高考物理一轮复习 专题十一 交变电流 考点二 变压器 电能的输送教学案（含解析）

系统掌握蕴含其中的马克思主义立场观点方法，要在系统学习、深刻领会、科学把握习近平教育思想上下功夫。精心组织开展学习宣传贯彻习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神知识问答活动。基础点知识点1理想变压器1构造：如图所示，变压器是由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成的。(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原理：电流磁效应、电磁感应。3理想变压器的基本关系式(1)功率关系：P入P出。(2)电压关系：，若n1n2，为降压变压器；若n1n2，为升压变压器。(3)电流关系：只有一个副线圈时，；有多个副线圈时仍有P入P出，据PUI可推出，U1I1U2I2U3I3UnIn，n1I1n2I2n3I3nnIn。(4)频率关系：不变。4几种常用的变压器(1)自耦变压器调压变压器，如图A、B所示。(2)互感器知识点2远距离输电1减少输电电能损失的两种方法(1)理论依据：P损I2R。(2)减小输电线的电阻：根据电阻定律R，要减小输电线的电阻R，在保证输电距离情况下，可采用减小材料的电阻率、增大导线的横截面积等方法。(3)减小输电导线中的电流：在输电功率一定的情况下，根据PUI，要减小电流，必须提高输电电压。2输电过程示意图3输电电流(1)I；(2)I。4输电导线上的能量损失：主要是由输电线的电阻发热产生的，表达式为QI2Rt。5电压损失(1)UUU；(2)UIR。6功率损失(1)PPP；(2)PI2R2R。重难点一、理想变压器原理和基本关系1变压器的工作原理2理想变压器的基本关系特别提醒(1)变压器不能改变直流电压，因为工作原理早已不成立。(2)理想变压器基本关系中U1、U2、I1、I2均指有效值。(3)当原线圈中串联电阻(或灯泡)时，U1为加在原线圈两端的电压，并不是电源的电压。(4)变压器的以上关系都是根据“口”字形的变压器推出的，如果变压器不是“口”字形时，应根据变压器的原理及各线圈中磁通量的关系推导出各物理量间的关系。二、理想变压器动态分析问题1匝数比不变的情况(如图所示)(1)U1不变，根据，输入电压U1决定输出电压U2，不论负载电阻R如何变化，U2也不变。(2)当负载电阻发生变化时，I2变化，输出电流I2决定输入电流I1，故I1发生变化。(3)I2变化引起P2变化，P1P2，故P1发生变化。2负载电阻不变的情况(如图所示)(1)U1不变，发生变化，故U2变化。(2)R不变，U2改变，故I2发生变化。(3)根据P2，P2发生变化，再根据P1P2，故P1变化，P1U1I1，U1不变，故I1发生变化。3分析变压器动态问题的程序 特别提醒关于理想变压器的动态分析问题，解题的关键是分清变量和不变量，弄清理想变压器中各物理量之间的联系和相互制约的关系，即明确变压器输入电压与输出电压、输入电流与输出电流跟匝数的关系，以及输出电压由输入电压决定，输入电流由输出电流决定。三、远距离输电问题1理清“三个回路”如图所示为远距离输电的简化电路原理图。我们可以把它划分为三个回路，即图中所示的回路1、回路2和回路3。2抓住“两个关系”(1)在上面的远距离输电的简化电路原理中，理想的升压变压器联系了回路1和回路2，由变压器原理可以得到线圈1(匝数为n1)和线圈2(匝数为n2)中各相关量之间的关系：，P1P2(2)理想的降压变压器联系了回路2和回路3，由变压器原理可以得到线圈3(匝数为n3)和线圈4(匝数为n4)中各相关量之间的关系：，P3P43掌握“一个能量守恒关系”远距离输电过程中，在回路2的输电线上会损耗一小部分电功率，剩余的绝大部分电功率通过降压变压器和回路3输送到用户使用。整个输电过程中的功率关系为P用P总P损。4在求解远距离输电的相关问题时，我们还应熟练掌握以下几点(1)一个原理要减小输电线上的电压损失和电功率损失，就要减小输电电流，而输电功率是确定的，由PIU知，应提高输电电压。(2)两个损失电压损失：UI线R线，主要原因是输电线有电阻。功率损失：P损IR线。