2018_2019学年高考物理电磁感应及其应用3.2交变电流3.2.3变压器学案新人教版.docx

3.2.3变压器学习目标核心提炼1.知道变压器的构造以及几种常见的变压器，理解变压器的工作原理。2个线圈原线圈、副线圈3个关系功率关系：P1P2、电压关系：、电流关系：3种常见变压器自耦变压器、电压互感器、电流互感器2.掌握变压器原、副线圈中电压、电流及功率的关系。3.了解变压器在实际中的应用。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1所示。图1(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，不改变(选填“改变”“不改变”)交流电的周期和频率。思考判断(1)变压器是利用互感现象实现了电能向磁场能再到电能的转化。()(2)恒定电流接入变压器后也可发生互感现象，也可起到变压作用。()(3)在理想变压器中原、副线圈的磁通量的变化率是一致的。()(4)理想变压器可以改变交变电流的频率。()(5)电流通过铁芯从原线圈流到副线圈。()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。3.两类变压器(1)副线圈电压比原线圈电压低的变压器叫降压变压器。(2)副线圈电压比原线圈电压高的变压器叫升压变压器。4.应用(1)远距离输电中，升压和降压后提供给用户。(2)满足各种不同电压要求的用电设备。思考判断(1)我们所用的比较好的变压器就是理想变压器。()(2)理想变压器的输入功率和输出功率相等。()(3)输入交变电流的频率越高，输出交变电流的电压就越高。()(4)变压器能改变所有交变电流的电压。()(5)我们可以根据变压器线圈导线的粗细判断其匝数的多少。()理想变压器的工作原理及规律要点归纳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.电动势关系：由于互感现象，且没有漏磁，原、副线圈中每一匝线圈都具有相同的，根据法拉第电磁感应定律有E1n1，E2n2，所以。3.电压关系：由于不计原、副线圈的电阻，因此原线圈两端的电压U1E1，副线圈两端的电压U2E2，所以。当有n组线圈时，则有4.功率关系：对于理想变压器，不考虑能量损失，有P入P出。5.电流关系：由功率关系，当只有一个副线圈时，有I1U1I2U2，得。当有多个副线圈时，I1U1I2U2I3U3，得I1n1I2n2I3n36.变压器的分类图2易错提醒(1)变压器只能改变交变电流的电压不能在直流电路中使用。(2)原、副线圈的电压、电流发生变化，而频率不变。(3)当副线圈有多个线圈时，电压关系仍适用，而电流关系式不再适用。精典示例例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，选项A错误；因铁芯是闭合的，没有漏磁，原、副线圈的磁通量总相等，故选项B错误；由于通过副线圈的磁通量发生变化，根据法拉第电磁感应定律，在副线圈上产生感应电动势，故选项C正确；原线圈中的电能转化为磁场能又转化为副线圈中的电能，原、副线圈通过磁场联系在一起，故选项D错误。答案C例2 如图3所示，理想变压器的原线圈接在u220sin (100t)V的交流电源上，副线圈接有R55 的负载电阻，原、副线圈匝数之比为21，电流表、电压表均为理想电表。下列说法正确的是()图3A.原线圈的输入功率为220 WB.电流表的读数为1 AC.电压表的读数为110 VD.副线圈输出交流电的周期为50 s解析由题知，变压器的输入电压U1 V220 V，所以U2U1110 V；副线圈电流I22 A，原线圈电流I1I21 A。电压表、电流表的读数为有效值，故选项B正确，C错误；原线圈输入功率P1U1I1220 W，选项A错误；交流电的周期T s0.02 s，选项D错误。答案B(1)电压表、电流表示数均为有效值。(2)理想变压器P入P出。(3)变压器不改变频率，即原、副线圈交变电流频率相等。针对训练1 如图4所示，理想变压器原、副线圈匝数比n1n221，和均为理想电表，灯泡电阻RL6 ，AB两端电压u112sin (100t)V。下列说法正确的是()图4A.电流频率为100 Hz B.的读数为24 VC.的读数为0.5 A D.变压器输入功率为6 W解析根据u112sin (100t)V及U知U112 V，f50 Hz，选项A错误；根据得U2U112 V6 V，即的读数为6 V，选项B错误；又I2 A1 A，即的读数为1 A，选项C错误；根据P1P2及P2 W6 W，选项D正确。答案D理想变压器的动态分析要点归纳1.理想变压器的制约条件(1)电压制约：当变压器原、副线圈的匝数比一定时，输出电压U2由输入电压U1决定，即U2。