2019-2020年高中物理第五章交变电流第4节变压器教学案新人教版选修3-2.doc

2019-2020年高中物理第五章交变电流第4节变压器教学案新人教版选修3-21.互感现象是变压器的工作基础，变压器工作时有能量损失，变压器的输出功率与输入功率之比叫做变压器的效率。理想变压器的效率为100%。2理想变压器原、副线圈的电压与匝数的关系为。3如果理想变压器的副线圈只有一个，则P1P2，即U1I1U2I2，得出原、副线圈电流与匝数的关系为。4所有变压器不改变交变电流的频率，理想变压器不改变功率。 一、变压器的原理 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，如图541所示。图541(1)原线圈：与交流电源连接的线圈，也叫初级线圈。(2)副线圈：与负载连接的线圈，也叫次级线圈。2变压器的工作原理变压器工作的基础是互感现象，电流通过原线圈时在铁芯中激发的磁场不仅穿过原线圈，也同时穿过副线圈，由于电流的大小、方向在不断变化，铁芯中的磁场也在不断变化，变化的磁场在副线圈中产生感应电动势。3作用改变交变电流的电压。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，也是一个理想化模型。2电压与匝数的关系理想变压器原、副线圈的电压之比，等于两个线圈的匝数之比，即：。3两类变压器副线圈的电压比原线圈电压低的变压器叫降压变压器；副线圈的电压比原线圈电压高的变压器叫升压变压器。三、两种互感器1电压互感器把高电压变成低电压。它的原线圈并联在高压电路上，副线圈接入交流电压表，如图542甲所示。2电流互感器把大电流变成小电流。原线圈串联在被测电路中，副线圈接入交流电流表，如图乙所示。图5421自主思考判一判(1)变压器只能改变交变电流的电压，不能改变直流电的电压。()(2)实际生活中，不存在原线圈与副线圈匝数相等的变压器。()(3)理想变压器不仅可以改变交变电流的电压和电流，还可以改变交变电流的功率和频率。()(4)理想变压器是客观存在的。()(5)适用于任何理想变压器。()2合作探究议一议(1)如果把变压器接入直流电路，变压器能起到变压作用吗？提示：变压器是依据电磁感应工作的，因此只能工作在交流电路中，如果变压器接入直流电路，原线圈中的电流不变，在铁芯中不会引起磁通量的变化，就没有互感现象出现，变压器就起不到变压作用。(2)变压器的两个线圈所用导线的粗细一样吗？提示：不一样。高压线圈匝数多而通过的电流小，用较细的导线绕制而成；低压线圈匝数少而通过的电流大，用较粗的导线绕制而成。(3)变压器的铁芯为什么用薄硅钢片叠压而成？提示：为了减少损耗，变压器的铁芯常用涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压而成。这样，涡流被限制在狭窄的薄片之中，回路的电阻很大，涡流大为减弱，从而减小了铁损。变压器的工作原理及规律1工作原理2基本规律(1)一原一副，P入P出，(2)一原多副，P入P出，U1I1U2I2U3I3n1I1n2I2n3I3典例如图543所示，理想变压器原、副线圈匝数比为201，两个标有“12 V,6 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(可视为理想的)的示数分别是()图543A120 V,0.10 AB240 V,0.025 AC120 V,0.05 A D240 V,0.05 A思路点拨解答本题时可按以下思路分析：解析由于灯泡正常发光，所以U212 V，根据 解得U1240 V；两个灯泡均正常发光，I221 A，根据解得I10.05 A，故D正确。答案D1理想变压器不改变交变电流的周期和频率。2(1)，无论副线圈一端是空载还是有负载，都是适用的。(2)输出电压U2由输入电压U1和原、副线圈的匝数比共同决定。由得，。(3)若变压器有多个副线圈，有，即电压关系仍成立。两个副线圈之间U满足。 1一理想变压器原、副线圈匝数之比n1n2115，原线圈与正弦交变电源连接，输入电压U如图544所示。副线圈仅接入一个10 的电阻，则()图544A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 分钟电阻发出的热量是6103 JD变压器的输入功率是1103 W解析：选D由电压的有效值和最大值的关系得U1220 V。根据理想变压器电压与匝数的关系，得U2U1220 V100 V，故电压表的示数是100 V，B错误；I2 A10 A，A错误；1 分钟内电阻发出的热量QI2Rt1021060 J6104 J，C错误；变压器的输入功率等于输出功率，即P入P出U2I210010 W1103 W，故D正确。