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（江苏专版）

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 类型 公式 图像 特例 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]　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·江苏镇江二模)某电路如图所示,其中R1=2 Ω、R3=2 Ω、R4=1 Ω,R2最大值为3 Ω,电源内阻r =1 Ω。电表为理想电表。在R2从0开始逐渐增大的过程中,以下说法正确的是(　　) A.电源效率一直减小 B.电源输出功率先增大后减小 C.电压表示数与电流表示数比值>R3 D.电压表示数变化的绝对值ΔU与电流表示数变化的绝对值ΔI的比值>r B [解析]　电路简化如图所示,当R2从0开始增加到3 Ω的 过程中,外电路的总电阻一直增大,电源效率一直增加, 故A错误;当R2=2 Ω时,外电路的总阻值等于电源内阻, 故电源的输出功率先增大后减小,故B正确;根据电路 分析可知,电流表示数为I=I2+I3,电压表示数为U=U3,则 有=,所以<R3,故C错误;电源的内阻可表示为r=,其中I总=I+I1,根据R2阻值增大可知,I总减小,但I1增大,故电流表示数变化的绝对值ΔI应大于总电流变化的绝对值ΔI总,则有<=r,故D错误。 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 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) 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·江苏扬州二模)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]　(2025·江苏宿迁模拟预测)如图甲所示,交流发电机的矩形金属线圈abcd的匝数n=100,线圈的总电阻r=5.0 Ω,线圈位于匀强磁场中,且线圈平面与磁场方向平行。线圈的两端分别与两个彼此绝缘的铜环E、F(集流环)焊接在一起,并通过电刷与阻值R=95 Ω的定值电阻连接。现使线圈绕过bc和ad边中点且垂直于磁场的转轴OO'以一定的角速度匀速转动。穿过线圈的磁通量Φ随时间t变化的图像如图乙所示。若电路其他部分的电阻以及线圈的自感系数均可忽略不计,则下列说法中正确的是(　　) A.线圈匀速转动的角速度为100 rad/s B.线圈中产生感应电动势的最大值为100 V C.线圈由图甲处转过圈,电阻R上产生的热量Q= J D.线圈由图甲处转过圈,通过电阻R的电荷量q=0.01 C [答案]　D [解析]　由题图乙可知交流电周期T=π×10-2 s,故角速度ω==200 rad/s,故A错误;线圈中产生感应电动势的最大值Em=nBSω=nΦmω,由题图乙可知Φm=1.0×10-2 Wb,代入题中数据,联立解得Em=200 V,故B错误;线圈中产生的电动势有效值E==100 V,则线圈由图甲处转过圈,电阻R上产生的热量QR=()2R×,代入题中数据,联立解得QR= J,故C错误;通过电阻R的电荷量q=t=t=t=n,线圈由图甲处转过圈,磁通量变化量ΔΦ=BS= Φm=1.0×10-2 Wb,联立解得q=0.01 C,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]　(2025·云南卷改编)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=1∶5 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 C [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、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]　(2025·湖北卷改编)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消耗的功率减小 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 C [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错误;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·重庆卷改编)2025年1月“疆电入渝”工程重庆段全线贯通,助力重庆形成特高压输电新格局,该工程计划将输电站提供的1.6×106 V直流电由新疆输送至重庆,多次转换后变为1.0×104 V的交流电,再经配电房中的变压器(视为理想变压器)降为220sin(100πt)V的家用交流电。若输电线路输送功率为8.0×109 W,且直流输电过程中导线电阻产生的电功率损耗不超过输送功率的5%,则(　　) A.直流输电导线中的电流为250 A B.直流输电导线总阻值不超过16 Ω C.家用交流电的电压最大值为220 V,频率为50 Hz D.配电房中变压器原、副线圈中电流比为500∶11 B [解析]　直流输电电流由公式I=计算得I= A=5 000 A,故A错误;直流输电过程允许的最大功率损耗为输送功率的5%,即P损=0.05×8.0×109 W=4×108 W,由 P损=I2R得导线总阻值上限为R== Ω=16 Ω,故B正确;家用交流电表达式为220sin(100πt)V,其最大值为220 V,频率为f== Hz=50 Hz,故C错误;变压器原线圈电压U1=1.0×104 V,副线圈电压U2=220 V,匝数比===,由电流比与匝数比成反比可知==,故D错误。 四 课堂巩固 强化关键能力 1.某科技小组设计了一种发电机,并利用发电机对电路供电,此发电机的工作原理及供电电路如图甲所示。长为L的竖直导体棒AB可绕竖直轴O1O2在竖直面内匀速转动,空间内存在水平方向两个匀强磁场,磁感应强度大小分别为B1=2B0和B2=B0,方向相反,俯视图如图乙所示,电路中接有阻值为R0的定值电阻。零时刻导体棒自图示位置开始按图示方向转动,转动的角速度大小为ω,转动半径为r(棒的粗细远小于半径r),不计导线及导体棒的电阻,导体棒转动过程始终与电路接触良好。下列说法正确的是(　　) A.导体棒转动一周的过程中,通过R0的电流方向始终为C→D B.导体棒转动一周的过程中,通过R0的电流方向先D→C,后C→D C.导体棒转动一周的过程中,电阻R0产生的热量为 D.导体棒转动一周的过程中,电阻R0产生的热量为 答案:D 解析:导体棒转动的俯视图如图所示,设经过时间t1,棒转至图示P位置,t2时刻转至图示Q位置,由右手定则判断t1时刻通过R0的电流方向为D→C,t2时刻电流方向为D→C,故A、B错误; 棒在B1磁场中转动时产生的电动势为e1=B1Lvsin ωt=2B0Lrωsin ωt,同理可求出棒在B2磁场中转动时产生的电动势为e2=B0Lrωsin ωt,所以棒转动一周的过程中电动势e与时间t的关系图像如图所示,其中T=,因而棒转动一周的过程中,电阻R0产生的热量为Q=×+×= ,故C错误,D正确。 2.(2025·黑龙江大庆开学考试)如图(a)所示的智能机器人广泛应用于酒店、医院等场所。机器人内电池的容量为25 000 mA·h,负载10 kg时正常工作电流约为5 A,电池容量低于20%时不能正常工作,此时需要用充电器对其进行充电,充电器的输入电压如图(b)所示。下列说法正确的是(　　) A.充电器的输入电流频率为100 Hz B.充电器的输入电压瞬时值表达式为u= 220sin(10πt)V C.机器人充满电后电池的电荷量为9×103 C D.机器人充满电后,负载10 kg时大约可以持续正常工作4 h D 解析:由题图(b)可知交流电压的周期为0.02 s,则充电器的输入电流频率为f== Hz=50 Hz,故A错误;角频率为ω==100π rad/s,则充电器的输入电压的瞬时值表达式为u=220·sin(100πt)V,故B错误;机器人充满电后电池的电荷量Q=It=25 000×10-3×3 600 C=9×104 C,电池容量低于20%时不能正常工作,则机器人充满电后,负载10 kg时大约可以持续正常工作的时间为t'== s=1.44×104 s=4 h,故C错误,D正确。 $