2020高考物理 专题8直流电路和交流电路热点分析与预测

2020高考物理热点分析与预测专题8直流电路和交流电路 一、2020大纲解读本专题包含的内容有直流电路、交流电路的分析以及电磁感应现象与电路的综合应用等，涉及的考点较多，考纲对这一部分的要求，除了电阻率与温度的关系和电阻、半导体及其应用，超导及其应用、电感和电容对交变电流的作用、电能的输送，这几部分知识点为I级要求，2020大纲中定为级要求的知识点有：电流、欧姆定律、电阻和电阻定律；电阻的串联、并联，串联电路的分压作用，并联电路的分流作用；电功和电功率，串联、并联电路的功率分配；交流发电机及其产生正弦式电流的原理，正弦式电流的图象和三角函数表达式，最大值与有效值，周期与频率；变压器的原理，电压比和电流比直流电路的分析与计算是高考的热点，可以结合实验的分析进行考查，重点考查欧姆定律的应用及功率的求解交流电路部分由于与工农业生产和日常生活紧密结合，在近几年的高考中考查的频度较高，重点考查交流电有效值、变压器的有关知识电磁感应中的电路问题是综合性较强的高考热点之一，该内容一般综合法拉第电磁感应定律、楞次定律、直流电路知识、磁场知识等多个知识点，还可以结合图象进行考查，解答过程中对考生的综合应用能力要求较高二、重点剖析电路这一部分以部分电路欧姆定律为中心，包括六个基本物理量（电压、电流、电阻、电功、电功率、电热），三条定律（部分电路欧姆定律、电阻定律和焦耳定律），以及若干基本规律（串、并联电路特点等）；其二是以闭合电路欧姆定律为中心，讨论电动势的概念，闭合电路中的电流、路端电压以及闭合电路中能量的转化；其三，对高中物理所涉及的三种不同类别的电路进行比较，即恒定电流电路、变压器电路、远距离输电电路，比较这些电路哪些是基本不变量，哪些是变化量，变化的量是如何受到不变量的制约的,其能量是如何变化的。本题专题的重点内容有：（1）动态直流电路的分析：电路中某些元件（如滑线变阻器的阻值）的变化，会引起电流、电压、电阻、电功率等相关物理量的变化，解决这类问题涉及到的知识点多，同时还要掌握一定的思维方法。（2）非纯电阻电路的分析与计算。非纯电阻电路是指电路含有电动机、电解槽等装置，这些装置的共同特点是可以将电能转化为机械能、化学能等其他形式的能量。（3）稳态、动态阻容电路的分析与计算。此类问题往往较难，但却是高考考查的重点。由于此类问题能够考查考生理论联系实际的能力，对灵活运用知识的能力要求较高，所以可能成为近几年考查重点。（4）非线性电路的分析与求解。非线性电路包括含二极管电路和白炽电灯电路，由于这类元件的伏安特性不再是线性的，所以求解这类问题难度更大。（5）交流电的产生，变压器的原理、电压比电流比公式的简单应用，远距离输电中的电能损失等在高考中时常出现。三、考点透视考点一：直流电路的分析和计算例1。一个T型电路如图所示，电路中的电, 。另有一测试电源，电动势为100V，内阻忽略不计。则（ ）A.当cd端短路时，ab之间的等效电阻是40B. 当ab端短路时，cd之间的等效电阻是40C. 当ab两端接通测试电源时， cd两端的电压为80 VD. 当cd两端接通测试电源时， ab两端的电压为80 V例2电动势为E、内阻为r的电源与定值电阻R1、R2及滑动变阻器R连接成如图所示的电路。当滑动变阻器的触头由中点滑向b端时，下列说法正确的是( )A.电压表和电流表读数都增大 B.电压表和电流表读数都减小C.电压表读数增大，电流表读数减小 D.电压表读数减小，电流表读数增大答案：A解析触头由中点滑向b端时，外电路总电阻R总增大，干路电流I减小，故电源内部压降Ur、定值电阻R1上压降UR1减小，路端电压U、并联电路电压U增大，即电压表、电流表示数均增大。