2019-2020年高中物理 5.5 变压器学案 新人教版选修3-2.doc

2019-2020年高中物理 5.5 变压器学案 新人教版选修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.掌握理想变压器的功率关系.3.理解变压器的变压规律和变流规律，并运用此规律解决实际问题一、变压器的原理1变压器的结构：如图1所示，为变压器的示意图和在电路图中的符号图1(1)变压器的构造：闭合铁芯、原线圈(匝数用n1表示)、副线圈(匝数用n2表示)输入电压是U1，输出电压是U2，两个线圈都绕在闭合铁芯上(2)原线圈：与交流电源相连接的线圈，又叫做初级线圈(3)副线圈：与负载相连的另一个线圈，又叫做次级线圈2变压器的工作基础变压器的工作基础是互感现象想一想(1)把两个没有导线相连的线圈套在同一个闭合铁芯上，一个线圈连接到交流电源的两端，另一个线圈连接到小灯泡上(如图2所示)，小灯泡能发光吗？为什么？图2答案能当左边线圈加上交流电压时，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通量，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)若把交流电源改为蓄电池，小灯泡发光吗？答案不发光二、电压与匝数的关系1理想变压器：没有能量损失的变压器2电压与匝数的关系：原、副线圈的电压之比等于两个线圈的匝数之比，即.3降压变压器：副线圈的电压比原线圈的电压低的变压器4升压变压器：副线圈的电压比原线圈的电压高的变压器一、变压器“变压”的原理1变压器的工作基础是互感现象，由于互感作用，穿过原、副线圈的磁通量相等，磁通量的变化率相等，若原线圈匝数为n1，则U1n1，副线圈匝数为n2，则U2n2，所以.2变压器的变压关系(1)只有一个副线圈：.(2)有多个副线圈：.3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4变压器不改变交流电的频率例1理想变压器正常工作时，原、副线圈中一定相同的物理量是()A每匝线圈中磁通量的变化率B交变电流的频率C原线圈的输入功率和副线圈的输出功率D原线圈的感应电动势和副线圈的感应电动势答案ABC二、理想变压器的功率关系和电流关系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2理想变压器的功率关系从能量守恒看，理想变压器的输入功率等于输出功率，即P入P出3电流关系(1)只有一个副线圈时，有U1I1U2I2，得：n1I1n2I2，即.(2)当有多个副线圈时，由I1U1I2U2I3U3得：n1I1n2I2n3I3.4电压、电流、功率的制约关系(1)电压制约：输入电压U1决定输出电压U2.(2)功率制约：P出决定P入，这体现了能量守恒的特点(3)电流制约：输出电流I2决定输入电流I1.图3例2如图3所示，一理想变压器原、副线圈的匝数比为12，副线圈电路中接有灯泡，灯泡的额定电压为220 V，额定功率为22 W，原线圈电路中接有电压表和电流表现闭合开关，灯泡正常发光若用U和I分别表示此时电压表和电流表的读数，则()AU110 V，I0.2 ABU110 V，I0.05 ACU110 V，I0.2 ADU110 V，I0.2 A解析U2220 V，根据U1U2n1n2得，U1110 VI20.1 A，根据I1I2n2n1得I10.2 A所以正确答案是A.答案A针对训练用220 V的正弦交流电通过理想变压器对一负载供电，变压器输出电压是110 V，通过负载的电流随时间变化的图象如图4所示，则()图4A变压器输入功率约为3.9 WB输出电压的最大值是110 VC变压器原、副线圈的匝数比是12D负载电流的函数表达式i0.05sin (100t) A答案A解析变压器的输入功率等于输出功率，等于输出电压的有效值与输出电流的有效值的乘积，所以PUI110 V A3.9 W，A正确；输出电压的有效值是110 V，最大值是110 V，所以B错；变压器原、副线圈匝数之比是21，C错；负载电流的函数表达式是i0.05sin(100t) A，D错图5例3如图5所示，理想变压器三个线圈的匝数之比为n1n2n31051，其中n1接到220 V的交流电源上，n2和n3分别与电阻R2、R3组成闭合回路已知通过电阻R3的电流I32 A，电阻R2110 ，求通过电阻R2的电流I2和通过原线圈的电流I1.解析由变压器原、副线圈电压比等于其匝数比可得，加在R2上的电压U2 U1220 V110 V通过电阻R2的电流I2 A1 A加在R3上的电压U3 U1220 V22 V根据输出功率等于输入功率得：U1I1U2I2U3I3代入数据解得通过原线圈的电流为：I10.7 A.