第10讲 直流电路与交变电流(复习讲义)-【优化探究】2026年高考物理二轮专题复习配套课件（广东专版）

专题四　电路与电磁感应 [构建知识网络] 第10讲　直流电路与交变电流 [高考素养]　1.会用闭合电路欧姆定律分析电路各部分之间的相互关系。2.能利用能量守恒定律和焦耳定律分析电学中的能量转化问题。3.掌握交变电流的产生与描述、四值的特点和相关计算。4.理解变压器的原理,会分析交流电路的动态变化以及远距离输电问题。 课堂巩固　强化关键能力 考点一　直流电路的分析 考点二　交变电流的产生和描述 考点三　理想变压器 远距离输电 内容索引 考点一　直流电路的分析 一 8 1.闭合电路欧姆定律的三个公式 (1)E=U外+U内(任意电路); (2)E=U外+Ir(任意电路); (3)E=I(R+r)(纯电阻电路)。 2.直流电路动态分析的两种常用方法 (1)程序分析法:遵循“局部—整体—局部”的思路,其流程如下: (2)结论法,即“串反并同”法 ①“串反”——某一电阻增大(减小)时,与它串联或间接串联的电阻中的电流、两端电压、消耗的电功率都减小(增大)。 ②“并同”——某一电阻增大(减小)时,与它并联或间接并联的电阻中的电流、两端电压、消耗的电功率都增大(减小)。 3.闭合电路中几种常见图像的比较 类型 公式 图像 特例 I-R 图像 I= 短路R=0,I=,图线始端; 断路R=∞,I=0,图线末端 U-R 图像 U= 短路R=0,U=0,U内=E; 断路R=∞, U=E,U内=0 U-I 图像 U=E-Ir 短路R=0,I=,U=0; 断路R=∞,I=0,U=E 考向1　闭合电路欧姆定律、电路中的能量分析 [例1]　(2025·广东深圳一模)如图所示,电源电动势E=10 V,内阻r=1 Ω,电动机内阻r0=0.5 Ω,闭合开关S,小灯泡L恰好正常发光,电动机正常工作,此时理想电压表示数为8.0 V,理想电流表示数为1 A。下列说法正确的是(　　) A.小灯泡额定功率为8 W B.电动机正常工作时发热功率为0.25 W C.电源的输出功率为18 W D.电动机正常工作时其输出的机械功率为8 W A [解析]　根据闭合电路欧姆定律有E=U+I'r,通过小灯泡的电流为IL=I'-I,小灯泡额定功率为P=UIL,代入数据解得P=8 W,故A正确;电动机正常工作时发热功率为Pr0=I2r0=0.5 W,故B错误;电源的输出功率为P'=UI'=16 W,故C错误;电动机正常工作时其输出的机械功率为P″=UI-Pr0=7.5 W,故D错误。 考向2　直流电路的动态分析 [例2]　(2025·广东惠州一模)如图所示,电源的电动势为3 V、内阻为2 Ω, R1的电阻为8 Ω,电容器的电容为600 μF,所有电压表和电流表均视为理想电表。在将滑动变阻器R2(最大阻值为8 Ω)的滑片由上端缓慢地滑到下端的过程中,下列说法正确的是 (　　) A.V1示数增大,V2示数减小 B.R2消耗的电功率先增大后减小 C.R1两端的最大电压为2 V D.电容器极板上增加的电荷量为8×10-4 C D [解析]　将滑动变阻器的滑片由上端缓慢地滑到下端的过程中,滑 动变阻器接入电路的阻值变大,则总电阻变大,根据闭合电路欧姆定 律可知,电路总电流减小,路端电压增大,则V1示数增大,R1两端电压 减小,则滑动变阻器R2两端电压增大,即V2示数增大,故A错误;R2消耗的电功率为P2=I2R2= ()2R2=,根据数学知识可知,当R2=R1+r=10 Ω时,R2消耗的电功率最大,由于R2的最大值为8 Ω,则R2消耗的电功率一直增大,故B错误;当R2接入电路的阻值为0时,电路电流最大,则有Imax== A=0.3 A,则R1两端的最大电压为U1max=ImaxR1=0.3× 8 V=2.4 V,故C错误;滑动变阻器的滑片在上端时,接入电路阻值为0,则电容器两端电压为0,当滑动变阻器的滑片在下端时,根据闭合电路欧姆定律可得I== A= A,则电容器两端电压为U=IR2=×8 V= V,则电容器极板上增加的电荷量为ΔQ=CΔU=600×10-6× (-0)C=8×10-4 C,故D正确。 