新人教版选择性必修第二册2023版高中物理 第三章 交变电流单元素养评价（含解析）

单元素养评价(三)　交变电流
(时间：75分钟　满分：100分)
一、单项选择题：本题共7小题，每小题4分，共28分．在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的．
1．[2022·广东肇庆高二检测]如图甲所示是目前市面上流行的手摇手机充电器，它体型小，携带方便，可以在紧急状态下给手机临时充电．若某人摇动手柄给手机充电时，其内部线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动，当线圈转到图乙所示位置时，下列说法正确的是 (　　)
A.线圈中无电流
B．电流方向将发生改变
C．线圈中的电流最大
D．穿过线圈磁通量的变化率为0
2．某电容器两端所允许加的最大直流电压是250V．它在正弦交流电路中使用时，交流电压有效值可以是(　　)
A．250V　　　　　　B．220VC．352V　　　　　　D．176V
3．在变电所，经常要用交流电表去监测电网上的强电流，使用的仪器是电流互感器．如图所示的四个图中，能正确反映其工作原理的是 (　　)
4.
如图所示为某高压变电所通过变压器向一工厂送电，输送电压为U，输送功率为P，导线电阻为R，下列说法正确的是 (　　)
A．如果输送功率与导线电阻不变，输送电压变为原来的2倍，则损失功率变为原来的4倍
B．如果输送功率与输送电压不变，导线电阻变为原来的2倍，则损失功率变为原来的
C．输送功率P的具体数值由工厂的用电情况决定
D．输送功率P的具体数值由变电所决定，与工厂的用电情况无关
5．一矩形线圈绕垂直于匀强磁场并位于线圈平面内的固定轴转动，产生的正弦式交变电压的波形图如图所示，下列说法正确的是 (　　)
A.交变电压的最大值是311V
B．线圈转动的周期是1s
C．2s末通过线圈的磁通量的绝对值最大
D．2s末通过线圈的磁通量变化率的绝对值最小
6．一个矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁感线的轴匀速转动，穿过线圈的磁通量随时间变化的图像如图甲所示．则下列说法正确的是 (　　)
A.t＝0时刻，线圈平面与中性面垂直
B．t＝0.01s时刻，Φ的变化率最大
C．t＝0.02s时刻，感应电动势达到最大
D．该线圈产生的感应电动势的图像如图乙所示
7．[2022·湖北部分重点中学联考]手机无线充电技术越来越普及，其工作原理如图所示，其中送电线圈和受电线圈匝数比为n1∶n2＝5∶1，两个线圈中所接电阻的阻值均为R.当ab间接上220V的正弦交变电源后，受电线圈中产生交变电流给手机快速充电，这时手机两端的电压为5V，充电电流为2A．若把此装置视为理想变压器，下列说法正确的是 (　　)
A.R的值为187.5Ω
B．快速充电时，cd间电压U2＝44.5V
C．快速充电时，送电线圈的输入电压U1＝214.5V
D．快速充电时，送电线圈的输入功率为85W
二、多项选择题：本题共3小题，每小题6分，共18分．在每小题给出的四个选项中，有多项符合题目要求．全部选对的得6分，选对但不全的得3分，有选错的得0分．
8．匀强磁场中有一长方形导线框，分别以相同的角速度绕图甲、乙、丙、丁所示的固定转轴旋转，用Ia、Ib、Ic、Id分别表示甲、乙、丙、丁四种情况下线框中电流的有效值，则 (　　)
A．Ia＝Id　　　　　　　B．Ia>IbC．Ib>Ic　　　　　　　D．Ic＝Id
9．一个单匝矩形线框的面积为S，在磁感应强度为B的匀强磁场中，从线框平面与磁场垂直的位置开始计时，转速为n，则 (　　)
A．线框产生的感应电动势的最大值为nπBS
B．线框产生的感应电动势的有效值为nπBS
C．从开始转动经过周期，线框中的平均感应电动势为4nBS
D．线框产生的感应电动势的瞬时值e＝nπBSsin2nπt
10．特高压输电可使输送中的电能损耗和电压损失大幅降低．我国已成功掌握并实际应用了特高压输电技术．假设从A处采用550kV的超高压向B处输电，输电线上损耗的电功率为ΔP，到达B处时电压下降了ΔU.在保持A处输送的电功率和输电线电阻都不变的条件下，改用1100kV特高压输电，输电线上损耗的电功率变为ΔP′，到达B处时电压下降了ΔU′.不考虑其他因素的影响，则(　　)
A．ΔP′＝ΔP　　　　B．ΔP′＝ΔPC．ΔU′＝ΔU　　　　D．ΔU′＝ΔU
三、非选择题：本题共5个小题，共54分．
11．(6分)为探究变压器原、副线圈两端电压与匝数的关系，我们把没有用导线相连的线圈套在同一闭合的铁芯上，一个线圈连到电源的输出端，另一个线圈连到小灯泡上，如图所示，试回答下列问题：
(1)线圈应连到学生电源的________(填“直流”或“交流”)输出端上；
(2)将与灯泡相连的线圈拆掉部分匝数，其余装置不变继续实验，灯泡亮度将________(填“变亮”或“变暗”)，这说明灯泡两端的电压________(填“变大”或“变小”).