(2)电流制约：当变压器原、副线圈的匝数比一定时，且输入电压U1确定时，原线圈中的电流I1由副线圈中的输出电流I2决定，即I1。(3)功率制约：变压器副线圈中的功率P2由用户负载决定，P2P负1P负2；功率关系P1P2P负，即变压器的输入功率是由输出功率决定的。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。精典示例例3 如图5所示，理想变压器原线圈接在交流电源上，图中各电表均为理想电表。下列说法正确的是()图5A.当滑动变阻器的滑动触头P向上滑动时，R1消耗的功率变大B.当滑动变阻器的滑动触头P向上滑动时，电压表示数变大C.当滑动变阻器的滑动触头P向上滑动时，电流表示数变大D.若闭合开关S，则电流表示数变大，示数变大解析当滑动变阻器的滑动触头P向上滑动时，接入电路的阻值变大，变压器副线圈两端电压不变，副线圈中的电流减小，则R1消耗的功率及其两端电压均变小，故电压表的示数变大，选项A错误，B正确；当滑动变阻器的滑动触头P向上滑动时，副线圈中的电流减小，则原线圈中的电流也减小，电流表示数变小，选项C错误；若闭合开关S，副线圈电路中总电阻减小，副线圈中的电流变大，R1两端电压变大，R2两端电压减小，电流表示数减小；原线圈中的电流变大，电流表示数变大，选项D错误。答案B动态问题的分析思路针对训练2 (多选)如图6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6A.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，故选项A错误，B正确；当P位置不动，Q上滑时，n2增大，由知U2增大，同理分析知原线圈电流I1增大，故选项C正确，D错误。答案BC几种常见的变压器要点归纳1.自耦变压器如图7甲、乙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7调压变压器就是一种自耦变压器，它的构造如图丙所示。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8所示)图8(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9所示)图9精典示例例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10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10A.ab接MN、cd接PQ，IabIcdB.ab接MN、cd接PQ，IabIcdC.ab接PQ、cd接MN，IabIcdD.ab接PQ、cd接MN，IabIcd解析电流互感器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IabIcd，电流表应接在电流较小的一侧，故选项B正确。答案B互感器的区分技巧电压互感器是降压变压器，据，知n1n2。电流互感器是升压变压器，据，知n1n2。针对训练3 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11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11A.380 V和5.3 A B.380 V和9.1 AC.240 V和5.3 A D.240 V和9.1 A解析对理想变压器，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，故选项B正确。答案B1.(变压器的工作原理)一个正常工作的理想变压器的原、副线圈中，下列物理量不一定相等的是()A.交流的频率 B.电流的有效值C.电功率 D.磁通量的变化率解析变压器可以改变原、副线圈中的电流，因此原、副线圈中的电流不一定有相同的有效值；由于穿过原线圈的磁通量全部穿过副线圈，因而原、副线圈的磁通量变化率一定相同；变压器的工作基础是互感现象，副线圈中感应的交流频率与原线圈中交流频率一定是相同的；理想变压器中P入P出，故选项B正确。答案B2.(变压器的原理和规律)(多选)如图12所示，理想变压器原、副线圈匝数比为21，电池和交变电源的电动势都为6 V，内阻均不计。下列说法正确的是()图12A.S与a接通的瞬间，R中无感应电流B.S与a接通稳定后，R两端的电压为0C.S与b接通稳定后，R两端的电压为3 VD.S与b接通稳定后，原、副线圈中电流的频率之比为21解析S与a接通的瞬间，穿过原、副线圈的磁通量增加，使副线圈中有感应电流，选项A错误；当S与a接通稳定后，穿过原、副线圈的磁通量不变，副线圈两端的电压为零，选项B正确；S与b接通稳定后，由，得U23 V，选项C正确；变压器不改变原、副线圈交变电流的频率，选项D错误。