
A.原线圈两端所接理想电压表的读数为6 V
B.放电针之间电压最高可达12 000 V
C.放电针之间交流电压频率100 Hz
D.放电针每隔0.02 s点火一次
6.(2023山东聊城二模)国家为节约电能,执行峰谷分时电价政策,引导用户错峰用电。为了解错峰用电的好处,建立如图所示的“电网仅为3户家庭供电”模型,3户各有功率P=3 kW的用电器,采用两种方式用电:方式一为3户同时用电1小时,方式二为3户错开单独用电各1小时,采用两种方式用电时输电线路总电阻损耗的电能分别为ΔE1、ΔE2,若用户电压恒为220 V,不计其他线路电阻,则 (　　)
A.采用两种方式用电时,电网提供的总电能之比为1∶1
B.采用两种方式用电时,变压器原线圈中的电流之比为1∶3
C.=3
D.=9
迁移创新
7.(2020广东广州月考)如图是家庭用的“漏电保护器”的原理图,入户的两根电线(火线和零线)采用双线绕法,然后再接户内的用电器。其中P是一个铁芯,P上的另一线圈接Q,它是一个脱扣开关的控制部分(脱扣开关本身没有画出,它串联在本图左边的火线上,开关断开时,用户的供电被切断),当Q所接的线圈的两端a、b间没有电压时,Q使脱扣开关闭合,当a、b间有电压时脱扣开关立即断开,用户的供电被切断。试问:
(1)用户正常用电时,a、b之间有没有电压 为什么
(2)如果某人站在地面上,手误触火线而触电,脱扣开关是否会断开 为什么
本章达标检测见增分测评卷
综合拔高练
五年高考练
1.D 2.AC 3.B 4.BD 5.D 6.B
7.A 8.A 9.B 10.C 11.A 12.C
1.D　对于图示的两种交变电流通过相同电阻R时,实线所示的交变电流在一个周期内产生的热量要少些,故其有效值U2.AC　大轮和小轮通过皮带传动,皮带不打滑,则大轮和小轮边缘的线速度大小相等,即ω·4r=ω'r,解得小轮及线圈转动的角速度ω'=4ω,A正确;线圈中产生的感应电动势的最大值Em=nBL2ω'=4nBL2ω,则感应电动势的有效值E==2nBL2ω,由闭合电路欧姆定律可知灯泡两端电压的有效值U=E·=nBL2ω,B错误;若用总长为原来两倍的相同漆包线绕制成边长仍为L的多匝正方形线圈,则线圈匝数为2n,线圈总阻值为2R,线圈中产生的感应电动势的最大值Em'=2nBL2ω'=8nBL2ω,感应电动势的有效值E'==4nBL2ω,由闭合电路欧姆定律可知灯泡两端电压的有效值U=E'·=nBL2ω,C正确;若仅将小轮半径变为原来的两倍,则小轮及线圈转动的角速度减小,线圈中产生的感应电动势减小,灯泡两端电压减小,功率减小,灯泡变暗,D错误。
3.B　磁铁旋转时通过两个线圈的最大磁通量Φ和磁通量变化率都相同,两线圈产生的交变电流频率相等,故B正确。根据E=n、n1>n2,可知E1>E2,所以两线圈产生的电动势的有效值不相等,A错误。磁铁在旋转时,通过两线圈的磁通量变化不同步,所以两线圈的电动势不是同时达到最大值,故C错误。电阻相同、电动势有效值不同,故两电阻消耗的电功率不相等,D错误。
4.BD　根据右手定则可知金属框内产生交变电流,转动一周过程中其电流方向要发生改变,故A错误;由于其他电阻不计,根据闭合电路欧姆定律,金属框电动势的最大值为电阻R两端的电压最大值Um,故B正确;流过电阻的电荷量q=(点拨:q=Δt=Δt=Δt=),故C错误;根据Um=BL2ω=BL2,则T=,所以Q=T=T=,故D正确。
5.D　由单匝线圈所接电压表的读数有:=,则n1=2 200,另外Um=220 V,故A错误;由=和=P代入数据解得,UBC=12 V,nBC=120,则I==1 A,故B错误;由ω=2πf=100π rad/s,得f=50 Hz,T==0.02 s,故C错误;R接在AC两端时,I== A=2.5 A,故D正确
6.B　本题使用等效法最简捷,如图,将理想变压器等效为电阻,R等=·R1(n1和n2分别为变压器原副线圈匝数),若保持P1位置不变,则R等=4R,P2向左缓慢滑动,R2接入电路的阻值减小,I=,I增大,U=U总-IR等,U减小,A项错误;=P等=I2·R等,增大,B选项正确;若保持P2在最右端位置不变,R2=9R,P1向下缓慢滑动,n2减小,R等增大,I减小,U==IR2,U减小,C项错误;将R2等效为电源内阻R内,当R等=R内=9R时,R1消耗的功率最大,故R1消耗的功率先增大,后减小,D选项错误。
