2019-2020年高中物理 第2章 第6节 变压器学案 教科版选修3-2.doc

2019-2020年高中物理 第2章 第6节 变压器学案 教科版选修3-2目标定位 1.了解变压器的构造及几种常见的变压器，理解变压器的工作原理.2.掌握理想变压器的电压与匝数的关系并能用它解决相关问题.3.掌握理想变压器的功率关系，并能推导出原、副线圈的电流关系一、变压器的原理及电压与匝数的关系问题设计把两个没有导线相连的线圈套在同一个闭合铁芯上，一个线圈通过开关连到交流电源的两端，另一个线圈连到小灯泡上(如图1所示)图1(1)小灯泡能发光吗？为什么？(2)若小灯泡发光，那么小灯泡两端电压与什么因素有关？(3)若将原线圈接到恒定的直流电源上，小灯泡亮不亮？分析讨论小灯泡亮或不亮的原因答案(1)能发光当左边线圈加上交变电压时，左边线圈中就有交变电流，它在铁芯中产生周期性变化的磁场，根据法拉第电磁感应定律知，在左、右线圈中都要产生感应电动势，右线圈作为电源给小灯泡供电，小灯泡就会发光(2)左、右线圈中每一圈上磁通量的变化率都相同若左边匝数为n1，则E1n1；若右边匝数为n2，则E2n2，故有.若忽略左边线圈的电阻，则有E1E电源，这样看来小灯泡两端电压与左侧交流电源电动势及两线圈匝数比都有关系(3)不亮原线圈接到恒定直流电源上，通过原线圈的电流的大小、方向均不变，它产生的磁场通过副线圈的磁通量不变，因此在副线圈中不会产生感应电动势，副线圈两端没有电压，所以小灯泡不亮这种现象说明，变压器不能改变恒定电流的电压要点提炼1变压器的构造：闭合铁芯、与交流电源相连接的线圈叫原线圈(匝数用n1表示，又叫做初级线圈)、与负载相连的另一个线圈叫副线圈 (匝数用n2表示，又叫做次级线圈)，两个线圈都绕在闭合铁芯上2变压器的工作原理是互感现象因此变压器只对变化的电流起作用，对恒定电流不起作用(后两空填“变化”或“恒定”)3变压器中的电压关系(1)只有一个副线圈：.(2)有多个副线圈：.4变压器不能(填“能”或“不能”)改变交变电流的频率5原、副线圈的地位(1)原线圈在其所处回路中充当负载(2)副线圈在其所处回路中充当电源二、理想变压器中的功率关系及电流关系问题设计1什么是理想变压器？理想变压器原、副线圈中的功率有什么关系？答案理想变压器的理想化条件一般指的是：忽略原、副线圈内阻上的分压，忽略原、副线圈磁通量的差别，忽略变压器自身的能量损耗，所以理想变压器的输入功率等于输出功率，即P入P出2若只有一个副线圈，原、副线圈中的电流与匝数有什么关系？答案由能量守恒定律，有P入P出，即U1I1U2I2，所以.3若有多个副线圈时，原、副线圈中的电流与匝数有什么关系？答案若有多个副线圈P1P2P3，即U1I1U2I2U3I3将U1U2U3n1n2n3代入，得n1I1n2I2n3I3要点提炼1理想变压器的特点：(1)变压器铁芯内无漏磁，无发热损失(2)原、副线圈不计内阻，即无能量损失实际变压器(特别是大型变压器)一般可以看成理想变压器2功率关系：P入P出3电流关系：(1)若只有一个副线圈时，有I1U1I2U2，即；(2)当有多个副线圈时，有I1U1I2U2I3U3，即I1n1I2n2I3n3三、理想变压器中各量的制约关系和动态分析1变压器工作时的制约关系(1)电压制约：当变压器原、副线圈的匝数比()一定时，输入电压U1决定输出电压U2，即U2.(2)功率制约：P出决定P入，P出增大，P入增大；P出减小，P入减小，P出为0，P入为 0.(3)电流制约：当变压器原、副线圈的匝数比()一定，且输入电压U1确定时，副线圈中的输出电流I2决定原线圈中的电流I1，即I1.2对理想变压器进行动态分析的两种常见情况(1)原、副线圈匝数比不变，负载电阻变化，进行动态分析的顺序是RI2P出P入I1；(2)负载电阻不变，匝数比变化，进行动态分析的顺序是n1、n2U2I2P出P入I1.