12.
(10分)某研究性学习小组的同学想用220V交流电源作为某小型电器的电源．他先制作了一个能使交流变为直流的整流器，但是这个整流器需要用6V的交流电源，于是他又添置了一台“220V　6V”的变压器，如图所示．他看到这个变压器上有a、b、c、d四个引出线头，且a、d引线比b、c引线粗．
(1)他不知道如何接线，也没有相应的说明书．你觉得正确的接法是a、d端接________．(选填“220 V”或“6 V”).
(2)这台“220V　6V”的理想变压器接6V的线圈匝数是300匝，则接220V的线圈匝数是________匝．
(3)为了进一步探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系，他又取匝数Na＝80匝和Nb＝160匝的一个变压器重新接在电源上，测量结果记录如表，则接电源的是________(选填“Na”或“Nb”).
Ua/V 1.80 2.80 3.80
Ub/V 4.00 6.01 8.02
13.(10分)[2022·山西忻州检测]黑光灯是利用物理方法灭蛾杀虫的一种环保型设备，它发出的紫色光能够引诱害虫飞近黑光灯，然后被黑光灯周围的交流高压电网“击毙”．如图所示是高压电网的工作电路，高压电网是利用变压器将有效值为220V的交流电压变成高压，高压电网相邻两极间的距离为0.5cm，已知空气在常温常压下的击穿场强为6220V/cm，为防止空气被击穿而造成短路，变压器的次、初级线圈匝数比不得超过多少？
14．(12分)输电演示电路如图所示，左侧变压器原、副线圈匝数比为1∶3，输入电压为6.0V的正弦交流电．连接两理想变压器的导线总电阻不可忽略，负载R的阻值为2Ω，开关S接1时，右侧变压器原、副线圈匝数比为2∶1，R上的功率为18W，求：
(1)连接两理想变压器的导线总电阻的阻值；
(2)开关S接2时，右侧变压器原、副线圈匝数比为1∶2，该输电线路输送的总电功率是多少？
15．(16分)南海上某哨塔想采用浮桶式波浪发电机补充生活用电，其原理简化如图甲所示．能产生如图乙所示的辐向磁场的磁体通过支柱固定在暗礁上，线圈内置于浮桶中．浮桶随波浪相对磁体沿竖直方向运动，且始终处于磁场中．该线圈与阻值R＝16Ω的指示灯相连．如图乙所示，浮桶下部由内、外两密封圆筒构成，斜线阴影部分为浮桶截面，其余阴影部分为产生磁场的磁体；匝数N＝100匝的线圈所在处辐向磁场的磁感应强度B＝0.4T，线圈直径D＝0.4m，内阻不计．假设浮桶振动的速度可表示为v＝πsinm/s，取π2≈10，求：
(1)图甲中，当t＝0.25s时，流过指示灯的电流大小；
(2)灯丝在1h内产生的焦耳热．
单元素养评价(三)　交变电流
1．解析：当线圈绕垂直于磁感线的轴匀速转动时，产生正弦式交流电，当线圈转到图乙所示位置时，线圈中电流最大，磁通量的变化率最大，电流方向不发生改变，故C正确．
答案：C
2．解析：此电容器两端所允许加的最大直流电压是250V，则此电容器两端所允许加的交流电路的电压最大值是250V，根据正弦式交变电流的有效值公式得：U＝≈V≈176.8V，选项D正确．
答案：D
3．解析：电流互感器是测电流的，应串联在火线上，故B、D错误；由变压器电流关系n1I1＝n2I2，要使I2n1，故A正确，C错误．
答案：A
4．解析：如果输送功率与导线电阻不变，输送电压变为原来的2倍，根据损失功率的公式得P损＝R，可知损失功率变为原来的，故A错误；如果输送功率与输送电压不变，则输送电流不变，导线电阻变为原来的2倍，根据损失功率的公式得损失功率变为原来的2倍，故B错误；根据理想变压器的输入功率由输出功率来决定，如果工厂的机器不工作，即用户不消耗电能，输入功率为零，所以输送功率P的具体数值由工厂的用电情况决定，故C正确，D错误．
答案：C
5．解析：由题图可知，交变电压的最大值为311V，A正确；线圈转动的周期为2s，B错误；2s末对应的瞬时电压值为最大值，根据交变电流的产生原理可知，此时线圈平面与中性面垂直，穿过线圈的磁通量为0，磁通量变化率的绝对值最大，C、D错误．
