2016-2017学年高中物理第4章远距离输电第2节变压器教师用书鲁科版选修

第2节变压器学 习 目 标知 识 脉 络1.知道变压器的构造及几种常见的变压器.2.理解变压器的工作原理及工作规律(重点)3.理解理想变压器的原、副线圈中电压、电流与匝数的关系(重点、难点)4.理解理想变压器原线圈的输入功率与副线圈的输出功率的关系(重点、难点)变 压 器 的 结 构 和 原 理1变压器的结构(1)变压器：能升高电压或降低电压的设备称为变压器(2)构造：如图421甲所示，变压器由闭合铁芯和绕在铁芯上的线圈组成，其中闭合铁芯由表面涂有绝缘漆的硅钢片叠合而成，线圈用绝缘导线绕成与电源连接的线圈叫做原线圈(也叫初级线圈)，与负载连接的线圈叫做副线圈(也叫次级线圈)原、副线圈的匝数分别用符号n1、n2表示；原线圈两端的电压又叫输入电压，用符号U1表示，副线圈两端的电压又叫输出电压，用符号U2表示在电路中变压器的符号如图乙所示图421(3)种类：变压器分为升压变压器和降压变压器两种2变压器的工作原理当原线圈两端加上交变电压时，就有交变电流通过原线圈，并在铁芯中产生交变的磁场，铁芯中就有变化的磁通量，这个变化的磁通量同样会穿过副线圈，并在副线圈两端产生感应电动势如果变压器在传输电能的过程中损失的能量很小，可以忽略不计，这种变压器就叫做理想变压器1变压器是利用互感现象实现了电能向磁场能再到电能转化()2变压器对恒定电流也能变压()3不计电能损耗的变压器为理想变压器()原、副线圈是否通过铁芯导通？【提示】不是都绕在同一绝缘铁芯上在课外，某同学在进行低压交流变压器实验的准备工作时，发现缺少电源，于是就用一种摩托车的蓄电池代替，按图422所示进行实验图422探讨1：闭合电键后，灯泡是否发光？【提示】因蓄电池是直流电源，向外输出恒定电压，故连接到副线圈上的小灯泡不会发光探讨2：解释出现这种现象的原因【提示】原因是：恒定电压加在原线圈上后，线圈内的磁通量不发生变化，因而副线圈中的磁通量也不发生变化，所以En0.故副线圈中无感应电动势1理想变压器有什么特点(1)没有漏磁，即通过原、副线圈的每一匝的磁通量都一样；(2)原、副线圈没有电阻，即忽略原副线圈中的焦耳热损耗(铜损)；(3)铁芯中无磁损耗，也不产生涡流；(4)原、副线圈的感抗均趋于无穷大，从而空载电流趋于0.2变压器的工作原理图423变压器的变压原理是电磁感应如图图423所示，当原线圈上加交流电压U1时，原线圈中就有交变电流，它在铁芯中产生交变的磁通量，在原、副线圈中都要产生感应电动势如果副线圈是闭合的，则副线圈中将产生交变的感应电流，它也在铁芯中产生交变磁通量，在原、副线圈中同样要引起感应电动势由于互感现象，原、副线圈间虽然不相连，电能却可以通过磁场从原线圈传递到副线圈其能量转换方式为原线圈电能磁场能副线圈电能1(多选)理想变压器的原、副线圈中一定相同的物理量有()A交流电的频率B磁通量的变化率C功率D交流电的峰值【解析】理想变压器没有漏磁，没有能量损失，所以原、副线圈中磁通量变化率相同，原、副线圈中功率相同，B、C正确；变压器能改变交流电的峰值但不改变交流电频率，A正确、D错误【答案】ABC2关于理想变压器的工作原理，以下说法正确的是()A通有正弦交变电流的原线圈产生的磁通量不变B穿过原、副线圈的磁通量在任何时候都不相等C穿过副线圈磁通量的变化使副线圈产生感应电动势D原线圈中的电流通过铁芯流到了副线圈【解析】通有正弦交变电流的原线圈产生的磁场是变化的，由于面积S不变，故磁通量变化，A错误；因理想变压器无漏磁，原、副线圈的磁通量总相等，故B错误；由互感现象知C正确；原线圈中的电能转化为磁场能又转化为副线圈的电能，原、副线圈通过磁联系在一起，故D错误【答案】C3.如图424所示为汽油机中点火装置的示意图，它使用的是12 V直流电源，在变压器的输出端却可得到高达10 000 V的高压，开关是自动控制的，欲使副线圈两端得到一个高压，应使()图424A开关总处于接通状态B开关在接通时断开C开关在断开时接通D开关总处于断开状态【解析】欲使副线圈两端得到一个高压，必须使变压器铁芯中的磁通量发生变化，即原线圈中的电流必须发生变化，只有在开关闭合、断开瞬间原线圈中电流才有变化，故选B、C.