方法技巧　(1)理想变压器动态分析问题,可将变压器等效为一纯电阻,R等=·R副。
(2)在原线圈上接有负载时,可以将不变的电阻等效为电源内阻,借助闭合电路欧姆定律分析副线圈中功率变化问题,如R等=r内时,P等有最大值。
7.A　设滑动变阻器滑片左侧部分的电阻为Ra,右侧部分的电阻为Rb,则副线圈接入的总电阻R总=Ra+=(2R-Rb)+=2R-,由此可见,当变阻器滑片从a端向b端缓慢移动时,Rb减小,R总增大。根据原、副线圈电压关系得=,由于输入电压不变,所以输出电压也不变,滑片由a端向b端滑动时,R总增大,副线圈电流I2=减小,根据原、副线圈电流关系=,得电流表 A1、A2的示数都减小,故A正确、B错误;原线圈输入功率P1=U1I1因I1减小,则P1减小,C错误;电阻R为分压接法,滑片从a端向b端缓慢移动,电阻R分得的电压逐渐减小,则电阻R消耗的功率一直减小,D错误。故选A。
8.A　设滑动变阻器滑片左侧电阻为R',则变压器副线圈所接电阻为R2= ,当R'= R时R2有最大值,故负载电阻在滑片从a端滑动到b端的过程中R2先变大后变小。设输入电压为U0,原、副线圈中的电流和两端电压分别为I1、I2和U1、U2,原线圈回路有:U0=I1R0+U1, = ,n1I1=n2I2,联立得U0= R0+ U2,而U2=I2R2,即U0= R0+ I2R2=I2,因R2先变大后变小,故I2先减小后变大,I1先减小后变大,L1先变暗后变亮。滑片从a到中点过程中I1减小、U1增大、U2增大,变阻器滑片右侧电阻和L2串联电路两端电压增大,而右侧电阻减小,则流过L2的电流增大;滑片从中点到b过程中I2变大U2减小,R0与R左侧电阻串联的总电阻增大,故流过L2的电流仍增大,故L2一直变亮,选项A正确。
9.B　由题知T=0.2 s,则f==5 Hz,A项错误;=,其中Um1=0.05 V,=,可得Um2=3 V,B项正确;变压器的输入电压产生的原理是永磁铁插入线圈产生感应电动势,其大小与磁场强弱有关,C项错误;对于理想变压器,在输电过程中满足输入功率等于输出功率,题中充电电路消耗的功率即变压器的输出功率,其与变压器的输入功率相等,D项错误。故选B。
10.C　风轮机叶片的转速为z(r/s),发电机的转速为nz,发电机转动的角速度ω=2πnz,B错误;发电机产生电压的有效值E=NBSω=πNBSnz,A错误;理想变压器原、副线圈的电压比与匝数比成正比,因此,变压器原、副线圈的匝数比为πNBSnz∶U,C正确;发电机产生瞬时电动势的表达式为e=Em sin ωt=2πnzNBS sin (2πnzt),D错误。
11.A　由题意可知,输入端a、b所接电压的有效值U1==220 V,由=知变压器输出端电压U2=30 V。为使灯L正常发光,UL=24 V,IL== A=1.6 A,由电路可知UR1=U2-UL=6 V,IR1==0.6 A,则R2和R串联支路电流IR2=IL-IR1=1 A,R串=R2+R==6 Ω,故R=6 Ω-5 Ω=1 Ω,选项A正确。
12.C　由题意知发电机输出电流I1===2 000 A,所以A错。用户端电流I4==400 A,=,得U3=11 000 V,再由功率相等有P3=P4,即U3I3=U4I4,得输电线上电流I3=8 A,损失功率ΔP=R=4 kW,所以B错。由能量守恒得储能站功率P5=P1-P3-ΔP=(500-88-4) kW=408 kW,故C对。输电线上的电压损失ΔU=I3R=8×62.5 V=500 V,所以U2=U3+ΔU=11 500 V,由理想变压器电压之比与匝数之比的关系有===1∶46,所以D错。
三年模拟练
1.B 2.B 3.D 4.AD 5.B 6.C