四、各种各样的变压器1自耦变压器如图2所示，铁芯上只绕一个线圈，低压线圈是高压线圈的一部分，既可以作为升压变压器使用，也可以作为降压变压器使用图2规律：，.2电压互感器、电流互感器(1)构造：如图3甲、乙所示(2)接法：电压互感器原线圈并联在高压交流电路中，副线圈接电压表；电流互感器原线圈串联在被测交流电路中，副线圈接电流表为了安全，外壳和副线圈应接地(3)作用：电压互感器可将高电压变为低电压，通过测量低电压，计算出高压交流电路的电压电流互感器将大电流变成小电流，通过测量小电流，计算出被测交流电路中的大电流图3一、对变压器的原理的理解例1关于理想变压器的工作原理，以下说法正确的是 ()A通过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相等C穿过副线圈磁通量的变化使得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I变化，则磁场变化，由于面积S不变，故变化，A错误因理想变压器无漏磁，故B、C正确原线圈中的电能转化为磁场能又转化为电能，故D错误答案BC二、理想变压器基本规律的应用例2理想变压器连接电路如图4甲所示，已知原、副线圈匝数比为101，当输入电压波形如图乙时，电流表读数为2 A，则()图4A电压表读数为282 VB电压表读数为28.2 VC输入功率为56.4 WD输入功率为40 W解析由题图乙可知，Um282 V，则输入电压有效值U1200 V根据知，U220 V，再根据知，I10.2 A，输入功率PU1I140 W，故A、B、C错，D正确答案D三、理想变压器中的动态分析例3如图5所示为一理想变压器，K为单刀双掷开关，P为滑动变阻器的滑动触头，U1为加在原线圈两端的交变电压，I1为原线圈中的电流，则()图5A保持U1及P的位置不变，K由a扳向b时，I1将增大B保持U1及P的位置不变，K由b扳向a时，R消耗的功率减小C保持U1不变，K接在a处，使P上滑，I1将增大D保持P的位置不变，K接在a处，若U1增大，I1将增大解析保持U1及P的位置不变，K由a扳向b时，n1减小，增大，由U2U1知U2变大，则输出电流I2增大，输出功率增大，输入功率也增大，由P1U1I1知，I1增大，A正确同理，K若由b扳向a，R消耗功率将减小，B正确U1不变，K接在a处，使P上滑时，I2减小，I1也减小，故C错误保持P的位置不变，K接在a处，使若U1增大，则U2也增大，即I2增大，又，故I1也应增大，故D正确答案ABD四、各种各样的变压器例4图6甲、乙是配电房中的互感器和电表的接线图，下列说法中正确的是()图6A线圈匝数n1n2，n3n2，n3n4C甲图中的电表是电压表，输出端不可短路D乙图中的电表是电流表，输出端不可断路解析题图甲中的原线圈并联在电路中，为电压互感器，是降压变压器，n1n2，电表为电压表，输出端不可短路；题图乙中的原线圈串联在电路中，为电流互感器，是升压变压器，n3n4，电表为电流表，输出端不可断路，故选项C、D正确答案CD1(对变压器原理的理解)如图7所示，理想变压器原、副线圈匝数之比n1n241，当导线在平行导轨上匀速切割磁感线时，电流表的示数是12 mA，则副线圈中电流表的示数是()图7A3 mA B48 mAC零 D与R阻值有关答案C解析当导线在平行导轨上匀速运动时，产生的电流是恒定的电流，不会使副线圈的磁通量发生变化，因而副线圈中无感应电流，选项C正确2(理想变压器基本规律的应用)如图8所示，理想变压器原、副线圈匝数比为201，两个标有“12 V6 W”的小灯泡并联在副线圈的两端当两灯泡都正常工作时，原线圈电路中电压表和电流表(可视为理想电表)的示数分别是 ()图8A120 V,0.10 A B240 V,0.025 AC120 V,0.05 A D240 V,0.05 A答案D解析灯泡正常工作，副线圈两端的电压U212 V，副线圈中电流I22 A1 A，根据匝数比得原线圈中电流I1I20.05 A，原线圈两端的电压U120U2240 V，选项D正确3(理想变压器中的动态分析)如图9所示，理想变压器原、副线圈的匝数比为101，b是原线圈的中心抽头，电压表和电流表均为理想交流电表，从某时刻开始在原线圈两端加上交变电压u，其瞬时值表达式为u220sin (100t) V，现把单刀双掷开关与a连接，则()图9A电压表的示数为22 VB流过滑动变阻器的电流的方向每秒改变100次C在滑动变阻器的触头P向上移动的过程中，电压表和电流表的示数均变大D若把单刀双掷开关由a扳向b时，保持滑动变阻器的触头P不动，电压表示数变大，电流表的示数变小答案AB解析理想变压器可以变压、变流，但不改变功率和频率，由交变电压的表达式可知，该交变电压的频率为50 Hz，而产生交变电压的线圈每转一圈，其电流变向两次，故B正确；电压表的读数是有效值，根据理想变压器的变压比等于匝数比可知，该电压表的读数为22 V，A正确；滑动变阻器的触头P向上移动，其接入电路的阻值减小，而变压器两端的电压不变，则电压表的读数不变，副线圈中的电流变大，则电流表的读数变大，C错误；单刀双掷开关由a扳向b，变压器的原线圈的有效匝数减小，由可知，U2变大，变压器的输出功率和输入功率变大，故电压表和电流表的读数都变大，D错误.