高中 | 电功和电功率 题目答案及解析

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选修3-1

第二章 恒定电流

2.4 串联电路和并联电路

电功和电功率

电学已经改变了我们的生活方式,电能每时每刻都在为人类作着巨大的贡献。

自动体外除颤器的电池能在几秒内使电容为$70\;\rm\mu F$的电容器充电到$5000\;\rm V$,充电完成后电容器所带的电荷量为                 $\;\rm C$。成人模式下第一次脉冲放电的能量约为$150\;\rm J$,时长为$3\;\rm ms$,该脉冲的功率为                 $\;\rm W$

[["$0.35$","$5 \\times 10^{4}$"]]

根据公式$Q=CU$

可得,电容器充电完成后所带电荷量为$Q=0.35\;\rm C$

由公式$P=\dfrac{W}{t}$

可得该脉冲的功率为$P=\dfrac{W}{t}=5 \times 10^{4}\;\rm{W}$

两根材料、长度均相同的圆柱形金属丝$a$$b$,并联后接在同一电源上,金属丝$a$$b$的发热功率之比为$1 : 3$,则流过金属丝$a$$b$的电流之比为                 ,金属丝$a$$b$的直径之比为                 

[["$1 : 3$","$1:\\sqrt{3}$"]]

对于纯电阻,发热功率表达式为$P=UI$

由题可知$P_{a} : P_{b}=1 : 3$

两金属丝并联后,电压相等,则电流之比为$I_{a} : I_{b}=1 : 3$

对于纯电阻,发热功率表达式也可写为$P=\dfrac{U^{2}}{R}$

根据电阻定律表达式$R=\rho\dfrac{l}{S}=\dfrac{4\rho l}{\pi d^{2}}$

由题可知$P_{a} : P_{b}=1 : 3$

则两金属丝的直径之比为$d_{a}:d_{b}=1:\sqrt{3}$

用可拆变压器进行“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验中

①下列有助于减小铁芯的涡流损耗的是                 

$\rm A$.用低压直流电源          $\rm B$.用无铁芯的变压器

$\rm C$.用低电阻率的金属作为铁芯材料      $\rm D$.用多层相互绝缘

②已知线圈$1$匝数为$200$匝,线圈$2$匝数为$400$匝,实验测得的数据如表所示。

序号线圈$1$电压${U_{1}/\rm V}$线圈$2$电压${U_{2}/\rm V}$
$1$$4.09$$8.47$
$2$$2.98$$6.20$
$3$$1.96$$4.11$

$a.$根据测量数据可判断连接电源的是               

$\rm A$.线圈$1$      $\rm B$.线圈$2$

$b.$你的判断依据是                 

[["$\\rm CD$","$\\rm B$","由于有铜损,铁损和漏磁,所以副线圈测量电压应该小于理论电压值,所以线圈$2$为输入端,线圈$1$为输出端"]]

$\rm A$.本实验中要使用交流电源,故$\rm A$错误;

$\rm B$.变压器的铁芯有聚磁的作用,不能没有,故$\rm B$错误;

$\rm C$.若用低电阻率的金属作为铁芯材料,会减小铁芯的涡流损耗,故$\rm C$正确;

$\rm D$.若铁芯采用多层相互绝缘,也可以减小铁芯的涡流损耗,故$\rm D$正确;

故选:$\rm CD$

进行实验中,从输入端到输出端,如果不考虑铜损,铁损和漏磁,则满足$\dfrac{U_{1}}{U_{2}}=\dfrac{n_{1}}{n_{2}}$

但实际各种损耗都有,所以输出端的电压要小于理想状态下的电压。结合题中表格数据分析可知,输入端为线圈$2$,输出端为线圈$1$,即线圈$2$连接电源;

如图($1$),在铁棒上缠绕两个线圈$a$$b$,其中$a$线圈匝数为$100$匝,$b$线圈匝数为$300$匝。闭合开关$\rm S_{1}$$\rm S_{2}$,线圈$a$输入交流电压$u_{1}$,图($2$)为与$b$线圈相连的灯泡$\rm L$两端测得的电压$u_{2}$随时间$t$按正弦规律变化的图线。

①线圈$b$中磁通量$\Phi$随时间$t$的变化图线可能为             

$\rm A$     $\rm B$

$\rm C$      $\rm D$

②下列操作和灯泡亮度变化相符合的是               

$\rm A$.断开开关$\rm S_{1}$,灯泡$\rm L$立刻熄灭

$\rm B$.断开开关$\rm S_{2}$,灯泡$\rm L$立刻熄灭

$\rm C$.同时断开开关$\rm S_{1}$$\rm S_{2}$,灯泡$\rm L$先变亮后慢慢熄灭

③将线圈$a$$b$视作理想变压器的原线圈和副线圈,求线圈$a$输入交流电压$u_{1}$的有效值(计算)                 

[["$\\rm C$","$\\rm B$","$\\dfrac{5\\sqrt{2}}{2}\\:\\rm V$"]]

根据法拉第电磁感应定律可知$U_{1}=n_{1}\dfrac{\Delta\Phi}{\Delta t}$

$U_{2}=n_{2}\dfrac{\Delta\Phi}{\Delta t}$

结合题目中的电压$u_{2}$随时间$t$的变化图像可知,当$t=0$$u_{2}=0$

即此时$\dfrac{\Delta\Phi}{\Delta t}=0$

$t=1 \times 10^{-2}\;\rm s$$u_{2}=0$

即此时$\dfrac{\Delta\Phi}{\Delta t}=0$

故选:$\rm C$

$\rm A$.断开开关$\rm S_{1}$$b$线圈会产生感应电动势,会对与灯泡$\rm L$形成的回路放电,所以灯泡会逐渐熄灭,故$\rm A$错误;

$\rm B$.断开开关$\rm S_{2}$,灯泡无回路,无电流,所以灯泡会立即熄灭,故$\rm B$正确;

$\rm C$.同时断开开关$\rm S_{1}$$\rm S_{2}$,灯泡无回路,无电流,所以灯泡会立即熄灭,故$\rm C$错误。

故选:$\rm B$

由图像可知,$b$线圈产生的感应电动势的最大值为$15\;\rm V$,由正弦交流电最大值与有效值之间的关系可得,$b$线圈两端电压的有效值为

$U_{b}=\dfrac{U_{b\rm{m}}}{\sqrt{2}}=\dfrac{15\sqrt{2}}{2}\;\rm{V}$$a$线圈与$b$线圈的磁通量相同,磁通量的变化率也相同,即$\dfrac{U_{a}}{U_{b}}=\dfrac{n_{1}}{n_{2}}=\dfrac{1}{3}$

则线圈$a$输入交流电压$u_{1}$的有效值为$U_{a}=\dfrac{5\sqrt{2}}{2}\;\rm{V}$

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