答案BC3.(变压器基本规律的应用)(多选)如图13a所示，左侧的调压装置可视为理想变压器，负载电路中R55 ，、为理想电流表和电压表。若原线圈接入如图b所示的正弦交变电压，电压表的示数为110 V，下列表述正确的是()图13A.电流表的示数为2 AB.原、副线圈匝数比为12C.电压表的示数为电压的有效值D.原线圈中交变电压的频率为100 Hz解析由题图b可知原线圈两端电压的有效值U1220 V，由，可得原、副线圈匝数之比21，选项B错误；电流表示数与电压表示数都为有效值，选项C正确；电流表示数I A2 A，选项A正确；由题图b可知T0.02 s，所以交变电压的频率为f Hz50 Hz，选项D错误。答案AC4.(自耦变压器)一自耦变压器如图14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点顺时针转到N点的过程中()图14A.U2U1，U2降低 B.U2U1，U2升高C.U2U1，U2降低 D.U2U1，U2升高解析由，n1n2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，选项C正确。答案C基础过关1.如图所示四个电路，能够实现升压的是()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。答案D2.(多选)理想变压器原、副线圈匝数比为101，以下说法正确的是()A.穿过原、副线圈每一匝磁通量之比是101B.穿过原、副线圈每一匝磁通量的变化率相等C.原、副线圈每一匝产生的电动势瞬时值之比为101D.正常工作时原、副线圈的输入、输出功率之比为11答案BD3.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，故选项B、D错误；由变压器电流关系n1I1n2I2，要使I2I1，须n2n1，故选项A正确。答案A4.一台理想变压器的原线圈接220 V正弦交流电压时，副线圈上仅接有阻值为10 的电阻，电阻两端的电压为44 V。若将副线圈的匝数增加100 匝，则通过副线圈上此电阻的电流增加1.1 A。由此可知该变压器原线圈的匝数为()A.200 B.2 000 C.50 D.500解析由题意知，当副线圈匝数增加100匝时，电阻上的电压U2U2IR44 V1.110 V55 V，又由，可得，解得n12 000，故选项B正确。答案B5.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，故副线圈接入的匝数之比为21，故选项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，故选项A错误；由PUI知，输出功率之比为41，故选项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，故选项D错误。答案C6.如图2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，额定功率为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()图2A.变压器输入电压的瞬时值表达式为u220sin t(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解析由题图乙可知，100 rad/s，故选项A错误；原线圈输入电压为220 V，电压表示数为灯泡的额定电压U20 V，故选项B错误；由B分析，结合电压与匝数的关系得，故选项C正确；变压器的输入功率与输出功率相等，为P入10 W，故选项D错误。答案C7.如图3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3A.2.2103 W B.2.2102 WC.2.2108 W D.2.2104 W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。选项C正确。答案C能力提升8.如图4所示是4种亮度可调台灯的电路示意图，它们所用的白炽灯泡相同，且都是“220 V40 W”。当灯泡所消耗功率都调至20 W时，电路中消耗的电功率关系是()图4A.P1P2P4P3 B.P4P1P2P3C.P4P1P2P3 D.P1P2P4P3解析甲、乙采用串联分压方法，电路消耗的功率相等，丙采用变压器分压，最节能，丁采用分压电路分压，最耗能，选项B正确。答案B9.(多选)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解析变压器的输入功率P1P2I