浙江省2018-2019版高中物理 第五章 交变电流 第4课时 变压器学案 新人教版选修3-2.doc

第4课时变压器研究选考把握考情知识内容变压器考试要求加试c教学要求1.知道变压器的基本结构及符号，会区分原、副线圈2.了解变压器的工作原理，知道变压器不能改变直流电压的原因3.掌握理想变压器原、副线圈的电压与匝数的关系4.了解变压器的应用5.了解变压器能量损耗的原因，知道理想变压器的输入功率等于输出功率6.知道理想变压器的原、副线圈中电流与匝数的关系7.会应用电压与线圈匝数、电流与线圈匝数的关系解决简单的问题说明不要求分析、计算两个及以上副线圈和有两个磁路的变压器问题知识点一变压器的构造和原理基 础 梳 理1.变压器的构造：由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成。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。如图1所示。图12.变压器的工作基础是互感现象。因此变压器只对变化的电流起作用，对恒定电流不起作用。(后两空选填“变化”或“恒定”)要 点 精 讲1.对变压器工作原理的理解。如图2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，在副线圈中要产生感应电动势U2。如果副线圈是闭合的，则副线圈中将产生交变的感应电流，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。图22.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。【例1】 如图3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，电流表的示数是12 mA，则电流表的示数为()图3A.3 mAB.0C.48 mA D.与负载R的值有关解析导体棒向左匀速切割磁感线时，在线圈n1中通过的是恒定电流，不能引起穿过线圈n2的磁通量变化，在副线圈n2上无感应电动势出现，所以电流表A2中无电流通过。故选项B正确。答案B名师点睛本题常见错误是忽略了变压器的工作条件，只有原线圈中的电流是变化的，才能引起副线圈中的磁通量发生变化，产生感应电动势。知识点二理想变压器电压与匝数的关系基 础 梳 理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。要 点 精 讲1.理想变压器的特点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。实际变压器一般可看成理想变压器。2.对理想变压器“变压”原理的理解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。【例2】 如图中，可以将电压升高给电灯供电的变压器是()解析变压器只能对交变电流实现变压，不能对直流变压，故选项A、D错误；由于电压与变压器线圈匝数成正比，副线圈匝数多于原线圈的变压器才能实现升压，所以选项B错误，C正确。答案C【跟踪训练1】 某型号家用交流稳压器中，变压器的原、副线圈都带有滑动触头，如图4所示，当变压器输入电压发生变化时，可通过向上、向下调节P1、P2的位置，使输出电压稳定在220 V。现发现输出电压低于220 V，欲通过调节P1、P2的位置使输出电压稳定在220 V，下列措施可行的是()图4A.保持P1不动，将P2向上移B.保持P2不动，将P1向下移C.将P1向上移，同时P2向下移D.将P1向下移，同时P2向上移解析设变压器的输入电压为U1，输出电压为U2，原、副线圈匝数分别为n1、n2；现输出电压低于220 V，要调高U2，根据变压器的工作原理，则U2U1，增大U2的方法：可以增大n2，A正确，也可以减小n1，B正确，还可以增大n2的同时减小n1，D正确。答案ABD【跟踪训练2】 将输入电压为220 V，输出电压为6 V的变压器，改装成输出电压为30 V的变压器，副线圈原来的匝数为30匝，原线圈的匝数不变，则副线圈应增加的匝数为()A.150匝 B.144匝C.130匝 D.120匝解析由题意，将n230匝代入得n2150匝，则副线圈应增加n120匝。