(3)三个关系电压损失关系：UU2U3，U2是升压变压器的输出电压，U3是降压变压器的输入电压。功率损失关系：P损IR线，升压变压器的输出功率和降压变压器的输入功率之差即为损失的电功率。功率关系：P用P总P损。特别提醒在远距离输电问题中，计算输电线上损失的功率时应用P损IR线，其原因是I线可以由公式P输I线U输求出，而P损I线U损和P损则不常用，其原因是在一般情况下，U损不易求出，且易将U损和U输相混淆而造成错误。1思维辨析(1)变压器只对变化的电流起作用，对恒定电流不起作用。()(2)变压器不但能改变交变电流的电压，还能改变交变电流的频率。()(3)正常工作的变压器当副线圈与用电器断开时，副线圈两端无电压。()(4)变压器副线圈并联更多的用电器时，原线圈输入的电流随之减小。()(5)增大输电导线的横截面积有利于减少输电过程中的电能损失。()(6)高压输电是通过减小输电电流来减少电路的发热损耗。()(7)在输送电压一定时，输送的电功率越大，输电过程中的电能损失越大。()答案(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)2(多选)如图所示，一台理想变压器的原副线圈的匝数比为n1n2401，在副线圈两端接有“6 V40 W ”的电灯泡。若灯泡正常发光，则下列说法中正确的是()A在原、副线圈中，通过每匝线圈的磁通量时时刻刻都相同B通过原、副线圈的交变电流的频率相同C变压器输入电压的最大值为240 VD变压器输入功率为40 W答案ABD解析原线圈的磁场都在铁芯中，所以原副线圈中的磁场相同，通过每匝线圈的磁通量也相同，选项A对；既然原、副线圈是同一个磁场，那么原副线圈感应电流变化的频率就相等，选项B对；根据理想变压器，副线圈的灯泡正常发光即U26 V，带入得U1240 V，而额定电压指的是有效电压，所以变压器输入电压有效值是U1240 V，最大值不确定，选项C错；理想变压器输入功率等于输出功率即灯泡正常发光的额定功率40 W，选项D对。3(多选)一台发电机最大输出功率为4000 kW，电压为4000 V，经变压器T1升压后向远方输电。输电线路总电阻为R1 k。到目的地经变压器T2降压，负载为多个正常发光的灯泡(220 V、60 W)。若在输电线路上消耗的功率为发电机输出功率的10%，变压器T1和T2的损耗可忽略，发电机处于满负荷工作状态，则()AT1原、副线圈电流分别为103 A和20 ABT2原、副线圈电压分别为1.8105 V和220 VCT1和T2的变压比分别为150和401D有6104盏灯泡(220 V、60 W)正常发光答案ABD解析远距离输电的模型如图所示。T1原线圈的电流为I1 A1103 A，输电线上损失的功率为P损IR10%P1，所以I2 A20 A，A正确；T1的变压比为；T1副线圈的电压为U250U12105 V，T2原线圈的电压为U3U2I2R2105 V20103 V1.8105 V，B正确；T2的变压比为，C错误；能正常发光的灯泡盏数为N6104，D正确。考法综述本考点内容在高考中考查频度较高，一般单独命题考查变压器和远距离输电的相关问题的分析与计算，题型以选择题为主，难度中等，因此复习本考点时应掌握：1个原理理想变压器的工作原理3个制约理想变压器中电流、电压及功率的制约关系2种方法理想变压器动态问题的分析方法、远距离输电问题的解决方法命题法1变压器的原理及基本量的关系典例1如图甲所示，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，额定功率10 W的小灯泡恰好正常发光，已知灯泡的电阻为40 ，图中电压表为理想电表，下列说法正确的是()A变压器输入电压的瞬时值表达式为u220sint(V)B电压表的示数为220 VC变压器原、副线圈的匝数比为111D变压器的输入功率为110 W答案C解析由题图乙可知100 rad/s，则变压器输入电压的瞬时值表达式为u220 sin100t(V)，A错误；小灯泡的额定功率P10 W，由P可得小灯泡的额定电压U20 V，小灯泡恰好正常发光，电压表的示数为20 V，B错误；根据变压器变压公式U1U2n1n2，可得，C正确；根据额定功率10 W的小灯泡恰好正常发光，理想变压器的输入功率等于输出功率，D错误。