【答案】BC对变压器的理解1变压器只对变化的电流起作用，对恒定电流不起作用2变压器的两个线圈之间通过磁场联系在一起，两个线圈间是绝缘的3变压器不能改变交变电流的频率4若直流电的电压是随时间变化的，也可以用变压器改变电压5原、副线圈的感抗均趋于无穷大，从而空载电流趋于零理想变压器电压与匝数的关系及自耦变压器1电压与匝数的关系：2电流与匝数的关系：3自耦变压器(1)它只有一个线圈，这个线圈可以作为原线圈接电源，线圈的一部分作为副线圈接负载，成为降压变压器；也可以反过来使用，将线圈的一部分接电源，整个线圈接负载，成为升压变压器自耦变压器的工作原理和一般双绕组变压器一样，原、副线圈两端的电压之比等于匝数比(2)可调自耦变压器的最大优点是可以连续调节输出电压；缺点是低压端和高压端直接有电的联系，使用不够安全1升压变压器的副线圈电压高、电流大()2对于两个副线圈的变压器，电压比仍与匝数成正比()3自耦变压器只有升压作用()4自耦变压器的优点是使用安全()什么叫降压变压器，什么叫升压变压器？【提示】降压变压器：副线圈的电压比原线圈的电压低的变压器升压变压器：副线圈的电压比原线圈的电压高的变压器实验仪器：学生电源(低压交流12 V)，可拆变压器，多用表(交流电压挡)，电路图如图425所示图425实验过程：保持原线圈的匝数n1和电压U1不变，改变副线圈的匝数n2，研究n2对副线圈的电压U2的影响，n1200 匝，U112 V.12345n2/匝10080605040U2/V5.94.73.52.92.3保持副线圈的匝数n2和原线圈的电压U1不变时，改变原线圈的匝数n1，研究n1对副线圈电压U2的影响，n240匝，U112 V.12345n1/匝506080100120U2/ V9.57.95.94.73.9探讨1：变压器线圈两端的电压U1、U2与原、副线圈的匝数n1、n2的关系【提示】.探讨2：对于理想变压器，只有一组副线圈的情况下，原线圈和副线圈的电流跟它们的匝数的关系【提示】.因为P1P2，即I1U1I2U2，又，所以推导出.1理想变压器的变压(变流)规律规律表示依据备注变压规律En适于一个原线圈及多个副线圈的情况功率关系P入P出能量守恒适于理想变压器变流规律U1I1U2I2适于一个原线圈一个副线圈n1I1n2I2n3I3U1I1U2I2U3I3适于一个原线圈，多个副线圈2.理想变压器各物理量间的制约关系对于一个给定的理想变压器，原、副线圈的匝数一定(1)输入电压决定输出电压：由，得U2U1.当U1不变时，U2也不会变，与负载电阻R多大及是否变化无关(2)输出功率决定输入功率：对理想变压器P出P入(3)负载决定输出电流：当U1一定时，U2也一定，对副线圈有I2，所以当R变化时，I2也随之变化，即R变大，I2变小；R变小，I2变大(4)输出电流决定输入电流：由n1I1n2I2得I1I2，所以当I2变化时，I1也随之变化即I2变大，I1变大；I2变小，I1也变小3自耦变压器如图426所示为自耦变压器示意图，其特点是铁芯上只绕一个线圈图甲中把整个线圈做为原线圈，取一部分做为副线圈，可以降低电压；图乙中把一部分做为原线圈，把整个线圈做为副线圈，可以升高电压图4264对于理想变压器，下列说法中不正确的是()A原线圈的输入功率随着副线圈的输出功率增大而增大B原线圈的输入电流随着副线圈的输出电流增大而增大C原线圈的电压不随副线圈的输出电流变化而变化D当副线圈的电流为零时，原线圈的电压也为零【解析】原线圈的电压决定副线圈的电压，即使副线圈开路也是如此，副线圈电压在开路时也不会为零；原线圈的电流由副线圈的电流决定，当副线圈电流为零(增大)时，原线圈电流也为零(增大)；输出功率决定输入功率，输出功率变大时，输入功率也变大，且二者总相等，故不正确的选项为D.【答案】D5机床上的照明电灯用的电压是36 V，是将220 V电压经变压器降压得到的若电灯功率是40 W，可正常发光，则该变压器原、副线圈中的电流分别为()A5.5 A，0.9 AB0.18 A，1.1 A C5.5 A，1.1 AD0.15 A，0.9 A【解析】I2 A1.1 A又P1P2，则I1 A0.18 A，故B正确【答案】B6.