2(多选)(xx全国丙卷)如图545，理想变压器原、副线圈分别接有额定电压相同的灯泡a和b。当输入电压U为灯泡额定电压的10倍时，两灯泡均能正常发光。下列说法正确的是()图545A原、副线圈匝数比为91B原、副线圈匝数比为19C此时a和b的电功率之比为91D此时a和b的电功率之比为19解析：选AD设灯泡的额定电压为U0，输入电压为灯泡额定电压的10倍时灯泡正常发光，则变压器原线圈的电压为9U0，变压器原、副线圈的匝数比为91，选项A正确，选项B错误；由9U0IaU0Ib得，流过b灯泡的电流是流过a灯泡电流的9倍，根据PUI，a、b灯泡的电功率之比为19，选项C错误，选项D正确。3.如图546所示，理想变压器原线圈匝数为n11 000 匝，两个副线圈匝数分别为n250 匝和n3100 匝，L1是“6 V2 W”的灯泡，L2是“12 V4 W”的灯泡，当原线圈接正弦交变电流时，两灯泡均正常发光，那么原线圈中的电流为()图546A. A B. AC. A D. A解析：选C由电压关系解得U1120 V，原线圈的输入功率为P入U1I1PL1PL2解得I1 A，C正确。理想变压器的动态变化 典例如图547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，以下说法中不正确的是()图547A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通过灯泡L1的电流减小D原线圈中的电流增大思路点拨 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。并联灯泡L2，总电阻变小，由欧姆定律I2知，流过R的电流增大，电阻上的电压URIR增大。副线圈输出电流增大，根据输入功率等于输出功率I1U1I2U2得，I2增大，原线圈输入电流I1也增大。UMN不变，UR变大，所以UL1变小，流过灯泡L1的电流减小。答案A理想变压器动态变化的两种情况(1)原、副线圈的匝数比不变，分析各物理量随负载电阻的变化而变化的情况，进行动态分析的顺序是RI2P2P1I1。(2)负载电阻不变，分析各物理量随原、副线圈的匝数比的变化而变化的情况，进行动态分析的顺序是n1、n2U2I2P2P1I1。 1.理想变压器的原线圈连接电流表，副线圈接入电路的匝数可以通过触头Q调节，在副线圈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，如图548所示。下列情况可能出现的是()图548A若Q位置不变，将P向上滑动，U变大B若Q位置不变，将P向上滑动，电流表的读数变大C若P位置不变，将Q向上滑动，电流表的读数变大D若P位置不变，将Q向上滑动，变压器的输入功率不变解析：选C当理想变压器的输入电压U，以及原、副线圈的匝数比不变时，副线圈两端的电压也不变，A项错；由P出知R增大时，输出功率减小，又由P入P出得原线圈中的电流表读数要减小，B项错；Q向上滑动时，U增大，而负载电阻不变，则输出功率要增大，即输入功率也要增大，原线圈中的电流就要增大，C项对，D项错。2.如图549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549A原线圈匝数n1增加B副线圈匝数n2减少C负载电阻R的阻值增大D负载电阻R的阻值减小解析：选D由，P出可得P出又因为P入P出，所以P入分析可得选项D正确。3如图5410所示电路中，变压器为理想变压器，a、b接在电压有效值不变的交流电源两端，R0为定值电阻，R为滑动变阻器。现将变阻器的滑片从一个位置滑动到另一位置，观察到电流表A1的示数增大了0.2 A，电流表A2的示数增大了0.8 A，则下列说法正确的是()图5410A电压表V1示数增大B电压表V2、V3示数均增大C该变压器起升压作用D变阻器滑片是沿cd的方向滑动解析：选D由于变压器原线圈的电压不变，因此电压表V1、V2的读数均不变，选项A、B均错误；由题意可知，该变压器起降压作用，选项C错误；由于副线圈的电压不变，电流表A2的示数增大，根据欧姆定律可知负载的电阻变小，所以滑动变阻器连入电路的阻值变小，选项D正确。自耦变压器与互感器1自耦变压器图5411甲所示是自耦变压器的示意图。这种变压器的特点是铁芯上只绕有一个线圈。如果把整个线圈作原线圈，副线圈只取线圈的一部分，就可以降低电压；如果把线圈的一部分作原线圈，整个线圈作副线圈，就可以升高电压。图5411调压变压器就是一种自耦变压器，它的构造如图乙所示。线圈AB绕在一个圆环形的铁芯上，AB之间加上输入电压U1，移动滑动触头P的位置就可以调节输出电压U2。