点拨：电路中某些元件的变化，会引起电流、电压、电阻、电功率等相关物理量的变化，解决这类问题涉及到的知识点多，同时还要掌握一定的思维方法，能很好的考查考生的综合应用能力，在近几年高考中已多次出现。考点二：交流电路的分析与计算例3某理想变压器原、副线圈的匝数比如图82所示负载中每个电阻均为110若输入电压为220V，则输入电流和功率分别是（ ）A5A，1100WB5A，880WC4A，1100WD4A，880W解析：当两电阻串联时，总电阻为2R，此时两端的电压为440V，所以W，而W，所以W，A考点三：电磁感应中的电路综合计算例4如图所示，水平放置的金属细圆环半径为0.1m，竖直放置的金属细圆柱（其半径比0.1m 小得多）的端面与金属圆环的上表面在同一平面内，圆柱的细轴通过圆环的中心O，将一质量和电阻均不计的导体棒一端固定一个质量为10g的金属小球，被圆环和细圆柱端面支撑，棒的一端有一小孔套在细轴O上，固定小球的一端可绕轴线沿圆环作圆周运动，小球与圆环的摩擦因素为0.1，圆环处于磁感应强度大小为4T、方向竖直向上的恒定磁场中，金属细圆柱与圆环之间连接如图电学元件，不计棒与轴及与细圆柱端面的摩擦，也不计细圆柱、圆环及感应电流产生的磁场，开始时S1断开，S2拔在1位置，R1=R3=4，R2=R4=6，C=30uF，求：（1）S1闭合，问沿垂直于棒的方向以多大的水平外力作用于棒的A端，才能使棒稳定后以角速度10rad/s匀速转动？（2）S1闭合稳定后，S2由1拔到2位置，作用在棒上的外力不变，则至棒又稳定匀速转动的过程中，流经R3的电量是多少？解析：（1）金属细圆柱产生的电动势为V，对整个系统由功能关系得，代入数据解得F=0.41N（2）S1闭合，S2拔到2位置，稳定后的金属细柱的解速度为，由对整个系统由功能关系得，代入数据解得=10rad/sS2拔1稳定后电容器两端的电压为V，且上板带正电S2拔2稳定后电容器两端的电压为V，且上板带负电电容器上的电量变化为C，所以流过R3的电量为C答案：（1） 0.41N （2） C点拨：本题解答关键在于正确确定各电键在断开与闭合时对应的电路结构图四、热点分析热点三：交流电的四值例5、一正弦交流电的电压随时间变化的规律如图83所示。由图可知（ ）A该交流电的电压瞬时值的表达式为u100sin(25t)VB该交流电的频率为25 HzC该交流电的电压的有效值为100D若将该交流电压加在阻值R100 的电阻两端，则电阻消耗的功率时50 W本题简介：本题考查交流电的瞬时值、有效值、最大值的理解，正确理解有效值的热效应定义。解析：从图象上可得交流电的电压的最大值为100V，周期为，得频率为25 Hz，所以得电压瞬时值的表达式为u100sin(50t)V；交流电的电压的有效值为50；计算电阻消耗的功率用有效值，由。答案：BD反思：正确理解交流电的瞬时值、有效值、最大值是解题的关键，在复习时，特别注意对交流电有效值的理解和计算。热点四：变压器的动态分析例6.如图84所示，电路中的变压器为理想变压器，S为单刀双掷开关。P是滑动变阻器R的滑动触头，U1 为加在原线圈两端的交变电压，I1、I2 分别为原线圈和副线圈中的电流。下列说法正确的是（）A保持P的位置及U1不变，S由b切换到a，则R上消耗的功率减小B保持P的位置及U1不变，S由a切换到b，则I2 减小C保持P的位置及U1不变，S由b切换到a，则I1增大D保持U1不变，S接在b端，将P向上滑动，则 I1减小本题简介：本题考查理想变压器的工作原理，变压器电路的原、副线圈的功率、电流、电压的关系；对于变压器的动态分析问题要弄清那些是不变量。