答案1 A0.7 A三、几种常见的变压器1自耦变压器如图6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6规律：，.2电压互感器(1)构造：小型降压变压器，如图7甲所示(2)接法：原线圈并联在高压电路中，副线圈接电压表；为了安全，外壳和副线圈应接地(3)作用：将高电压变为低电压，通过测量低电压，计算出高压电路的电压图73电流互感器(1)构造：小型升压变压器，如图乙所示(2)接法：原线圈串联在被测电路中，副线圈接电流表为了安全，外壳和副线圈应接地(3)作用：将大电流变成小电流，通过测量小电流，计算出被测电路中的大电流例4普通的交流电流表不能直接接在高压输电线路上测量电流，通常要通过电流互感器来连接，如图8所示，图中电流互感器ab一侧线圈的匝数较少，工作时电流为Iab，cd一侧线圈的匝数较多，工作时电流为Icd，为了使电流表能正常工作，则()图8Aab接MN、cd接PQ，IabIcdBab接MN、cd接PQ，IabIcdCab接PQ、cd接MN，IabIcdDab接PQ、cd接MN，IabIcd解析根据单一副线圈的理想变压器原理，电流比值等于匝数比的倒数，可得ab接MN、cd接PQ，IabIcd，故B正确答案B变压器原理分析1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答案C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，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电能，原、副线圈通过磁场联系在一起，故D错误理想变压器基本规律的应用2理想变压器正常工作时，原、副线圈中的电流为I1、I2，电压为U1、U2，功率为P1、P2，关于它们之间的关系，下列说法中正确的是()AI1由I2决定BU2与负载有关CP1由P2决定 D以上说法都不正确答案AC3如图9所示为一理想变压器，原、副线圈匝数比为201，两个标有“12 V,6 W”的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9A120 V,0.10 A B240 V,0.025 AC120 V,0.05 A D240 V,0.05 A答案D解析两灯泡正常工作，副线圈电压U212 V，副线圈电流I22 A1 A，根据匝数比得原线圈电流I1I20.05 A，原线圈电压U120U2240 V，选项D正确互感器的应用4如图10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，则高压输电线的送电功率为()图10A2.2103 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电流I1 000 A，由电压互感器知高压输电线的电压U220103 V，则高压输电线的送电功率PUI2.2108 W.(时间：60分钟)题组一变压器原理分析1对理想变压器作出的判断正确的是()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、导线粗答案D解析电压高的匝数多，电流小，用细线电压低的，匝数少，电流大，用粗线2如图1所示，理想变压器原、副线圈的匝数比为n1n241，当导体棒在匀强磁场中向左做匀速直线运动切割磁感线时，电流表A1的示数是12 mA，则电流表A2的示数为()图1A3 mA B0C48 mA D与负载R的值有关答案B解析导体棒向左匀速切割磁感线时，在原线圈n1中通过的是恒定电流，不能引起穿过副线圈n2的磁通量变化，在副线圈n2上无感应电动势出现，所以A2中无电流通过题组二变压器基本规律的应用3如图2所示，一输入电压为220 V、输出电压为36 V的变压器副线圈烧坏为获知此变压器原、副线圈匝数，某同学拆下烧坏的副线圈，用绝缘导线在铁芯上新绕了5匝线圈，然后将原线圈接到220 V交流电源上，测得新绕线圈两端的电压为1 V，按理想变压器分析，该变压器烧坏前的原、副线圈匝数分别为()图2A1 100,360 B1 100,180C2 200,180 D2 200,360答案B解析由U1U2U3n1n2n3，可得n1n31 100匝，n2n1180匝，B选项正确4如图3所示是霓虹灯的供电电路图，变压器可视为理想变压器已知变压器原线圈与副线圈的匝数比，加在原线圈两端的电压为u1311sin (100t) V霓虹灯正常工作的电阻R440 k，I1、I2表示原、副线圈中的电流下列判断正确的是()图3A副线圈两端电压为6 220 V，副线圈中的电流为14.1 mAB副线圈两端电压为4 400 V，副线圈中的电流为10 mACI1I2DI1I2答案BD解析原线圈两端电压的有效值U1 V220 V，由变压比知，U24 400 V，副线圈中的电流I2 A0.01 A10 