【解题法】变压器原、副线圈的作用(1)对电源与原线圈组成的闭合电路，原线圈相当于用电器；对副线圈和用电器组成的闭合电路，副线圈相当于电源；与之串、并联的用电器同样遵循串、并联电路的特点和性质。(2)对理想变压器，要注意灵活运用变压器的基本关系及能量守恒定律。命题法2含理想变压器的动态分析典例2图甲中理想变压器原、副线圈的匝数之比n1n251，电阻R20 ，L1、L2为规格相同的两只小灯泡，S1为单刀双掷开关。原线圈接正弦交变电源，输入电压u随时间t的变化关系如图乙所示。现将S1接1、S2闭合，此时L2正常发光。下列说法正确的是()A输入电压u的表达式u20sin50t VB只断开S2后，L1、L2均正常发光C只断开S2后，原线圈的输入功率增大D若S1换接到2后，R消耗的电功率为0.8 W答案D解析由图乙可知u20sin100t V，故选项A错误；U2U14 V。由题意可知L1、L2的额定电压为4 V。S1接1、断开S2后，L1、L2不能达到额定电压，因此选项B错误；由P1P2可知，当R增大时，P1减小，选项C错误；当S1接2时，PR W0.8 W，选项D正确。【解题法】含有变压器的动态电路问题的解题思路命题法3远距离输电的功率和电压的损失典例3如图所示为远距离交流输电的简化电路图。发电厂的输出电压是U，用等效总电阻是r的两条输电线输电，输电线路中的电流是I1，其末端间的电压为U1。在输电线与用户间连有一理想变压器，流入用户端的电流为I2。则()A用户端的电压为B输电线上的电压降为UC理想变压器的输入功率为IrD输电线路上损失的电功率为I1U答案A解析由理想变压器输入、输出功率相等可知P1P2，即U1I1U2I2，U2，A正确；输电线上的电压降为UUU1，B错；理想变压器的输入功率PU1I1UI1Ir，C错；输电线路上损失的电功率为PIrI1UI1U1，D错。【解题法】输电线路功率损失的计算方法(1)P损PP，P为输送的功率，P为用户所得功率。(2)P损IR线，I线为输电线路上的电流，R线为线路电阻。(3)P损，U为输电线路上损失的电压，R线为线路电阻。(4)P损UI线，U为输电线路上损失的电压，I线为输电线路上的电流。命题法4远距离输电的实际应用典例4某小型发电站的发电机输出交流电压为500 V，输出电功率为50 kW，如果用电阻为3 的输电线向远处用户送电，这时用户获得的电压和电功率是多少？假如，要求输电线上损失的电功率是输送功率的0.6%，则发电站要安装一个升压变压器，到达用户前再用降压变压器变为220 V供用户使用，不考虑变压器的能量损失，这两个变压器原、副线圈的匝数比各是多少？答案200 V2104 W11049722解析先画出输电线路图，然后以变压器为界，分成几个独立的闭合电路，应用欧姆定律、串联和并联电路的特点及电功、电功率等有关公式分析各自的电流、电压和功率关系，各独立回路之间可通过变压器的及理想变压器P1P2等联系起来。用500 V电压送电时示意图如图所示。50 kW的电功率在输电线上的电流：I0 A100 A。用户获得电压：U1U0I0R(5001003) V200 V。用户获得的功率P1I0U12104 W。改用高压输送时示意图如图所示，要求P损0.6%P，即P损501030.6% W300 W。输电电流I A10 A。发电站升压后输电电压：U V5000 V，升压变压器匝数比，输电线上损失的电压UIR103 V30 V。降压变压器的输入电压：U2UU(500030) V4970 V，降压变压器的匝数比。【解题法】关于远距离输电问题的处理思路(1)画出输电线路图，包括发电机、升压变压器、输电线、降压变压器、负载等，将已知量和未知量标在图中相应位置；(2)将输电线路划分为几个独立回路；(3)根据串、并联电路特点、欧姆定律、电功率公式等确定各部分回路物理量之间的关系；(4)根据升压、降压，原、副线圈的电压、电流关系和功率关系列式求解。1一理想变压器的原、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()AU66 V，kBU22 V，kCU66 V，k DU22 V，k答案A解析设原线圈中电流为I1，由变压器变压公式可得3，由变压器变流公式有，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。