答案：A
6．解析：t＝0时刻，穿过线圈的磁通量最大，线圈处于中性面的位置，选项A错误；t＝0.01s时刻，Φ的变化率最大，选项B正确；t＝0.02s时刻，穿过线圈的磁通量的变化率为零，则感应电动势为零，选项C、D错误，
答案：B
7．解析：对送电线圈有220V＝I1R＋U1，受电线圈有U2＝I2R＋5V，由原、副线圈电流和匝数的关系得＝，＝，联立解得U1＝212.5V，U2＝42.5V，R＝18.75Ω，故A、B、C错误；变压器原、副线圈的功率相等，则送电线圈的输入、功率P1＝P2＝U2I2＝42.5×2W＝85W，故D正确．
答案：D
8．解析：导线框绕题图甲、乙、丙、丁所示的固定转轴旋转，产生的感应电动势最大值相同，由Em＝NBSω，Em＝E，I＝，联立可得I＝，故A、D正确．
答案：AD
9．解析：线框产生的感应电动势的最大值Em＝BSω＝2nπBS，产生的感应电动势的瞬时值为e＝2nπBSsin2nπt，A、D错误；线框产生的感应电动势的有效值E＝＝nπBS，B正确；周期T＝，则从开始转动经过周期，线框中的平均感应电动势E＝＝4nBS，C正确．
答案：BC
10．解析：由电功率公式得ΔP＝I2R，输电线上电压下降ΔU＝IR，输电电流为I＝，在输送的电功率和输电线电阻都不变时，U变为原来的2倍，电流变为原来的，则ΔP′＝ΔP，ΔU′＝ΔU，A、D正确，B、C错误．
答案：AD
11．解析：(1)变压器利用交流电工作，所以线圈应连到学生电源的交流输出端；
(2)副线圈匝数减少，副线圈两端的电压降低，所以灯泡将变暗．
答案：(1)交流　(2)变暗　变小
12．解析：(1)因为理想变压器的输入功率等于输出功率，采用的是降压变压器，根据P＝UI可知，副线圈中的电流大，为了减小输电线上功率的损失，副线圈电线电阻要小，由公式R＝ρ知，引线要粗，故a、d端接6V.
(2)根据变压器工作原理知＝，若理想变压器接6V的线圈匝数是300匝，则接220V的线圈匝数是11000匝.
(3)理想变压器是忽略变压器的铜损、铁损与磁损的，但一些小型的变压器的损耗常常不能忽略不计；考虑到这些损耗，则变压器副线圈两端的电压要小于理论值．由题知＝＝，则<，结合表格中的数据可知，接电源的是Nb.
答案：(1)6V　(2)11000　(3)Nb
13．解析：电网两极间电场可看作匀强电场且Um＝Emd，由题意知空气被击穿时Em＝6220V/cm，已知理想变压器电压关系为＝，峰值与有效值关系为U1m＝U1，由以上各式得≈，所以变压器次、初级线圈匝数比不得超过10∶1.
答案：10∶1
14．解析：(1)设左侧变压器原、副线圈的电压分别为U1、U2，右侧变压器原、副线圈的电压分别为U3、U4，则U1＝6.0V
U2＝U1＝18V
U4＝＝6V
U3＝U4＝12V
右侧变压器副线圈中电流为
I4＝＝3A
右侧变压器原线圈中电流为
I3＝I4＝1.5A
连接两理想变压器的导线总电阻阻值为
r＝＝4Ω.
(2)接2时，通过电阻的电流为I′4＝
两变压器之间导线中的电流为I′3＝I′4＝2I′4
右侧变压器原线圈的电压为U′3＝U2－I′3r
而＝＝
联立以上四式解得I′3＝4A
所以I′1＝I′3＝12A
则该输电线路输送的总电功率是P＝U1I′1＝72W.
答案：(1)4Ω　(2)72W
15．解析：(1)根据v＝πsinm/s可得，当t＝0.25s时浮桶振动的速度v＝πsin (×0.25) m/s＝πm/s，则线圈切割磁感线产生的感应电动势E＝NBLv＝NBπDv＝8V，由欧姆定律得I＝＝A.
(2)经过平衡位置时，浮桶振动的速度最大，为vmax＝πm/s，
此时线圈产生的感应电动势Emax＝NBπDvmax＝16V，
则流过指示灯的最大电流Imax＝＝A，
由于浮桶振动的速度随时间的变化规律为正弦函数，故产生正弦式交变电流，故电流的有效值I有效＝＝1A，
由焦耳定律可得，灯丝在1h内产生的焦耳热Q＝IRt＝57600J.
答案：(1)A　(2)57600J