如图427所示，理想变压器原、副线圈匝数之比为201，原线圈接正弦交流电源，副线圈接入“220 V 60 W”灯泡一只，且灯泡正常发光，则()图427A电流表的示数为 AB电源输出功率为1 200 WC电流表的示数为 AD原线圈端电压为11 V【解析】由灯泡正常发光，可知副线圈电压为220 V，由可知，原线圈电压U120220 V4 400 V，D错；又因输入功率等于输出功率，P1P260 W，故B错；电流表读数为有效值，原线圈中电流I1 A A，故A错，C正确【答案】C理想变压器的电压关系和电流关系1理想变压器的电压关系对有一个或多个副线圈的情况都成立2电流关系只适用于有一个副线圈的情况，若有多个副线圈，则电流关系应根据功率关系P入P出求出学业分层测评(十一)(建议用时：45分钟)学业达标1(多选)理想变压器原、副线圈匝数比为101，以下说法中正确的是()A穿过原、副线圈每一匝磁通量之比是101B穿过原、副线圈每一匝磁通量的变化率相等C原、副线圈每一匝产生的电动势瞬时值之比为101D正常工作时，原、副线圈的输入、输出功率之比为11【解析】对理想变压器，可以认为无磁通量损漏且忽略热损耗，因而穿过任意两个线圈的交变磁通量相同，磁通量变化率相同，因而每匝线圈产生的感应电动势相等，所以电压与匝数成正比故A、C错误，B、D正确【答案】BD2对理想变压器可作出的判断是()A高压线圈匝数多、电流大、导线粗B低压线圈匝数少、电流小、导线细C高压线圈匝数多、电流大、导线细D低压线圈匝数少、电流大、导线粗【解析】由变压规律高压线圈匝数多，由变流规律，匝数多的电流小，导线细；匝数少的电流大，导线粗，故选D.【答案】D3用理想变压器给负载电阻R供电，变压器输入电压一定时，在下列四个办法中，哪种可以使变压器输入功率增加()A增加变压器原线圈匝数，而副线圈匝数及负载电阻R保持不变B减小负载电阻的阻值，而变压器原、副线圈匝数不变C增加负载电阻的阻值，而变压器原、副线圈匝数不变D减少变压器副线圈匝数，而原线圈匝数和负载电阻保持不变【解析】由，当n1增加时，U2减小，P2，P2减小，A错误；U1、n1、n2不变，则U2不变，R减小时，P2.P2增大，B正确；C与B相反，故C错误；当n1、U1不变，n2减小时，则U2减小，由P2(R不变)，P2会减小，D错误【答案】B4如图428所示为一台理想变压器，原、副线圈的匝数分别为n1400匝，n2800 匝，如果连接导线的电阻忽略不计，那么可以确定() 【导学号：78870074】图428这是一台升压变压器副线圈两端电压是原线圈两端电压的一半通过副线圈的电流是通过原线圈电流的一半变压器输出电功率是输入电功率的一半ABCD【解析】由于n1n2，故为升压变压器，正确；，故式正确；由，错误；变压器输出电功率等于输入电功率，错误【答案】D5(多选)用理想变压器给电阻负载供电时，用下列哪些方法可以增大变压器的输入电流()A增加原线圈的匝数B增加副线圈的匝数C在副线圈上多并联些电阻D增加副线圈的负载【解析】原线圈的电压U1是不变的，所以当增加原线圈的匝数n1时，副线圈两端的电压U2一定减小，I2也一定减小，两线圈功率关系是P1P2，即U1I1U2I2，那么I1一定减小，所以A是错误的根据U1、n1不变，增大n2，则U2增大，对副线圈电路来说，U2相当于电源电动势，外电阻R不变，所以副线圈电流I2增大，而I2U2I1U1，U1不变，所以I1必增大，B对，当U1、U2、n1、n2不变，并联电阻增多，R减小，根据闭合电路欧姆定律，I2增大，同上面推导，I1必增大，C对，负载增多时，要知道是副线圈上所接的总电阻变小，从而副线圈中的电流增大，此时原线圈中电流也增大，D对【答案】BCD6如图429所示，与理想变压器相连的四只灯泡相同，变压器原、副线圈的匝数比为31，接在副线圈上的三只灯泡正常发光，则对于串联在原线圈上的灯泡L() 【导学号：78870075】图429A比正常发光时的亮度更亮B也能正常发光C比正常发光时的亮度更暗D无法判断其亮度情况【解析】灯泡L的亮度如何，主要看灯泡L的功率多大，在本题中就是看通过灯泡L的电流如何变化设每只灯的额定电流为I0，因并联在副线圈两端的三只灯泡正常发光，所以副线圈中的电流I23I0，由得原线圈的电流I1I2I0，恰为灯泡L的额定电流，因此灯泡L也正常发光【答案】B7. (多选)如图4210所示，理想变压器初级线圈的匝数为n1，次级线圈的匝数为n2，初级线圈的两端a、b接正弦交流电源，电压表V的示数为220 V，负载电阻R44 ，电流表A1的示数是0.20 