直流电路的最大功率的分析方法 1.当R一定时,由P=I2R知,I越大,P越大。 2.当r一定、R变化时,P出随R的变化情况可通过下面两个图像进行分析。 反思提升 P出-R图像(适用于纯电阻电路) P出-I图像(适用于任意电路) P出=R P出=EI-I2r 短路:I=,P出=0 断路:I=0,P出=0 当R=r时,P出最大,P出= 短路:I=,P出=0 断路:I=0,P出=0 当I=时,P出最大,P出= [例3]　(2025·广东湛江期末)热水器中常用热敏电阻实现温度控制。如图是一学习小组设计的模拟电路,R1为加热电阻丝,R2为正温度系数的热敏电阻(温度越高电阻越大),C为电容器,灯泡的电阻可认为不变。S闭合后,当温度升高时 (　　) A.电容器C的带电荷量减小 B.灯泡L变暗 C.电容器C两极板间的电场强度增大 D.R1消耗的功率增大 C [解析]　由电路图可知,R2与R1串联,再与L并联,S闭合后, 当温度升高时,R2的电阻增大,外电路的总电阻增大,根据闭 合电路欧姆定律I=可知,干路中的总电流I减小,根据 U外=E-Ir可知,路端电压U外增大,即灯泡L两端的电压增大,根据IL=可知,流过灯泡的电流IL增大,故灯泡变亮;根据I=IL+I1可知,流过R1的电流I1减小,根据U1=I1R1可知,R1两端的电压U1减小,根据U外=U1+U2可知,R2两端的电压U2增大,即电容器两端的电压增大,根据Q=U2C可知,电容器所带的电荷量增大,故A、B错误。根据E=可知,电容器C两极板间的电场强度增大,故C正确。根据P1=R1可知,R1消耗的功率减小,故D错误。 电容器的特点 1.只有当电容器充、放电时,电容器所在支路中才会有电流,当电路稳定时,电容器所在的支路相当于断路。 2.电路稳定时,与电容器串联的电路中没有电流,同支路的电阻相当于导线,电容器两端的电压等于与之并联的电阻两端的电压。 反思提升 二 考点二　交变电流的产生和描述 21 1.线圈通过中性面时的特点 (1)穿过线圈的磁通量最大。 (2)线圈中的感应电动势为零。 (3)线圈每经过中性面一次,感应电流的方向改变一次。 2.有效值的计算 (1)正弦式交变电流:有效值是最大值的,即E=,I=,U=。 (2)非正弦式交变电流 ①计算有效值时,要根据电路中“相同时间”内“相同电阻”上产生“相同热量”列式求解; ②分段计算电热,求和得出一个周期内产生的总热量; ③利用两个公式Q=I2Rt和Q=t可分别求得电流的有效值和电压的有效值。 3.正弦式交变电流“四值”的应用 [例4]　(2024·广东卷)将阻值为50 Ω的电阻接在正弦式交流电源上。电阻两端电压随时间的变化规律如图所示。下列说法正确的是(　　) A.该交流电的频率为100 Hz B.通过电阻的电流的峰值为0.2 A C.电阻在1 s内消耗的电能为1 J D.电阻两端电压的表达式为u=10sin(100πt)V D [解析]　由题图可知交流电的周期为0.02 s,则频 率为f==50 Hz,故A错误;根据图像可知电压的峰 值为10 V,根据欧姆定律可知电流的峰值Im== A=0.2 A,故B错误;电路中电流的有效值为I==0.2 A,所以电阻在1 s内消耗的电能为W=I2Rt=0.22×50×1 J=2 J,故C错误;根据图像可知电阻两端电压的表达式为u=Umsin ωt=10sin(t)V=10sin(100πt)V,故D正确。 [例5]　(2025·山东卷)如图为一种交流发电装置的示意图,长度为2L、间距为L的两平行金属电极固定在同一水平面内,两电极之间的区域Ⅰ和区域Ⅱ有竖直方向的磁场,磁感应强度大小均为B、方向相反,区域Ⅰ边界是边长为L的正方形,区域Ⅱ边界是长为L、宽为0.5L的矩形。传送带从两电极之间以速度v匀速通过,传送带上每隔2L固定一根垂直运动方向、长度为L的导体棒,导体棒通过磁场区域过程中与电极接触良好。该装置产生电动势的有效值为 (　　) A.BLv　　　　　　　　 B. C. D. D [解析]　由题意可知导体棒通过磁场区域过程需要的时间,即周期为T=,导体棒通过区域Ⅰ时,产生的电动势大小为E1=BLv,需要的时间为t1=,导体棒通过区域Ⅱ时,产生的电动势大小为E2=B×0.5Lv,需要的时间为t2=,根据有效值的定义有t1+t2=T,代入数据可得E有= ,故选D。 三 考点三　理想变压器 远距离输电 29 1.理想变压器原、副线圈基本量的关系 功率关系 原线圈的输入功率等于副线圈的输出功率,即P入=P出 电压关系 原、副线圈的电压比等于匝数比,即=,与副线圈的个数无关 电流关系 (1)只有一个副线圈时:= (2)有多个副线圈时:由P入=P出得U1I1=U2I2+U3I3+…+UnIn或 I1n1=I2n2+I3n3+…+Innn 频率关系 f1=f2,变压器不改变交流电的频率 2.解决远距离输电问题的一般思路 (1)厘清三个回路 (2)抓住两个联系 ①理想的升压变压器中线圈1(匝数为n1)和线圈2(匝数为n2)中各个量间的关系是=,=,P1=P2。 ②理想的降压变压器中线圈3(匝数为n3)和线圈4(匝数为n4)中各个量间的关系是=,=,P3=P4。 (3)掌握一个守恒,能量守恒关系:P1=P损+P3。 3.输电线路功率损失的三种计算方法 P损=P1-P4 P1为输送的功率,P4为用户得到的功率 P损=R线 I线为输电线路上的电流,R线为输电线的电阻 P损= ΔU为输电线路上损失的电压,不要与U2、U3相混 考向1　变压器的分析与计算 [例6]　(多选)(2025·云南卷)电动汽车充电桩的供电变压器(视为理想变压器)示意图如图所示。变压器原线圈的匝数为n1,输入电压U1=1.1 kV;两副线圈的匝数分别为n2和n3,输出电压U2=U3=220 V。当Ⅰ、Ⅱ区充电桩同时工作时,两副线圈的输出功率分别为7.0 kW和3.5 kW。下列说法正确的是(　　) A.n1∶n2=5∶1 B.n1∶n3=1∶5 C.变压器的输入功率为10.5 kW D.两副线圈输出电压最大值均为220 V AC [解析]　根据理想变压器的电压比等于匝数比可得n1∶n2=U1∶U2= 5∶1,n1∶n3=U1∶U3=5∶1,故A正确,B错误;根据能量守恒可知变压器的输入功率等于总的输出功率,故P输入=P输出=7.0 kW+3.5 kW=10.5 kW,故C正确;输出电压为交流电的有效值,根据正弦交流电的最大值与有效值的关系可知,两副线圈输出电压最大值均为Um=220 V,故D错误。 考向2　理想变压器的动态分析 [例7]　(多选)(2025·湖北卷)在如图所示的输电线路中,交流发电机的输出电压一定,两变压器均为理想变压器,左侧升压变压器的原、副线圈匝数分别为n1、n2,两变压器间输电线路电阻为r。下列说法正确的是 (　　) A.仅增加用户数,r消耗的功率增大 B.仅增加用户数,用户端的电压增大 C.仅适当增加n2,用户端的电压增大 D.