2互感器(1)电压互感器：如图542甲所示，原线圈并联在高压电路中，副线圈接电压表。互感器将高电压变为低电压，通过电压表测低电压，结合匝数比可计算出高压电路的电压。(2)电流互感器：如图542乙所示，原线圈串联在待测大电流电路中，副线圈接电流表。互感器将大电流变成小电流，通过电流表测出小电流，结合匝数比可计算出大电流电路的电流。典例在变电所，经常要用交流电表去监测电网上的强电流，使用的仪器是电流互感器。如图所示的四个图中，能正确反映其工作原理的是()解析电流互感器是测电流的，应串联在火线上，故B、D错误。由变压器电流关系n1I1n2I2，要使I2<I1，须n2>n1，故A选项正确。答案A互感器的区分技巧(1)电压互感器是降压变压器，据，知n1>n2。电流互感器是升压变压器，据，知n1<n2。(2)区分电压互感器与电流互感器的三个标志测量仪器不同，前者后者。原副线圈匝数关系不同。原线圈接线方式不同，前者接在火线和零线间，后者接在火线上。 1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，图5412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5412Aab接MN、cd接PQ，Iab<IcdBab接MN、cd接PQ，Iab>IcdCab接PQ、cd接MN，Iab<IcdDab接PQ、cd接MN，Iab>Icd解析：选B电流互感器ab一侧线圈匝数比cd一侧线圈匝数少，根据电流关系得I1n1I2n2，所以Iab>Icd，电流表应接在电流较小的一侧，故选项B正确。2.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5413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分别约为()图5413A380 V和5.3 AB380 V和9.1 AC240 V和5.3 A D240 V和9.1 A解析：选B对理想变压器，原、副线圈功率相同，故通过原线圈的电流I1 A9.1 A，负载两端电压即为副线圈电压，由，即，可得U2380 V，故B对。1理想变压器正常工作时，原、副线圈中不相同的物理量为()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原线圈中的感应电动势和副线圈中的感应电动势解析：选D理想变压器是没有能量损失的变压器，铁芯中无磁漏，所以每匝线圈中磁通量相等，其变化率相等，故A、C不符合题意；根据变压器的工作原理及用途可知，B不符合题意，选D。2将输入电压为220 V，输出电压为6 V的理想变压器改绕成输出电压为30 V的变压器，副线圈原来是30 匝，原线圈匝数不变，则副线圈新增匝数为()A120 匝B150 匝C180 匝 D220 匝解析：选A由变压比，则，所以n11 100匝。当U230 V时，所以n2150匝，故n2n2n2120匝。3在如图1所示的两电路中，当a、b两端与e、f两端分别加上220 V的交流电压时，测得c、d间与g、h间的电压均为110 V；若分别在c、d与g、h的两端加上110 V的交流电压，则a、b间与e、f间的电压分别为()图1A220 V,220 V B220 V,110 VC110 V,110 V D220 V,0解析：选B对变压器，根据可得Uab220 V；对滑动变阻器来说，当gh间接上110 V电压时，ef间电压Uef110 V，故B选项正确。4.一理想变压器的原、副线圈的匝数比为31，在原、副线圈的回路中分别接有阻值相同的电阻，原线圈一侧接在电压为220 V的正弦交流电源上，如图2所示。设副线圈回路中电阻两端的电压为U，原、副线圈回路中电阻消耗的功率的比值为k，则()图2AU66 V，k BU22 V，kC. U66 V，k DU22 V，k解析：选A设原线圈中电流为I1，原、副线圈电压比3，原、副线圈电流比，由欧姆定律可得，副线圈回路中电阻两端电压UI2R，联立解得U66 V。电阻消耗功率PI2R，由于，所以原、副线圈回路中电阻消耗功率的比值为，选项A正确。5.一输入电压为220 V，输出电压为36 V的变压器副线圈烧坏了，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3所示，然后将原来线圈接到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3A1 100,360B1 100,180C2 200,180 D2 200,360解析：选B对新绕线圈的理想变压器，根据变压比公式得n11 100，变压器烧坏前，同理n2180，故B正确。