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

我带领班子成员及全体职工，积极参加县委、政府和农牧局组织的政治理论学习，同时认真学习业务知识，全面提高了自身素质，增强职工工作积极性，杜绝了纪律松散4变压器知识内容变压器考试要求必考加试c课时要求1知道变压器的基本结构及符号，会区分原、副线圈2了解变压器的原理及作用3掌握理想变压器的电压与匝数的关系并能用它解决简单问题4知道理想变压器的功率关系，能推导出原、副线圈的电流关系并能用它解决简单问题.一、变压器的原理及电压与匝数的关系导学探究如图1所示，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(原线圈)通过开关可以连接到交流电源的两端，另一个线圈(副线圈)连到小灯泡上连接电路，接通电源，小灯泡能发光图1(1)两个线圈并没有连接，小灯泡为什么会发光？(2)小灯泡两端的电压与学生电源的输出电压相等吗？答案(1)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场，根据法拉第电磁感应定律知，在右线圈中会产生感应电动势，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U1E1n1.若右边匝数为n2，则U2E2n2，故有；若忽略左边线圈的电阻则有U1U电源，这样看来只要n1n2，小灯泡两端的电压与学生电源的输出电压就不相等知识梳理1变压器的工作原理：互感现象是变压器工作的基础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”)2变压器中的电压与匝数的关系：.即学即用判断下列说法的正误(1)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()(2)输入交变电流的频率越高，输出交变电流的电压就越高()(3)我们在使用质量好的变压器工作时没有能量损失()(4)理想变压器不能改变交变电流的频率()答案(1)(2)(3)(4)二、理想变压器原、副线圈的功率关系和电流关系导学探究阅读教材回答下列两个问题：(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？(2)根据能量守恒推导原、副线圈中的电流与匝数的关系答案(1)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)由能量守恒有P入P出，即U1I1U2I2.所以.知识梳理1变压器原、副线圈中功率关系和电流关系：P入P出，即U1I1U2I2.2电流关系：.即学即用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，则变压器原线圈中的电流为_，副线圈中的输出电压为_，输出功率为_答案5 A250 V50 kW解析由，得I1I2200 A5 A；由，得U2 V250 V；由理想变压器功率关系，得P入P出U1I1U2I2250200 W50 kW.三、实验：探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系1实验目的：理解理想变压器的原线圈、副线圈中电压与匝数的关系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，铁芯中磁场的强弱和方向也都在不断变化由于副线圈和原线圈是套在同一个铁芯上的，所以通过副线圈的磁场也在不断的变化，于是就在副线圈内产生了感应电动势，副线圈相当于电源对外供电3实验器材：电压表两只、可拆卸式变压器、学生电源、开关、导线若干(如图2所示)4实验步骤：(1)按如图3所示电路图连接实物图图3(2)保持原线圈匝数不变，改变副线圈匝数，研究其对副线圈电压的影响(3)保持副线圈匝数不变，改变原线圈匝数，研究其对副线圈电压的影响(4)将不同的原、副线圈接入电路测出线圈两端的电压填入下表：原线圈匝数n1副线圈匝数n2原线圈电压U1副线圈电压U21003002 V1004002 V3004004 V4004006 V4001008 V4001004 V(5)由表格数据得出结论：当原线圈匝数不变时，副线圈电压与副线圈匝数成正比当副线圈匝数不变时，副线圈电压与原线圈匝数成反比5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)学生电源的电压不要设置太高，一般不要超过12 V，以免发生危险一、理想变压器基本关系的应用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.