答案D知识点三理想变压器中的功率关系及电流关系基 础 梳 理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：由I1U1I2U2，可得。要 点 精 讲要点1对理想变压器规律的理解1.由知，对于只有一个副线圈的变压器，电流与匝数成反比。因变压器高压线圈匝数多而通过的电流小，可用较细的导线绕制；低压线圈匝数少而通过的电流大，可用较粗的导线绕制。2.变压器能改变交变电压、交变电流，但不能改变功率和交变电流的频率，输入功率总等于输出功率，副线圈中交变电流的频率总等于原线圈中交变电流的频率。3.变压器的电流关系也是有效值(或最大值)间的关系。【例3】 如图5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“200 V60 W”灯泡一只且灯泡正常发光。则()图5A.电流表的示数为0.015 AB.电源输出功率为1 200 WC.电流表的示数为6 AD.原线圈端电压为10 V解析从副线圈接入“200 V60 W”灯泡一只，且灯泡正常发光这一条件可以看出，输出功率为60 W，由公式得电流表读数是0.015 A，由得原线圈端电压为4 000 V。答案A【跟踪训练3】 理想变压器连接电路如图6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6A.电压表读数为282 V B.电压表读数为28.2 VC.输入功率为56.4 W D.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要点2理想变压器中各量的制约关系和动态分析1.理想变压器工作时各量的制约关系(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，分析各物理量随负载电阻变化而变化的情况，进行动态分析的顺序是RI2P2P1I1。(2)负载电阻不变，分析各物理量随匝数之比的变化而变化的情况，进行动态分析的顺序是n1、n2U2I2P2P1I1。特别提醒(1)理想变压器将电能由原线圈传给副线圈时总是“量出为入” ，即用户消耗多少，原线圈就提供多少，因而输出功率决定输入功率。(2)可以把理想变压器的副线圈看作给用户供电的无阻电源，对负载电路进行动态分析时，可以参照直流电路动态分析的方法。【例4】 如图7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为加在原线圈上的电压，则()图7A.保持U1及P的位置不变，K由a合到b时，I1将增大B.保持P的位置及U1不变，K由b合到a时，R消耗的功率将减小C.保持U1不变，K合在a处，使P上滑，I1将增大D.保持P的位置不变，K合在a处，若U1增大，I1将增大解析K由a合到b时，n1减小而U1不变，由可知，副线圈上的电压增大，流过负载R的电流I2增大，P2增大，又由于P1P2U1I1，故I1增大，故选项A正确；同理K由b合到a时，P2减小，故选项B正确；P上滑时，负载电阻R增大，而U1、U2均不变，由I2可知I2减小，又由于n1、n2均不变，由可知I1将减小，故选项C错误；当U1增大时，由可知U2也增大，I2增大，再由可知I1增大，故选项D正确。答案ABD规律总结(1)理想变压器原、副线圈的电路发生变化时，电流和电压如何变化的判断，先要由判断U2是否变化，再根据U2及负载电阻变大或变小的情况，由欧姆定律确定副线圈中的电流I2的变化情况，最后再由P入P出判断原线圈中电流的变化情况。(2)理想变压器的动态问题的分析思路可表示为：知识点四 实验：探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系要点精讲1.实验目的：探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系。2.实验原理：原线圈通过电流时，铁芯中产生磁场，由于交变电流的大小和方向都在不断变化，铁芯中的磁场也在不断的变化，变化的磁场在副线圈中产生感应电动势，副线圈中就存在输出电压，本实验通过改变原、副线圈匝数，探究原、副线圈的电压与匝数的关系。3.