题组一对变压器原理的理解1如图所示四个电路，能够实现升压的是 ()答案D解析变压器只能对交变电流变压，不能对直流电流变压，故A、B错误；由于电压与线圈匝数成正比，只有D能实现升压，故C错误，D正确2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答案BD解析对于理想变压器，认为无磁通量损失，因而穿过两个线圈每一匝的磁通量相同，磁通量的变化率相等，每匝线圈产生的感应电动势相等，电压与匝数成正比，故A、C错误，B正确理想变压器没有能量损失，故输入功率等于输出功率，故D正确题组二理想变压器基本规律的应用3. 如图1所示，一理想变压器的原线圈匝数为n11 100匝，接电压U1220 V的交流电，副线圈接“20 V10 W”的灯泡，灯泡正常发光，可知 ()图1A副线圈的匝数n2200匝B副线圈中的电流I20.5 AC原线圈中的输入功率为10 WD原线圈中的电流I10.1 A答案BC解析由于理想变压器的电压比等于匝数比，副线圈匝数n2100匝，A错误；理想变压器的原、副线圈的功率相等，所以原线圈的输入功率为10 W，C正确；由功率PUI可得副线圈中的电流I20.5 A，原线圈中的电流I1I20.045 A，B正确，D错误4如图2所示，理想变压器的原线圈接在u220sin (100t) V的交流电源上，副线圈接有R55 的负载电阻原、副线圈匝数之比为21.电流表、电压表均为理想电表，下列说法中正确的是()图2A原线圈中电流表的读数为1 AB原线圈中的输入功率为220 WC副线圈中电压表的读数为110 VD副线圈中输出交流电的周期为50 s答案A解析先计算副线圈电压的有效值，原线圈电压的有效值为220 V，根据匝数比可以得到副线圈电压的有效值为110 V，根据负载电阻的大小可以知道副线圈中电流为2 A，根据原、副线圈的输入功率和输出功率相等可以知道原线圈中输入功率为220 W，电流的有效值为1 A，故A正确，B、C错误由交流电源的瞬时电压公式可知周期T0.02 s，副线圈中输出交流电的周期与原线圈相同，故D错误5一台理想降压变压器从10 kV的线路中降压并提供200 A 的负载电流已知两个线圈的匝数比为401，则变压器的原线圈电流、输出电压及输出功率分别是()A5 A,250 V,50 kWB5 A,10 kV,50 kWC200 A,250 V,50 kWD200 A,10 kV,2103 kW答案A解析由，得I1200 A5 A由，得U2U110103 V250 V由理想变压器功率关系，得P入P出U1I1U2I2200250 W50 kW.故正确选项为A.6. 如图3所示，一只理想变压器原线圈与频率为50 Hz的正弦交变电源相连，两个阻值均为20 的电阻串联后接在副线圈的两端图中的电流表、电压表均为理想交流电表，原、副线圈分别为200匝和100匝，电压表的示数为5 V则 ()图3A电流表的读数为0.5 AB流过电阻的交变电流的频率为100 HzC交变电源的输出电压的最大值为20 VD交变电源的输出功率为2.5 W答案CD解析根据欧姆定律可得副线圈中的电流I20.25 A，根据理想变压器原、副线圈中的电流与匝数的关系，可解得I10.125 A，A错误；理想变压器原、副线圈中的交变电流的频率相同，都为50 Hz，B错误；副线圈输出电压的有效值为10 V，根据正弦交变电流的最大值和有效值的关系可得其最大值应为U2m10 V，原、副线圈电压比为，可得交变电源输出电压的最大值为U1m20 V，C正确；对于理想变压器，交变电源的输出功率等于变压器副线圈负载消耗的功率，P2 W2.5 W，故D正确7如图4所示，将额定电压为60 V的用电器，通过一理想变压器接在正弦交变电源上闭合开关S后，用电器正常工作，交流电压表和交流电流表(均为理想电表)的示数分别为220 