A下列判断中正确的是() 【导学号：78870076】图4210A初级线圈和次级线圈的匝数比为21B初级线圈和次级线圈的匝数比为51C电流表A2的示数为1.0 AD电流表A2的示数为0.4 A【解析】设电流表A1示数为I1，电流表A2示数为I2，由变压器电压、电流与匝数关系得，即，解得I21.0 A，n1n251，B、C对，A、D错【答案】BC8钳形电流表的外形和结构如图4211甲所示图4211甲中电流表的读数为1.2 A图4211乙中用同一电缆线绕了3匝，则()图4211A这种电流表能测直流，图乙的读数为2.4 AB这种电流表能测交流，图乙的读数为0.4 AC这种电流表能测交流，图乙的读数为3.6 AD这种电流表既能测直流，又能测交流，图乙的读数为3.6 A【解析】钳形电流表利用了变压器的工作原理，因此钳形电流表只能测交流根据n1I1n2I2，可得图乙的读数应为3.6 A，故选项C正确【答案】C能力提升9(多选)(2014湛江高二检测)有一理想变压器的原线圈连接一只交流电流表，副线圈接入电路的匝数可以通过滑动触头Q调节，如图4212所示，在副线圈两输出端连接了定值电阻R0和滑动变阻器R，在原线圈上加一电压为U的交流电，则()图4212A保持Q的位置不动，将P向上滑动时，电流表的读数变大B保持Q的位置不动，将P向上滑动时，电流表的读数变小C保持P的位置不动，将Q向上滑动时，电流表的读数变大D保持P的位置不动，将Q向上滑动时，电流表的读数变小【解析】保持Q的位置不动，副线圈匝数不变，由知U2不变，当P向上滑动时，由I2知I2减小，故电流表的读数变小，B正确，A错误保持P的位置不动，将Q向上滑动时，副线圈的匝数增多，由知，U2增大，由I2知I2增大，故I1增大，C正确，D错误【答案】BC10图4213甲中理想变压器原、副线圈的匝数之比n1n251，电阻R20 ，L1、L2为规格相同的两只小灯泡，S1为单刀双掷开关原线圈接正弦交变电源，输入电压u随时间t的变化关系如图乙所示现将S1接1、S2闭合，此时L2正常发光下列说法正确的是() 【导学号：78870077】图4213A输入电压u的表达式u20sin(50t) VB只断开S2后，L1、L2均正常发光C只断开S2后，原线圈的输入功率增大D若S1换接到2后，R消耗的电功率为0.8 W【解析】由题图知，Um20 V，T0.02 s，则100 rad/s，输入电压u20sin(100t) V，故A错；由变压器的变压规律知：，故U2 V4 V，由题中将S1接1、S2闭合时，灯泡L2正常发光可得，灯泡L2的额定电压为4 V，当只断开S2后，副线圈两端电压不变，此时副线圈的负载为L1、L2串联，故L1、L2均不能正常发光，B错；此时P出，副线圈负载R总增大，故P出减小，又P入P出，故原线圈的输入功率减小，C错误；当S1换接到2后，副线圈的负载仅是电阻R，故P W0.8 W，D正确【答案】D11.如图4214所示，理想变压器接在220 V的交流电源上，副线圈有A、B两组，已知A组线圈的匝数为30匝，接“6 V 4 ”的灯泡LA，B组接一盏规格为“10 V 24 W”的灯泡LB，两灯都正常发光，求原线圈的匝数及电流的大小图4214【解析】副线圈不是一组，每组线圈的电压跟匝数成正比，但是每组线圈的电流跟匝数不成反比，有P1PAPB，即I1U1IAUAIBUB.由，得n1nA30匝1 100匝又IAA1.5 A，即I1 A0.15 A.【答案】1 100匝0.15 A12理想变压器原线圈中输入电压U13 300 V，副线圈两端电压U2为220 V，输出端连有完全相同的两个灯泡L1和L2，绕过铁芯的导线所接的电压表V的示数U2 V求：图4215(1)原线圈n1等于多少匝？(2)当开关S断开时，电流表A2的示数I25 A则电流表A1的示数I1为多少？(3)当开关S闭合时，电流表A1的示数I1为多少？ 【导学号：78870078】【解析】(1)由电压与变压器匝数的关系可得：U，则n11 650(匝)(2)当开关S断开时，有：U1I1U2I2，I1 A.(3)当开关S断开时，有：RL44 .当开关S闭合时，设副线圈总电阻为R，有R22 ，副线圈中的总电流为I2，则I210 A由U1I1U2I2可知，I1 A.【答案】(1)1 650匝(2) A(3) A13