1.B　P接通b、c触点时,电热丝未接入电路,故电吹风吹出的是冷风,A错误;原副线圈匝数比=,故正常工作时小风扇两端的电压为U2=U1=60 V,故通过小风扇的电流为I==1 A,B正确;小风扇正常工作时,电动机的线圈内阻产生的热功率P热=P额-P出=8 W,则小风扇电动机的线圈内阻为r==8 Ω,C错误;P接通a、b触点时,电热丝与电风扇并联,接入电路电压不变,小风扇的两端电压不变,故通过小风扇的电流不变,D错误。故选B。
2.B　设用户端理想变压器原、副线圈两端电压分别为U1、U2,电流分别为I1、I2,则根据理想变压器特点,U1I1=U2I2,U1∶U2=n1∶n2,得U1=U2,I1=I2 ,对原线圈电路有U=I1R1+U1=I2R1+U2,由上式可得==R1,故A错误,B正确;由U1=I1R',结合U1=U2,I1=I2联立可得R'=·(R2+R),故C错误;根据C中分析可知,虚线框所圈部分的等效电阻为R',则R1上消耗功率为P损=·P=·P,故D错误。故选B。
3.D　图示位置线圈与中性面垂直,线圈产生的感应电动势最大,故A错误;只将S从1拨向2时,副线圈的匝数减少,由原、副线圈电压比等于匝数比=可知,副线圈两端电压减小,电流减小,消耗的电功率减小,由P1=P2=U1I1可知电流表示数变小,故B错误;将R的滑片上移,R的阻值变大,电路中总阻值变大,由P2=可知P2减小,由P1=P2=U1I1可知电流表示数变小,故C错误;将R的滑片上移,R的阻值变大,R与R2的总电阻变大,副线圈输出电压不变,由欧姆定律可知,通过R2的电流减小,由P=I2R2,可知R2的电功率变小,故D正确。
4.AD　原线圈接图甲所示的正弦式交流电,最大电压为36 V ,周期为0.02 s,故角速度为ω==100π rad/s,变压器原线圈两端电压的瞬时值表达式为u=36 sin 100πt(V),当t=0.01 s时,u=0,此时穿过该线圈的磁通量最大,B错误,A正确;原线圈电压不变,即V1示数不变,匝数比不变,则副线圈输出电压不变,温度升高时,Rt阻值减小,负载电阻变小,电流增大,则R两端电压增大,副线圈输出电压等于R和Rt两端电压之和,所以V2示数减小,则电压表V1、V2示数的比值增大,C错误;由C选项分析可知温度升高时,副线圈两端电压不变,电流增大,所以变压器输出功率增大,而输入功率等于输出功率,所以输入功率增大,D正确。
5.B　正弦交流电有效值和最大值之间的关系为U=,电压表显示的是有效值,所以原线圈两端所接理想电压表的读数为U1== V=3 V,A错误;根据变压器原、副线圈的电压关系=,可得副线圈两端电压的最大值为12 000 V,B正确;ω=100π rad/s,所以交流电的频率为f==50 Hz,C错误;一个周期内电压可两次达到最高电压12 000 V,故每间隔0.01 s点火一次,D错误。
6.C　当采用方式二时,设原、副线圈中的电压分别为U1、U2,电流分别为I1、I2,则根据理想变压器的特点有U1I1=U2I2,则可知错峰用电时,电网提供的电能为E2=3Pt+3R线t,t=1 h;当采用方式一时,由于用户电压恒定,即U2不变,则可知U1不变,但副线圈中的功率为3P,由3P=U2I2'及P=U2I2可知I2'=3I2,而原、副线圈匝数比不变,则可知原线圈回路中的电流为I1'=3I1,由此可知电网提供的电能为E1=3Pt+I1'2R线t=3Pt+9R线t,故A、B错误。3户用电器同时用电一小时,输电线路总电阻损耗的电能为ΔE1=I1'2R线t=9R线t,3户用电器单独用电各1小时,输电线路总电阻损耗的电能为ΔE2=3R线t,则可得=3,故C正确,D错误。故选C。
7.答案　(1)没有电压　见解析　(2)见解析
解析　(1)由题文中提取的有用信息是:“火线和零线采用双线绕法”,正常工作时通过两线的电流时刻大小相等、方向相反,在铁芯中磁通量时刻为零,因此,在Q所接线圈中不会产生电磁感应,a、b间没有电压。
(2)手误触火线时,通过人体的电流不通过零线,所以通过火线的电流大于通过零线的电流,铁芯中磁通量发生变化,因此,在Q所接线圈中发生电磁感应现象,a、b间有电压,Q会使脱扣开关断开,用户的供电被切断。
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