V和2.2 A以下判断正确的是()图4A变压器输入功率为484 WB通过原线圈的电流的有效值为0.6 AC通过副线圈的电流的最大值为2.2 AD变压器原、副线圈匝数比n1n2113答案BD解析变压器的输入功率P1P2I2U22.260 W132 W，选项A错误；由，得，选项D正确；由，得I1I22.2 A0.6 A，选项B正确；根据I得通过副线圈的电流的最大值I2mI2 A，选项C错误题组三理想变压器中的动态分析8如图5所示，理想变压器的副线圈上通过输电线接有两个相同的灯泡L1和L2，输电线的等效电阻为R.开始时，开关S断开当开关S接通时，以下说法中正确的是 ()图5A副线圈两端M、N的输出电压减小B副线圈输电线等效电阻R上的电压增大C通过灯炮L1的电流减小D原线圈中的电流增大答案BCD解析由于输入电压不变，所以当S接通时，理想变压器副线圈M、N两端输出电压不变，故选项A错误并联灯泡L2，总电阻变小，由欧姆定律知，流过电阻R的电流增大，电阻R上的电压URIR增大，故选项B正确副线圈输出电流增大，根据输入功率等于输出功率I1U1I2U2知，I2增大，原线圈输入电流I1也增大，故选项D正确UMN不变，UR变大，所以UL1变小，通过灯泡L1的电流减小，选项C正确9如图6所示，某理想变压器的原、副线圈的匝数均可调节，原线圈两端电压为一最大值不变的正弦交流电，在其他条件不变的情况下，为了使变压器输入功率增大，可使 ()图6A原线圈匝数n1增加B副线圈匝数n2增加C负载电阻R的阻值增大D负载电阻R的阻值减小答案BD解析由，P出可得P出又因为P入P出，所以P入分析可得选项B、D正确10如图7所示的电路中，P为滑动变阻器的滑片，保持理想变压器的输入电压U1不变，闭合开关S，下列说法正确的是()图7AP向下滑动时，灯L变亮BP向下滑动时，变压器的输出电压不变CP向上滑动时，变压器的输入电流变小DP向上滑动时，变压器的输出功率变大答案BD解析由于理想变压器输入电压U1不变，原、副线圈匝数不变，所以输出电压U2也不变，灯L亮度不随P的滑动而改变，故选项A错误，B正确P向上滑动时，滑动变阻器接入电路的电阻减小，负载总电阻R总减小，由I2知，通过副线圈的电流I2增大，输出功率P2U2I2增大，再由知输入电流I1也增大，故选项C错误，D正确题组四各种各样的变压器11. 如图8所示，在铁芯上、下分别绕有匝数n1800和n2200的两个线圈，上线圈两端与u51sin (314t) V的交流电源相连，将下线圈两端接交流电压表，则交流电压表的读数可能是()图8A2.0 VB9.0 VC12.7 VD144.0 V答案A解析由，得U2，其中U1 V，得U2 V9.0 V，因为题中两线圈并非处于理想状态，会出现漏磁，所以交流电压表的读数小于9.0 V，故选项A正确12如图9所示，L1和L2是高压输电线，甲、乙是两只互感器，若已知n1n21 0001，n3n41100，图中电压表示数为220 V，电流表示数为10 A，则高压输电线的输电功率为()图9A2.2103 W B2.2102 WC2.2108 W D2.2104 W答案C解析由电流互感器知，高压输电线中的电流I1 000 A，由电压互感器知，高压输电线中的电压U220103 V，则高压输电线的输电功率PUI2.2108 W.13理想自耦变压器的原线圈接有如图10所示的正弦交变电压，副线圈接有可调电阻R，触头P与线圈始终接触良好，下列判断正确的是()图10A交变电压u随时间t变化的规律是uU0cos 100tB若仅将触头P向A端滑动，则电阻R消耗的电功率增大C若仅使电阻R增大，则原线圈的输入功率增大D若使电阻R增大的同时，将触头P向B端滑动，则通过A处的电流一定增大答案AB解析由题图可得交变电压的周期T0.02 s，最大值为U0，则交变电压uU0costU0cos 100t，选项A正确；由，若仅将触头P向A端滑动，即n2增大，则副线圈的输出电压U2增大，电阻R消耗的电功率P增大，选项B正确；若仅使电阻R增大，则输出电压U2一定，输出功率P减小，原线圈的输入功率减小，选项C错误；若使电阻R增大的同时，将触头P向B端滑动，则输出电压U2减小，输出或输入的功率减小，通过A处的电流I一定减小，选项D错误