解析：当S由b切换a时，副线圈匝数增多，即n2增大，根据可知，输出电压U2增大，R1消耗的功率也增大，所以A错；由变压器功率关系可知，其输入功率也增大，故I1增大，所以C对；S由a切换b时，副线圈匝数n2减少，则输出电压U2也减小，由得，I2 减小，所以B对；P向上滑动时，R减小，由得I2 增大，由电流与匝数的关系可知，I1增大，故D错；所以选BC。答案：BC反思：如果对变压器工作原理理解不透彻，对原副线圈中哪些是变量，哪些是不变量分不清楚，或不能清楚的知道各量间谁决定谁的关系，就不能正确解题。4. 电路功率的分析与计算例7、某同学设计了一个转向灯电路（如图所示），其中L为指示灯，L1、L2分别为左、右转向灯，S为单刀双掷开关，E为电源.当S置于位置1时，以下判断正确的是（ ）A. L的功率小于额定功率B. L1亮，其功率等于额定功率C. L2亮，其功率等于额定功率D. 含L支路的总功率较另一支路的大解析:当S置于位置1时，由电路图知，L与L2串联再与L1并联，由于含L支路的电阻较大，由知，消耗的功率较另一支路的小，故D错.因为电源的电动势为6V,且内阻为1，所以三盏灯两端的电压均小于6V（额定电压）,消耗的功率均小于额定功率，故A选项正确。答案：A反思：本题考查的是闭合电路欧姆定律、电功率，其误区在于B、C选项的判断，正正确电源电动势、闭合电路欧姆定律、电功率，是解决本题的关键。5.闭合电路欧姆定律例8、汽车电动机启动时车灯会瞬时变暗，如图85所示,在打开车灯的情况下，电动机未启动时电流表读数为10A，电动机启动时电流表读数为58A，若电源电动势为12.5 V、内阻为0.05, 电流表内阻不计, 则因电动机启动，车灯的电功率降低了( )A. 35.8W B. 43.2W C. 48.2 W D. 76.8 W6.电路故障的判断问题例9、如图所示的电路中，电源的电动势为6V,当开关S接通后，灯泡L1和L2都不亮，用电压表测得各部分的电压是Uab=6V,Uad=0V,Ucd=6V,由此可断定（ ）AL1和 L2的灯丝都烧短了 BL1灯丝烧短了CL2的灯丝烧断了 D.变阻器R断路解析：由Uab=6V可知，电源完好，灯泡都不亮，说明电路当中出现断路故障，且在a、b之间。由Ucd=6V可知，灯泡L1与变阻器R是通的，断路故障出现在c、d之间，故灯L2断路。所以选（C）正确。反思：（1）断路故障的判断：用电压表与电源并联，若有电压时，说明电源正常。再逐段与电路并联，若电压表指针偏转，则该段电路中有断点；（2）短路故障的判断：电流表有示数而用电器不工作则该支路短路，用电压表与该部分并联，若有电压时，未短路；若电压则该两点间可能短路，或被短路。热点六：用电路知识探究实际问题例10、环保汽车将为2020年奥运会场馆服务某辆以蓄电池为驱动能源的环保汽车，总质量m = 3103 kg, 当它在水平路面上以v =36 km/h的速度匀速行驶时，驱动电机的输入电流I =50A, 电压U =300V, 在此行驶状态下(1)求驱动电机的输入功率P电；(2)若驱动电机能够将输入功率的90转化为用于牵引汽车前进的机械功率P机 , 求汽车所受阻力与车重的比值 (g取10m/s2 )；(3)设想改用太阳能电池给该车供电，其他条件不变, 求所需太阳能电池板的最小面积. 结合计算结果, 简述你对该设想的思考已知太阳辐射的总功率P0 = 41026 W，太阳到地球的距离r=1.51011m，太阳光传播到达地面的过程中大约有30的能量损耗, 该车所用太阳能电池的能量转化效率约为 l5.