仅适当增加n2,整个电路消耗的电功率减小 AC [解析]　整个电路物理量标注如图所示, 设用户端总电阻为R用户,降压变压器输入端等 效为电阻Rx,则有Rx=R用户,又I3n3=I4n4,I2=I3,则对于输电线有I2==,仅增加用户数,则R用户减小,可知I2增大,根据ΔP=r可知,r消耗的功率增大,故A正确;仅增加用户数,I2增大,根据U3=U2-I2r可知U3减小,根据用户端的电压U4=U3可知,用户端的电压减小,故B错误;仅适当增加n2,根据U2=U1可知,U2增大,根据I2=可知,I2增大,根据U3=I2Rx可知,U3增大,根据用户端的电压U4=U3可知,用户端的电压增大,故C正确;由C选项可知,仅适当增加n2,I2增大,整个电路消耗的电功率P1=P2=U2I2,由于U2增大,故整个电路消耗的电功率变大,故D错误。 等效电阻法 当理想变压器的副线圈接纯电阻元件时,可以把 理想变压器(含副线圈中的元件)等效成一个电阻 来处理,设原、副线圈的匝数分别为n1、n2,原线圈 输入电压为U1,电流为I1,副线圈输出电压为U2,电流为I2,副线圈负载电阻为R,则等效电阻R等效===()2=()2R。 反思提升 考向3　远距离输电 [例8]　(2025·广东卷)如图所示,某光伏电站输出功率为1 000 kW、电压为400 V的交流电,经理想变压器升压至10 kV后,通过输电线输送到变电站,输电线的等效电阻R为5 Ω。下列说法正确的是 (　　) A. 变压器原、副线圈匝数比为1∶100 B.输电线上由R造成的电压损失为500 V C.变压器原线圈中的电流为100 A D.变压器原、副线圈中电流的频率不同 B [解析]　根据理想变压器原、副线圈电压比等于匝数比可得===,A错误; 原、副线圈两端的功率相等,流过副 线圈的电流I2== A=100 A, 输电线上由R造成的电压损失为ΔU=I2R=500 V,B正确; 变压器原线圈中的电流为I1== A=2 500 A,C错误; 变压器不改变交变电流的频率,变压器原、副线圈中电流的频率相同,D错误。 四 课堂巩固 强化关键能力 1.(多选)(2025·广东佛山二模)如图甲所示为一台小型发电机的示意图,单匝线圈匀速转动,产生的电动势e随时间t的变化规律如图乙所示。已知发电机线圈内阻为0.2 Ω,小灯泡的电阻恒为0.8 Ω,则 (　　) A.理想电压表的示数U=6 V B.线圈转动的角速度ω=100π rad/s C.转动过程中穿过线圈的最大磁通 量Φm= Wb D.通过灯泡的电流的瞬时值表达式为i=6sin(100πt)A BD 解析:由题图乙可知线圈输出电压的有效值 为U有效=6 V,理想电压表测的是小灯泡两端 电压,示数为U=×0.8 V=4.8 V,A错误; 交变电流的周期为T=0.02 s,线圈转动的角速度为ω==100π rad/s,B正确;单匝线圈转动时产生的电动势最大值为Em=BSω=Φm·ω,可得转动过程中穿过线圈的最大磁通量为Φm== Wb= Wb,C错误;通过灯泡的电流的最大值Im== A=6 A,通过灯泡的电流的瞬时值表达式为i=6sin(100πt)A,D正确。 2.(多选)(2025·重庆二模)如图所示,某直流电源经交直转换后输出交流电u=10sin(100πt)V,经理想变压器升压后,当点火针和金属板间的电压峰值达到10 kV,就会引发电火花。已知原、副线圈的匝数分别为n1、n2,D为理想二极管(正向导通时电阻为零,反向截止时电阻无限大),则下列说法正确的是(　　) A.引发电火花的频率为50 Hz B.n2≥103n1 C.引发电火花的频率为100 Hz D.n2≥1.4×103n1 AB 解析:理想二极管单向导电,引发电火花的频率与交流电的频率相同,即f==50 Hz,故A正确,C错误;由于引发电火花时的电压峰值为瞬时值,需满足U2m=·U1m≥10×103 V,解得n2≥103n1,故B正确,D错误。 $