6.如图4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()图4AU110 V，I0.2 ABU110 V，I0.05 ACU110 V，I0.2 ADU110 V，I0.2 A解析：选A由于灯泡正常发光，故灯泡两端电压(即副线圈两端电压)为U2220 V，通过灯泡的电流(即副线圈中的电流)为I20.1 A。根据理想变压器电压关系U1U2n1n2，得U1110 V，电流关系I1I2n2n1，得I0.2 A，则UU1110 V，II10.2 A。故选项A正确。7.如图5所示，理想变压器的输入电压保持不变。副线圈通过输电线接两个相同的灯泡L1和L2，输电线的等效电阻为R。开始时，开关S断开，当S闭合时，下列说法正确的是()图5A电压表示数变大 B灯泡L1更亮C电流表示数增大 D变压器的输出功率减小解析：选C当S闭合时，R中电流增大，电压表示数变小，灯泡L1变暗，变压器的输出功率增大，电流表示数增大，选项C正确，A、B、D错误。8如图6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，则对于串联在原线图6圈上的灯泡L()A比正常发光时的亮度更大B也能正常发光C比正常发光时的亮度更暗D无法判断其亮度变化情况解析：选B灯泡L的亮度如何，主要看灯泡L的实际功率多大，在本题中就是看通过灯泡L的电流如何变化。设每只灯泡的额定电流为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，由得原线圈中的电流I1I2I0，恰为灯泡L的额定电流，因此灯泡L也正常发光。故B正确。9.如图7所示，变压器的输入电压U一定，两个副线圈的匝数是n2和n3。当把电热器接a、b，让c、d空载时，电流表读数是I2；当把同一电热器接c、d，让a、b空载时，电流表读数是I3，则I2I3等于()图7An2n3 Bn3n2Cn22n32 Dn32n22解析：选C由变压比知，由P入P出知，当电热器接a、b，让c、d空载时，有UI2；当把同一电热器接c、d，让a、b空载时，有UI3，所以I2I3U22U32n22n32，故答案为C。10(多选)如图8甲所示，一理想变压器给一个小灯泡供电。当原线圈输入如图乙所示的交变电压时，额定电压为U0的小灯泡恰好正常发光，已知灯泡的电阻为R，图中电压表为理想电表。下列说法正确的是()图8A变压器输入电压的瞬时值为uUmsin(V)B电压表的示数为 U0C变压器的输入功率为D变压器的匝数比为UmU0解析：选AC由题图乙知，变压器输入电压的瞬时值为uUmsin(V)，选项A正确；电压表的示数为U0，选项B错误；变压器的输入功率为，选项C正确；由变压器变压公式，变压器的匝数比为UmU0，选项D错误。11.如图9所示，理想变压器B的原线圈跟副线圈的匝数比n1n221，交流电源电压u1311 sin 100t V，F为熔断电流为I01.0 A的保险丝，负载为一可变电阻。图9(1)当电阻R100 时，保险丝能否被熔断？(2)要使保险丝不被熔断，电阻R的阻值应不小于多少？变压器输出的电功率不能超过多少？解析：原线圈电压的有效值为U1 V220 V由得副线圈两端的电压U2U1220 V110 V。(1)当R100 时，副线圈中电流I2 A1.10 A由U1I1U2I2得原线圈中的电流为I1I21.10 A0.55 A由于I1I0(熔断电流)，故保险丝不会熔断。(2)设电阻R取某一值R0时，原线圈中的电流I1刚好达到熔断电流I0，即I11.0 A，则副线圈中的电流为I2I121.0 A2.0 A电阻R的阻值为：R0 55 此时变压器的输出功率为P2I2U22.0110 W220 W可见，要使保险丝F不被熔断，电阻R的阻值不能小于55 ，变压器输出的电功率不能超过220 W。答案：见解析12图10甲为一理想变压器，ab为原线圈，ce为副线圈，d为副线圈引出的一个接头，原线圈输入正弦式交变电压的ut图像如图乙所示。若只在ce间接一只Rce400 的电阻，或只在de间接一只Rde225 的电阻，两种情况下电阻消耗的功率均为80 W。图10(1)请写出原线圈输入电压瞬时值uab的表达式。(2)求只在ce间接400 电阻时，原线圈中的电流I1。(3)求ce和de间线圈的匝数比。解析：(1)由题图乙知200 rad/s，电压瞬时值uab400sin 200t V。(2)电压有效值U1200 V，理想变压器P1P2，原线圈中的电流I1，解得I10.28 A。(3)设ab间匝数为n1，则，同理，由题意知，解得，代入数据得。答案：(1)uab400sin 200t V(2)0.28 A或 A(3)