2(多选)如图所示，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()A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解析保持Q的位置不动，则副线圈的输出电压不变，当P向上滑动时，副线圈电路中的总电阻变大，副线圈中的电流减小，根据变流比可知，原线圈中的电流减小，因此电流表的读数变小，A项错误，B项正确；保持P的位置不动，副线圈电路中的总电阻不变，当Q向上移时，副线圈的匝数增多，由变压比可知，副线圈的输出电压增大，副线圈中的电流增大，由变流比可知，原线圈中的电流增大，电流表读数变大，C项正确，D项错误。3图为远距离输电示意图，两变压器均为理想变压器，升压变压器T的原、副线圈匝数分别为n1、n2，在T的原线圈两端接入一电压uUmsint的交流电源，若输送电功率为P，输电线的总电阻为2r，不考虑其他因素的影响，则输电线上损失的电功率为()A. B.C422r D422r答案C解析因为uUmsint，所以有U1，根据变压器变压规律有：U2，根据PU2I2得：I2，线路损失的功率为P2Ir，所以C项正确，A、B、D项错误。4图示电路中，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，观察到电流表的示数增大了0.2 A，电流表的示数增大了0.8 A，则下列说法正确的是()A电压表示数增大B电压表、示数均增大C该变压器起升压作用D变阻器滑片是沿cd的方向滑动答案D解析由于变压器原线圈的电压不变，因此电压表、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。5图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()A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解析电阻丝的阻值R可认为不变，由欧姆定律I可知副线圈中的电流取决于副线圈的输出电压，故调节前后副线圈中电流之比为21，A错误；再由P2I2U2或P2可知副线圈的输出功率之比应为41，B错误；而理想变压器输入功率总是等于输出功率，故原线圈的输入功率之比也为41，D错误；因原线圈的输入电压U1、匝数n1恒定，故由电压关系可知副线圈的接入匝数比为21。C正确。6(多选)如图，一理想变压器原、副线圈匝数之比为41，原线圈与一可变电阻串联后，接入一正弦交流电源；副线圈电路中固定电阻的阻值为R0，负载电阻的阻值R11R0，是理想电压表。现将负载电阻的阻值减小为R5R0，保持变压器输入电流不变，此时电压表的读数为5.0 V，则 ()A此时原线圈两端电压的最大值约为34 VB此时原线圈两端电压的最大值约为24 VC原线圈两端原来的电压有效值约为68 VD原线圈两端原来的电压有效值约为48 V答案AD解析当R5R0时，示数为5.0 V，所以输出电流I出，UR0I出R01 V，则变压器输出电压为6 V，由得到输入电压的有效值为24 V，所以原线圈两端电压最大值为U134 V，A正确，B错误；因I入I出n2n1不变，故输入电流不变时输出电流也不变，当负载由R11R0变为R5R0时，由UIR知副线圈电压由I(R011R0)降到I(R05R0)6 V，则副线圈两端原来的电压有效值为12 V，原线圈两端原来的电压有效值为48 V，C错误，D正确。7(多选)如图，一理想变压器原、副线圈的匝数分别为n1、n2。原线圈通过一理想电流表A接正弦交流电源，一个二极管和阻值为R的负载电阻串联后接到副线圈的两端。假设该二极管的正向电阻为零，反向电阻为无穷大。用交流电压表测得a、b端和c、d端的电压分别为Uab和Ucd，则()AUabUcdn1n2B增大负载电阻的阻值R，电流表的读数变小C负载电阻的阻值越小，cd间的电压Ucd越大D将二极管短路，电流表的读数加倍答案BD解析设副线圈两端电压为U2，则有，由于二极管具有单向导电性，根据有效值定义可知，T，则Ucd，故选项A错误；增大负载电阻，则变压器的输出功率减小，输入功率也减小，由P1UabI1可知，电流表读数减小，选项B正确；cd间的电压Ucd与R大小无关，选项C错误；将二极管短路，变压器的输出功率P2，为原来的2倍，由P2P1UabI1可知，电流表的读数变为原来的2倍，选项D正确。