mA，原、副线圈中的电流跟匝数成反比，故I1I2.5如图4所示，理想变压器的原线圈接入u11 000sin(100t)V的交变电压，副线圈通过电阻r6 的导线对“220 V,880 W”的用电器RL供电，该电器正常工作，由此可知()图4A原、副线圈的匝数比为501B交变电压的频率为100 HzC副线圈中电流的有效值为4 AD变压器的输入功率为880 W答案C解析因为用电器正常工作，可知用电器RL上的电压是220 V，电流为4 A，C正确；副线圈电压244 V，所以原副线圈匝数比45，A错误；变压器不改变交变电流的频率，原线圈电压频率50 Hz，副线圈电压频率还是50 Hz，B错误；变压器输入功率等于输出功率，输出功率大于880 W，所以输入功率也大于880 W，D错误6如图5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5A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I2mI22.2 A，选项C错误7一台理想变压器从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，则变压器原线圈的电流、输出电压及输出功率是()A5 A,250 V,50 kWB5 A,10 kV,50 kWC200 A,250 V,50 kWD200 A,10 kV,2103 kW答案A解析设原线圈的输入电压、电流、输入功率分别为U1、I1、P1，副线圈输出电压、电流、输出功率分别为U2、I2、P2，原、副线圈匝数分别为n1、n2.由知I1I2200 A5 A.由知U2U110103 V250 V，输出功率P出U2I2250200 W50 kW.8如图6所示，在某交流电路中，有一正在工作的变压器，原、副线圈匝数分别为n1600，n2120，交流电源电压U1220 V，原线圈中串联一个0.2 A的保险丝，为保证保险丝不被烧断，则()图6A负载功率不能超过44 WB副线圈电流最大值不能超过1 AC副线圈电流有效值不能超过1 AD副线圈电流有效值不能超过0.2 A答案AC解析由P入P出可知P入U1I144 W又由，得U244 V，故I2不能大于1 A，负载功率不能超过44 W.9一理想变压器原、副线圈匝数比n1n2115.原线圈与正弦交变电源连接，输入电压u随时间t变化的图象如图7所示，副线圈仅接入一个10 的电阻则()图7A流过电阻的电流是20 AB与电阻并联的电压表的示数是100 VC经过1 min电阻发出的热量是6103 JD变压器的输入功率是1103 W答案D解析设输入电压为U1，输出电压为U2，由知U2100 V，I2 A10 A，故选项A、B错误；1 min内电阻产生的热量QIRt1021060 J6104 J，故选项C错误；P入P出1103 W，故选项D正确题组三几种变压器的使用10自耦变压器铁芯上只绕有一个线圈，原、副线圈都只取该线圈的某部分一升压式自耦调压变压器的电路如图8所示，其副线圈匝数可调已知变压器线圈总匝数为1 900匝，原线圈为1 100匝，接在有效值为220 V的交流电源上当变压器输出电压调至最大时，负载R上的功率为2.0 kW.设此时原线圈中电流的有效值为I1，负载两端电压的有效值为U2，且变压器是理想的，则U2和I1分别为()图8A380 V和5.3 A B380 V和9.1 AC240 V和5.3 A D240 V和9.1 A答案B解析由理想变压器原、副线圈中电压、电流及功率关系可得：，U1I1P2.所以，当变压器输出电压调至最大时，副线圈的匝数也最大为n21 900匝，负载R上的功率也最大，为2.0 kW，则U2U1220 V380 V，I1 A9.1 A，故选项B正确11为了监测变电站向外输电情况，要在变电站安装互感器，其接线如图9所示，两变压器匝数分别为n1、n2和n3、n4，a和b是交流电表，则()图9An1n2Bn3n4Ca为交流电流表，b为交流电压表Da为交流电压表，b为交流电流表答案AD解析由电路连接方式可知，左图是电压互感器，把高电压经过变压器降压后测量，所以n1n2，a为交流电压表，右图为电流互感器，把大电流经过变压器变为小电流再测量，所以n3n4 ，b为交流电流表12如图10所示，一台有两个副线圈的变压器，原线圈匝数n11 100匝接入电压U1220 V的交流电路中图10(1)要求在两个副线圈上分别得到电压U26 V，U3110 V，它们的匝数n2、n3分别为多少？(2)若在两副线圈上分别接上“6 V,20 W”、“110 V，60 W”的两个用电器，原线圈的输入电流为多少？答案(1)30匝550匝(2) A解析(1)根据原、副线圈间电压与匝数的关系：由得n2n11 100匝30匝n3n11 100匝550匝(2)设原线圈输入电流为I1，由P入P出得U1I1U2I2U3I3P2P3所以I1 A A.