解析 (1) 驱动电机的输入功率P电= U I =1.5104 W(2)在匀速行驶时 P机=0.9P电 , P机=F v =f v , 得 f =0.9P电 /v,汽车所受阻力与车重之比 f/mg = 0.9P电 /mgv =0.045(3)当阳光垂直P电 入射时, 所需板面积最小, 设其为S , 距太阳中心为r的球面面积 ,若没有能量损耗, 太阳能电池板接收到的太阳能功率为P, 则,设太阳能电池板实际接收到的太阳能功率为为P, P =(1-30)P, ,由于P电 =15P，所以电池板的最小面积 =101m2.分析可行性并提出合理的改进建议如下：由于所需太阳能电池板面积过大，远超过一般汽车的面积，因此只有大幅度提高电池板的效率, 才可以投入实际应用答案 (1) 1.5104W (2)f/mg=0.045 (3) 电池板的最小面积101m2, 分析可行性并提出合理的改进建议见解析反思：本题涉及电机的功率、能量守恒、效率概念、平衡条件等知识, 考查考生运用电路知识解决联系实际问题的能力.第（3）问“结合计算结果, 简述你对该设想的思考”, 考查了考生 “分析与论证”和“自主探究”的能力. “科学、技术和社会”（STS）教育是世界各国教育改革中形成的一股潮流，它主张教育中应该强调科学技术在社会生产、生活中的应用, 新课程改革体现了这一理念,考试大纲明确提出：要求考生“了解自然科学发展的最新成就和成果及其对社会发展的影响，并能与已学的知识结合起来解决问题”, 近年高考试卷上出现了许多结合社会实际和科技前沿的好题，这些试题比较真实和全面地模拟现实, 复习中要关注这些社会热点，关注科技前沿的发展及其应用，并注意这些命题背景与考试大纲的知识结构、能力要求的联系.五、能力突破 例1.如图86所示是一火警报警器的部分电路示意图，其中R3为用半导体热敏材料制成的传感器，值班室的显示器为电路中的电流表，a、b之间接报警器.当传感器R3所在处出现火情时，显示器的电流I、报警器两端的电压U的变化情况是（ ）A、I变大，U变大 B、I变大，U变小C、I变小，U变小 D、I变小，U变大解析：当出现火情、温度升高，对于半导体热敏电阻，其电阻减小，所以显示器的电流I、报警器两端的电压U均减小。答案：C反思：本题与实际相联系，考查了半导体的电阻随温度变化的规律及电路的动态分析问题，能很好地考查同学们的分析问题的能力，提高学习物理的兴趣。例2.高温超导限流器被公认为目前最好的且唯一行之有效的短路故障电流限制装置。中国科学院电工研究所完成了一种具有自主知识产权的高温超导限流器样机的研制工作，超导限流器由超导部件和限流电阻并联组成，如图87所示.超导部件有一个超导临界电流Ic，当通过限流器的电流IIc时，将造成超导体失超，从超导态(本题认为电阻为零)转变为正常态(本题认为是一个纯电阻)，以此来限制电力系统的故障电流。已知超导部件的正常态电阻为R1=3，超导临界电流Ic=1.2A，限流电阻R2=6，小灯泡L上标有“6V6W”，电源电动势E=8V，内阻r=2.原来电路正常工作，现L突然发生短路，则（ ）A、短路前通过R1的电流为2/3A B、超导部件将由超导态转为正常态C、短路后通过R1的电流为4/3A D、短路后通过R1的电流为2A反思：本题以新情景下考查了闭合电路的欧姆定律及部分电路的欧姆定律的知识，同学们要能从长篇的背景介绍中提取有用的解题信息。例3.