实验器材：两只多用电表(或两只交直流数字电压表)、学生电源(低压交流电源)、开关、可拆变压器、导线若干。4.实验步骤(1)按如图8所示连接好电路，将两个多用电表调到交流电压挡，并记录两个线圈的匝数。图8(2)接通学生电源，读出电压值，并记录在表格中。(3)保持匝数不变，多次改变输入电压，记录下每次的两个电压值。(4)保持电压、原线圈的匝数不变，多次改变副线圈的匝数，记录下每次的副线圈匝数和对应的电压值。5.数据记录与处理次序n1(匝)n2(匝)n1n2U1(V)U2(V)U1U212346.结论：原、副线圈的电压比与原、副线圈的匝数比相等。7.误差分析(1)实验变压器存在各种损耗。(2)交流电表的读数存在误差。8.注意事项(1)在改变学生电源电压、线圈匝数前均要先断开开关，再进行操作。(2)为了人身安全学生电源的电压不能超过12 V，不能用手接触裸露的导线和接线柱。(3)为了多用电表的安全，使用交流电压挡测电压时，先用最大量程挡试测，大致确定被测电压后再选用适当的挡位进行测量。【例5】 在“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”的实验中，实验室中备有下列可供选择的器材：A.可拆变压器(铁芯、两个已知匝数的线圈)B.条形磁铁C.直流电源D.多用电表E.开关、导线若干上述器材在本实验中不必用到的是_(填器材前的序号)，本实验中还需用到的器材有_。答案BC低压交流电源【例6】 做“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验时，原线圈接在学生电源上，用多用电表测量副线圈的电压，下列操作正确的是()A.原线圈接直流电压，电表用直流电压挡B.原线圈接直流电压，电表用交流电压挡C.原线圈接交流电压，电表用直流电压挡D.原线圈接交流电压，电表用交流电压挡解析副线圈上的感应电动势是通过两个线圈间的互感现象产生的，所以原线圈上的电流应该是变化的，应为交流电流，电压为交流电压，故D正确。答案 D1.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。答案C2.理想变压器原、副线圈匝数比为51，正常工作时，下列说法正确的是()A.穿过原、副线圈的磁通量相等，且每一匝线圈磁通量的变化率相等B.原、副线圈每一匝产生的电动势瞬时值之比为51C.原、副线圈的电压之比为51D.原、副线圈的输入、输出功率之比为11解析对理想变压器，无磁通量损失，因而穿过两个线圈的磁通量相等，磁通量变化率也相等，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，A、C正确，B错误；理想变压器可以忽略各种损耗，故输入功率等于输出功率，D正确。答案ACD3.如图9甲所示，理想变压器的原线圈电路中装有0.5 A的保险丝L，原线圈匝数n1600 匝，副线圈匝数n2120 匝。当原线圈接在如图乙所示的交流电源上，要使整个电路和用电器正常工作，则副线圈两端可以接()图9A.阻值为12 的电阻B.并联两盏“36 V40 W”的灯泡C.工作频率为10 Hz的用电设备D.耐压值为36 V的电容器解析当原线圈接在题图乙所示的交流电源上，变压器输入电压为180 V，由变压器的电压规律得，副线圈输出电压为36 V，由电流规律可知副线圈最大电流为2.5 A，副线圈两端可以接的最小电阻为14.4 ，选项A错误；变压器最大输入功率为1800.5 W90 W，副线圈两端可以并联两盏“36 V40 W”的灯泡，选项B正确；由图乙可知，交变电流频率为50 Hz，副线圈两端不可以接工作频率为10 Hz 的用电设备，选项C错误；副线圈输出电压最大值为36 V，耐压值为36 V的电容器如果接上的话，将会被击穿，选项D错误。答案B4.如图10，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10A.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n1：n2113解析对于理想变压器，输入功率等于输出功率，所以输入功率P入602.2 W132 W，A错误；通过原线圈的电流I1 A0.6 A，B正确；正弦式交变电流的最大值I2mI22.2 A，C错误；根据变压器变压比有n1n2U1U2113，D正确。