例1(2016温州高二期中)如图4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 V60 W”灯泡一只，且灯泡正常发光，则()图4A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原线圈两端电压为11 V答案C解析副线圈电压U2220 V，电流I2 A，则原线圈两端电压U14 400 V，电流I1 A，所以电流表的示数为 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错误二、理想变压器的动态分析例2(多选)如图5所示，理想变压器的原线圈连接一只理想交流电流表，副线圈匝数可以通过滑动触头Q来调节，在副线圈两端连接了定值电阻R0和滑动变阻器R，P为滑动变阻器的滑动触头在原线圈上加一电压为U的正弦交流电，则()图5A保持Q的位置不动，将P向上滑动时，电流表读数变大B保持Q的位置不动，将P向上滑动时，电流表读数变小C保持P的位置不动，将Q向上滑动时，电流表读数变大D保持P的位置不动，将Q向上滑动时，电流表读数变小答案BC解析Q位置不动，副线圈电压U2不变，当P上滑时，R增大，由P可知总功率减小，原线圈电压U1不变，由PU1I1可知原线圈电流I1减小，故A错误，B正确；当P位置不动，Q上滑时，由知U2增大，同理分析知原线圈电流I1增大，故C正确，D错误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RI2P出P入I1.(2)负载电阻不变，分析各物理量随匝数比的变化而变化的情况，进行动态分析的顺序是n1、n2U2I2P出P入I1.三、自耦变压器和互感器1自耦变压器铁芯上只绕有一个线圈，如果把整个线圈作为原线圈，副线圈只取线圈的一部分，就可以降低电压，反之则可以升高电压，如图6所示图62互感器交流电压表和电流表都有一定的量度范围，不能直接测量高电压和大电流互感器是利用变压器的原理来测量高电压或大电流的仪器(1)电压互感器：实质是降压变压器，可以把高电压变成低电压(如图7所示)图7(2)电流互感器：实质是升压变压器，可以把大电流变成小电流(如图8所示)图8例3(多选)图9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9A线圈匝数n1n2，n3n2，n3n4C甲图中的电表是电压表D乙图中的电表是电流表答案CD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，题图甲中的电表为电压表；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，n3U1，U2降低 BU2U1，U2升高CU2U1，U2降低 DU2n2知U2U1；滑动触头从M点顺时针旋转至N点过程，n2减小，则U2降低，C项正确四、探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系例5某同学选用匝数可调的可拆变压器来“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验，变压器原线圈两端所接的电源应是电压为12 V的低压_(选填“交流电源”或“直流电源”)先保持原线圈的匝数不变，增加副线圈的匝数，观察到副线圈两端的电压_(选 填“增大”“减小”或“不变”)；然后再保持副线圈的匝数不变，增加原线圈的匝数，观察到副线圈两端的电压_(选填“增大”“减小”或“不变”)上述探究副线圈两端的电压与匝数的关系中采用的实验方法是_(选填“控制变量法”“转换法”或“类比法”)答案交流电源增大减小控制变量法1.如图11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11A120 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，副线圈中的电流I22 A1 A，根据匝数比得原线圈中的电流I1I20.05 A，原线圈两端的电压U120U2240 V，选项D正确2(多选)如图12所示，L1、L2是高压输电线，图中两电表示数分别是220 V和10 A，已知甲图中原、副线圈匝数比为1001，乙图中原、副线圈匝数比为110，则()图12A甲图中的电表是电压表，输电电压为22 000 VB甲图是电流互感器，输电电流是100 AC乙图中的电表是电压表，输电电压为22 000 VD乙图是电流互感器，输电电流是100 A答案AD解析甲图是电压互感器，故B错误；根据匝数比，有U1U2220 V22 000 V，故A正确；乙图是电流互感器，电表是电流表，故C错误；只有一个副线圈的变压器，电流比等于匝数的反比，有I1I210 A100 A，故D正确3如图13所示，理想变压器原线圈输入电压uUmsin t，副线圈电路中R0为定值电阻，R是滑动变阻器.和是理想交流电压表，示数分别用U1和U2表示；和是理想交流电流表，示数分别用I1和I2表示下列说法正确的是()图13AI1和I2表示电流的平均值BU1和U2表示电压的最大值C滑片P向下滑动过程中，U2不变、I1变大D滑片P向下滑动过程中，U2变小、I2变大答案C解析电路中的电压表和电流表表示的都是有效值，选项A、B错误滑片P向下滑动过程中，接入电路中的电阻变小，U2不变、I1变大，故C正确，D错误4(多选)(2016杭州七县市区高二第一学期期终)如图14所示，在用可拆变压器“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验中，下列说法正确的是()图14A测量原、副线圈的电压，可用“测定电池的电动势和内阻”实验中的电压表B用可拆变压器，能方便地从不同接线柱上选取不同匝数的线圈C原线圈接0、8接线柱，副线圈接0、4接线柱，副线圈电压大于原线圈电压D保持原线圈匝数和电压不变，改变副线圈的匝数，可