如图88所示是实验时用的原、副线圈都有中间抽头的理想变压器，在原线圈上通过一个单刀双掷开关与一只安培表连接，在副线圈上通过另一个单刀双掷开关与一个定值电阻相连接，通过、可以改变原、副线圈的匝数，在原线圈上加一电压为U的交流电后，当接a，接c时，安培表的示数为；当接a，接d时，安培表的示数为；当接b，接c时，安培表的示数为；当接b，接d时，安培表的示数为，则（ ）A、 B、C、 D、解析：设变压器原、副线圈的匝数分别为、，所接交流电的电压，理想变压器在原线圈上的输入功率与在副线圈的输出功率相同，即，当接a，接c时，在定值电阻上消耗的功率而在原线圈的输入功率，又，当接a，接d时，不变，接b，接c时，即，；，当接b，接d时，即，答案：BU/VI/A024680.20.40.6图89反思：本题的情况多，物理量也多，同学们要能分步进行分析，对于变压器的动态分析问题要注意谁决定谁的问题。例4.图1中所示为一个电灯两端的电压与通过它的电流的变化关系曲线，可见两者不成线性关系，这是由于焦耳热使灯丝的温度发生了变化的缘故.参考这根曲线，回答下列问题(不计电流表和电池的内阻).(1)若把三个这样的电灯串联后，接到电动势为12V的电源上，求流过灯泡的电流和每个灯泡的电阻.(2)如图810所示，将两个这样的电灯并联后再与10的定值电阻串联，接在电动势为8V的电源上，求通过电流表的电流值及各灯泡的电阻值.AR0图810 解析：(1)由于三个电灯完全相同中，所以每个电灯两端的电压UL=12/3V=4V，在图3中画出U=4V的直线，得到和曲线的交点坐标为(4V，0.4A)，所以流过电灯的电流为0.4A，此时每个电灯的电阻值为.U/VI/A024680.20.40.6图811(2)设此时电灯两端的电压为U，流过每个电灯的电流为I，根据闭合电路欧姆定律得：E=2IR0+U，代入数据得：U=8-20I.在图89上画出此直线，得到如图811所示的图象，可求得到直线和曲线的交点坐标为(2V，0.3A)，即流过电灯的电流为0.3A，流过电流表的电流强度为0.6A，此时电灯的电阻为.反思：题中的电阻变化是非线性的，所以其电阻值不能直接求得，只能从图象上得出电流和电压再求之，另外要注意图象中交点的物理意义。例5.如图812所示电路中，电源电动势E=6V，内阻r=1，电阻R1=3，R2=6，电容器的电容C=3.6F，二极管D具有单向导电性，开始时开头S1闭合，S2断开.(1)合上S2，待电路稳定以后，求电容器C上电量变化了多少？(2)合上S2，待电路稳定以后再断开S1，求断开S1后，流过R2的电量是多少？解析：s1闭合，s2断开时，电容器两端电压：U1=I1R1=4.5VS2闭合后有：I2=2A电压U2=I2=4V电容器上电量变化了Q=(U2-U1)C=-1.810-6C(2)合上S2后电容器上的电量Q=CU2=1.4410-6C断开s1后，R1，R2并联，电阻与电流成反比，又q=It，因此流过的电量与电阻成反比，流过R2的电量Q2=Q=4.810-6C反思：含容电路和分析是高考的热点，解决此类问题要明确电容器两极板的电压是多少，有时还需注意极板带电的电性。例6.