答案BD5.如图11所示，理想变压器原线圈接一交流电源，副线圈回路中有一定值电阻R和两个小灯泡L1、L2，最初开关S是断开的，现闭合开关S，则()图11A.副线圈两端电压变大 B.小灯泡L1变亮C.交流电流表A1示数变大 D.电阻R中的电流变小解析闭合开关S，副线圈两端电压不变，选项A错误；同时副线圈回路中总电阻变小，所以副线圈输出电流变大，电阻R中的电流变大，小灯泡L1两端电压降低，小灯泡L1变暗，选项B、D错误；由于原、副圈匝数比一定，当副线圈的输出电流增大时，原线圈的输入电流也增大，所以交流电流表A1示数变大，选项C正确。答案C一、选择题(在每小题给出的四个备选项中至少有一个是符合题目要求的。)1.一个正常工作的理想变压器的原、副线圈中，下列物理量一定相等的是()A.交流电的频率 B.电流的有效值C.电功率 D.磁通量的变化率解析由变压器的工作原理可知输入、输出交变电流的频率相同，穿过原、副线圈的磁通量变化率相等，所以A、D正确；理想变压器没有能量损失，即输入功率和输出功率相等，所以C正确；对于升、降压变压器中原、副线圈中电流的最大值、有效值不同，所以B错误。答案ACD2.如图1所示，水平铜盘半径为r，置于磁感应强度为B，方向竖直向下的匀强磁场中，铜盘绕通过圆盘中心的竖直轴以角速度做匀速圆周运动，铜盘的边缘及中心处分别通过滑动变阻器R1与理想变压器的原线圈相连，该理想变压器原、副线圈的匝数比为n1，变压器的副线圈与电阻为R2的负载相连，则()图1A.变压器原线圈两端的电压为B.若R1不变时，通过负载R2的电流强度为0C.若R1不变时，变压器的副线圈磁通量为0D.若R1变化时，通过负载R2的电流强度为通过R1电流的解析水平铜盘做匀速圆周运动，半径切割磁感线产生恒定的感应电动势相当于电源，E。当R1不变时变压器原线圈所加的是恒定电压，副线圈中的磁通量一定，磁通量的变化量为零，故其输出电压为零，分析可知，原线圈两端电压小于，A、C错误，B正确；当R1变化时，原线圈所加的不是交流电压，其原、副线圈的电流关系不确定，故D错误。答案B3.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()A.I1由I2决定 B.U2与负载有关C.P1由P2决定 D.以上说法都不正确答案AC4.一输入电压为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，如图2所示，然后将原线圈接到220 V交流电源上，测得新绕线圈的端电压为 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2A.1 100，360B.1 100，180C.2 200，180 D.2 200，360解析由得，解得n11 100、n2180，选项B正确。答案B5.如图3所示是通过变压器为一精密仪器供电的电路，仪器两端的电压可通过示波器显示出来，电路中的变压器可视为理想变压器，已知示波器显示的电压为U231.1sin(100t)V，变压器原线圈与副线圈的匝数比，若仪器可以看成纯电阻电路，其工作时的电阻R44 ，下列判断正确的是()图3A.原线圈两端电压为311 V，原线圈中的电流为70.7 mAB.原线圈两端电压为220 V，原线圈中的电流为50 mAC.原线圈所接交流电源的频率为100 HzD.原线圈所接交流电源的频率为50 Hz解析根据题目给出的副线圈输出电压的变化规律可知，副线圈两端的电压U2 V22 V。由得，U1220 V；由U2I2R，得I20.5 A500 mA。由得：I150 mA，B正确，A错误；变压器原、副线圈中交变电流的频率相等，均为50 Hz，D正确，C错误。答案BD6.下图所示的4种亮度可调的台灯的电路示意图，它们所用的白炽灯相同，且都是“200 V，40 W”。当灯泡所消耗的功率都调至20 W时，台灯消耗的功率最小的是()解析在通过电阻进行分压或分流的电路中，电阻本身将消耗能量，利用理想变压器使灯在工作时变压器不损失能量，则这种可调台灯消耗的功率就最小，分析可知使灯的功率都调至20 W时C电路消耗功率最小。答案C7.(2017绍兴高二月考)对于理想变压器，下列说法正确的是()A.