以研究副线圈匝数对输出电压的影响答案BD一、选择题1(2016绍兴高二月考)(多选)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电流的增大而增大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答案AB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2如图所示的四个电路，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，不能对直流变压，故A、B错误；由于电压与线圈匝数成正比，所以D能实现升压，C不能实现升压3(2016舟山高二质检)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 B150 C180 D220答案A解析由变压比，得，所以n11 100 匝，当U230 V时，所以n2150匝，故n2n2n2120 匝所以A正确4如图1为气流加热装置的示意图，使用电阻丝加热导气管，视变压器为理想变压器，原线圈接入电压有效值恒定的交流电并保持匝数不变，调节触头P，使输出电压有效值由220 V降至110 V调节前后()图1A副线圈中的电流比为12B副线圈输出功率比为21C副线圈的接入匝数比为21D原线圈输入功率比为12答案C解析在输入电压U1和原线圈匝数n1不变的情况下，使输出电压U2有效值由220 V降至110 V，由知，副线圈接入匝数应该减为原来的一半，故副线圈的接入匝数之比为21，故C正确；副线圈电压减半，电阻不变，电流也随之减半，所以电流之比为21，故A错误；由PUI知，输出功率之比为41，故B错误；副线圈输出功率等于原线圈输入功率，所以原线圈输入功率之比为41，故D错误5(多选)如图2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2A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答案BCD解析由于输入电压和原、副线圈匝数比不变，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A项错误并联灯泡L2，总电阻变小，由欧姆定律知，流过R的电流增大，等效电阻上的电压URIR增大，故B项正确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，故D项正确UMN不变，UR变大，所以UL1变小，流过灯泡L1的电流减小，故C项正确6钳式电流表的外形和结构如图3a、b所示图b中电流表的读数为1.2 A，图c中用同一电缆线绕了3匝，则()图3A这种电流表能测直流电流，图c的读数为2.4 AB这种电流表能测交变电流，图c的读数为0.4 AC这种电流表能测交变电流，图c的读数为3.6 AD这种电流表既能测直流电流，又能测交变电流，图c的读数为3.6 A答案C解析钳式电流表利用了变压器的工作原理，因此钳式电流表只能测交变电流根据n1I1n2I2可知，题图b中线圈单匝时，的读数为1.2 A在题图c中绕3匝时，的读数应为3.6 A，故选项C正确7.一理想变压器的原、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4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4AU66 V，k BU22 V，kCU66 V，k DU22 V，k答案A解析原、副线圈电压比等于匝数比，根据副线圈负载电阻的电压U，可知副线圈电压为U，原线圈电压为3U，副线圈电流I2，根据得原线圈电流I1，那么原线圈输入电压220 V3UR，整理可得U66 V；原、副线圈电阻消耗的功率根据PI2R，电阻相等，I1I213，可得功率之比为P1P219，即k.根据以上分析可知选项A正确8(多选)如图5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5AP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的亮度不随P的滑动而改变，故选项A错误，选项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9(2016四川理综，2)如图6所示，接在家庭电路上的理想降压变压器给小灯泡L供电，如果将原、副线圈减少相同匝数，其他条件不变，则()图6A小灯泡变亮B小灯泡变暗C原、副线圈两端电压的比值不变D通过原、副线圈电流的比值不变答案B解析原、副线圈减少相同的匝数n后，有，可以得出，0，则说明的比值变大，由知，选项C、D错误；由和知，U2U2，再由P知，小灯泡变暗，选项A错误，B正确10(2016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答案D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正确11(多选)理想自耦变压器的原线圈接有如图8乙所示的正弦式交变电压，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