8如图为模拟远距离输电实验电路图，两理想变压器的匝数n1n42R，忽略灯丝电阻随温度的变化。当A、B端接入低压交流电源时()AA1、A2两表的示数相同BL1、L2两灯泡的亮度相同CR1消耗的功率大于R3消耗的功率DR2两端的电压小于R4两端的电压答案D解析设两电流表示数分别为IA1、IA2，则IA2。由题意知，升压变压器的升压比与降压变压器的降压比相等，设为k且k1，由变压器匝数与电流、电压的关系可知，升压变压器副线圈两端电压U2kU，降压变压器副线圈中电流I4kIA1，U4I4RLkIA1RL，则降压变压器原线圈两端电压U3kU4k2IA1RL，而IA1，解得IA1，则1，故IA11，故两灯泡亮度不同，选项B错误；由PI2R可知，PR1PR3，选项C错误；由UIR可知，UR2UR4，选项D正确。9(多选)如图所示，接于理想变压器中的四个规格相同的灯泡都正常发光，那么()A原线圈接在直流电源上，电压是UB原线圈接在交流电源上，交变电压的有效值是UC理想变压器的匝数比n1n2n3621D理想变压器的匝数比n1n2n3321答案BD解析原线圈要接交流电源，选项A错误，选项B正确；灯泡规格相同，且全部正常发光，可知流经每个灯泡的电流都相等设为I，每个灯泡两端电压都相等设为u，则U22u，U3u；根据输入功率等于输出功率知U1IU2IU3I，U13u，再根据电压与匝数成正比知n1n2n3U1U2U3321，选项C错误，D正确。10某同学自制变压器，原线圈为n1匝，在做副线圈时，将导线ab对折后并在一起，在铁芯上绕n2圈，从导线对折处引出一个接头c，连成如图所示电路。S为单刀双掷开关，线圈电阻不计，原线圈接u1Umsint的交流电源。下列说法正确的是()AS接b时，电压表示数为BS接c时，电压表示数为CS接c时，滑动触头P向下移动，变压器输入功率变大DS接c时，滑动触头P向上移动，变压器输入电流变大 答案D解析将S接在b时，副线圈产生的总电动势为零，电压表示数为零，A错误；当S接c时，副线圈的匝数为n2，由得U2，B错误；S接c时，P向下移动，R变大，P入P出变小，C错误；P向上移动时，R变小，P入I1U1变大，故I1变大，D正确。1模型构建2工作原理(1)原线圈中接入交流电时，铁芯中磁通量发生变化，绕制在铁芯上每一个线圈中磁通量变化率相同，线圈两端感应电动势与匝数成正比，电流频率不变。(2)副线圈中有负载时，原线圈中电流的电能转化成磁场能，磁场能在副线圈中转化成电能输出，若副线圈没有能量输出，原线圈中电能不发生转化，即原线圈无能量输入。3模型特点(1)自耦变压器高中物理中研究的变压器本身就是一种忽略了能量损失的理想模型，自耦变压器(又称调压器)，它只有一个线圈，其中的一部分作为另一个线圈，当交流电源接不同的端点时，它可以升压也可以降压，变压器的基本关系对自耦变压器均适用，如图A为降压变压器，图B为升压变压器。(2)有多个副线圈的变压器，结构图如模型构建(2)计算具有两个(或两个以上)副线圈的变压器问题时，应注意三个关系：电压关系：电流关系：n1I1n2I2n3I3功率关系：P1P2P3(3)可调式变压器：匝数比可变，既可升压、又可降压。结构图如模型构建(3)，变压器的基本关系对可调式变压器均适用，只要注意匝数比可变即可。(4)互感器互感器有电压互感器和电流互感器两种，比较如下：【典例1】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所示，其副线圈匝数可调。已知变压器线圈总匝数为1900匝；原线圈为1100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()A380 V和5.3 AB380 V和9.1 AC240 V和5.3 A D240 V和9.1 A解析根据理想变压器电压比关系，代入数据解得副线圈两端的电压有效值U2380 V，因理想变压器原、副线圈输入和输出的功率相等，即P入P出U1I1，解得I1 A9.1 A