如图甲所示为一个灯泡两端的电压与通过的电流的关系曲线，参考这根曲线回答下列问题（不计电流表和电池的内阻）（1）若把三个这样的灯泡串联后，接到电动势为12 V的电源上，则流过灯泡的电流为 A，每个灯泡的电阻为 （2）如图乙所示，将两个这样的灯泡并联后再与l 0的定值电阻串联，接在电动势为8V的电源上，求通过电流表的电流为 A，各灯泡的电阻值为 U/VI/A024680.20.40.6解析：（1）因三个灯泡的电阻相同，故每个灯泡的电压也相同，都为4V结合灯泡的伏安特性曲线可知，此时流过灯泡的电流为0.4A，每个灯泡的电阻为10（2）设每盏灯的电压为U，电流为I则有： ，作图线如图所示解得 V，故通过电流表的电流为0.6A，各灯泡的电阻值为6.7答案：（1）0.4A 10 （2）0.6A 6.7反思：不能通过图象的转换，巧妙利用图象交点的物理含义求解例2在磁感应强度为B=0.4 T的匀强磁场中放一个半径r0=50 cm的圆形导轨，上面搁有互相垂直的两根导体棒，一起以角速度=103 rad/s逆时针匀速转动圆导轨边缘和两棒中央通过电刷与外电路连接，若每根导体棒的有效电阻为R0=0.8 ，外接电阻R=3.9 ，如图所示，求：（1）每半根导体棒产生的感应电动势（2）当电键S接通和断开时两电表示数分别为多少？（假定两电表均为理想电表）解析：（1）每半根导体棒产生的感应电动势为：E1=Bl=Bl2=.4103（0.5）2 V=50 V（2）两根棒一起转动时，每半根棒中产生的感应电动势大小相同、方向相同（从边缘指向中心），相当于四个电动势和内阻相同的电池并联，得总的电动势和内电阻：为E=E1=50 V，r=R0=0.1 当电键S断开时，外电路开路，电流表示数为零，电压表示数等于电源电动势，为50 V当电键S接通时，全电路总电阻为：R=r+R=（0.1+3.9）=4由全电路欧姆定律得电流强度（即电流表示数）为：I= A=12.5 A此时电压表示数即路端电压为：U=E-Ir=50-12.50.1 V=48.75 V（电压表示数）或U=IR=12.53.9 V=48.75 V答案：（1）50V （2）电键S断开 0A 50V 电键S接通 12.5 A 48.75 V反思：本题在求解两导体棒产生电动势时容易出错，不能正确理解各电源的连接关系。六、规律整合：1等效简化电路：电路等效简化的方法是：无电流的支路除去，电势相等的点合并，理想导线任意长度，可伸可缩；理想的电流表视为短路，理想的电压表和电压稳定时的电容器视为断路。2电路故障问题的分析：一般若用电压表测量两点间有读数，表明从两测量点到电源部分的电路部分无断路，若读数等于电源的电动势，表明两测量点之间有断路。3电路分析法：在恒定电流电路中，如果题目不加特殊强调，电源的电动势和内电阻是基本不变量，在外电阻改变时其他量的变化受到基本不变量的制约。欧姆定律将这些物理量联系起来。在变压器电路中，如果题目不加特殊强调，变压器的输入电压不变，其他量改变时受到这个基本不变量的制约在远距离输电电路中，如果题目不加特殊强调，发电厂输出的电功率不变，其他量改变时受到这个基本不变量的制约4能量守恒法：在电路这一部分内容中，不论是直流电路，还是交流电路，也要学会从能量转化和守恒的角度去解决这些问题例如在纯电阻电路中，电路消耗的电能，当然只能在电阻上转化为热能如果电路中接有电动机、蓄电池等非纯电阻元件，电能大部分就要转化成机械能输出对外做功，或者转化成化学能储存在蓄电池中，对整个电路来说欧姆定律就不再适用了。七、高考预测本专题内容主要讨论了恒定电流的产生，电源的作用，电路的组成，电流、电压、功率以及能量转化关系，还有闭合电路欧姆定律、串并联电路等等内容，与实际联系紧密，象超导现象及其在生产、科技方面的应用，该知识点与高科技，日常生活的联系较大，贴近生活符合现代高考的对知识应用和能力的考查，本专题的内容在2020年高考中大约占总分的百分之十五左右，以单独命题占多数，也可以与牛顿运动定律、动量和能量、电磁感应相结合，基本题型是以选择题、实验题或计算题出现。如以选择题出现难度一般不大，若以实验题和计算题出现，则属于较难的题。