原线圈的输入功率随副线圈输出功率的增大而增大B.原线圈的输入电流随副线圈输出功率的增大而增大C.原线圈的电流不随副线圈输出电流的变化而变化D.当副线圈的电流为零时，原线圈的电压也为零解析理想变压器的原线圈的输入功率等于副线圈的输出功率，且随副线圈输出功率的变化而变化，原线圈的输入电流取决于副线圈的输出电流，当副线圈的电流为零时，原线圈的电流也为零，但原线圈电压并不一定为零，故A、B正确，C、D错误。答案AB8.一自耦变压器如图4所示，环形铁芯上只绕有一个线圈，将其接在a、b间作为原线圈。通过滑动触头取该线圈的一部分，接在c、d间作为副线圈。在a、b间输入电压为U1的交变电流时，c、d间的输出电压为U2。在将滑动触头从M点顺时针旋转到N点的过程中()图4A.U2U1，U2降低 B.U2U1，U2升高C.U2U1，U2降低 D.U2U1，U2升高解析从图中看到，原线圈匝数对应整个部分，而副线圈匝数对应的是一部分，所以该变压器为降压变压器。根据理想变压器电压和匝数的关系，在将滑动触头从M点顺时针旋转到N点的过程中，副线圈的匝数变少，U2降低。答案C9.(2017温州高二期中)如图5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“220 V60 W”灯泡一只，且灯泡正常发光。则()图5A.交流电流表的示数为AB.电源输出功率为1 200 WC.交流电流表的示数为 AD.原线圈两端电压为11 V解析副线圈电压U2220 V，电流I2 A，则原线圈两端电压U1U24 400 V，电流I1I2 A，所以交流电流表的示数为 A，选项A、D错误，C正确；电源输出功率等于灯泡消耗的功率，为60 W，选项B错误。答案C10.(2017绍兴高二期中)如图6所示，面积为0.02 m2、内阻不计的100匝矩形线圈ABCD，以50 r/s的转速绕垂直于磁场的轴OO匀速转动，匀强磁场的磁感应强度为 T。矩形线圈通过滑环和电刷与理想变压器相连，触头P可移动，副线圈所接电阻R50 ，原、副线圈匝数比为21，电表均为理想交流电表。当线圈平面与磁场方向平行时开始计时。下列说法正确的是()图6A.副线圈两端交变电压的频率为25 HzB.P上移时，电流表示数减小C.电压表示数为100 VD.电阻上消耗的功率为200 W解析矩形线圈以50 r/s的转速转动，故频率为50 Hz，变压器不改变电流的频率，A项错误；P上移时，原线圈的匝数减小，则导致副线圈电压增大，那么副线圈电流也增大，则原线圈的电流会增大，B项错误；由于最大值EmnBS1000.02250 V200 V，有效值是最大值的倍，所以交流电的有效值为U100 V，电压表示数为100 V，C项正确；当原、副线圈匝数比为21时，副线圈的电压为50 V，电阻上消耗的功率为P100 W，D项错误。答案C11.(2017杭州富阳市高二月考)如图7甲是线圈绕垂直于磁场的轴在匀强磁场中匀速转动时所产生的正弦交流电图象，把该交流电压加在图乙中变压器的A、B两端，已知理想变压器原线圈和副线圈的匝数比为51，交流电流表和交流电压表均为理想电表，电阻R1 ，其它各处电阻不计，以下说法正确的是()图7A.在t0.1 s、0.5 s时，穿过线圈的磁通量最大B.线圈转动的角速度为10 rad/sC.电压表的示数为 VD.电流表的示数为0.40 A解析由图象可知，在t0.1 s、0.5 s时，电压最大，此时磁通量的变化率最大，此时穿过线圈的磁通量为零，所以A项错误；根据图象可以知道，交流电的周期是0.4 s，由5 rad/s，B项错误；电压表读数为副线圈有效值，原线圈的电压的有效值为10 V，由电压与匝数成正比可得副线圈的电压有效值为2 V，所以电压表的示数为2 V，所以C项错误；因I2 A2 A，由得I10.40 A，所以电流表读数为0.40 A，D项正确。答案D二、非选择题12.(2017台州市高二期中)一个变压器原线圈输入电压为220 V，副线圈输出电压为22 V。若副线圈增加100 匝后，输出电压增加到33 V，则变压器原线圈匝数为多少？解析根据变压器匝数与电压成正比，U1U2n1n2101，若副线圈增加100 匝，则输出电压就增加到33 V。所以n1(n2100)22033解得：原线圈匝数为n12000 匝。答案2000 匝