（浙江新高考专用）2019_2020学年高中物理第五章交变电流4变压器讲义新人教版选修.docx

4变压器知识内容选考要求课时要求变压器c1.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及应用.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、副线圈的电流与匝数的关系并能用它解决简单问题.一、变压器的原理1.构造：由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成，与交流电源连接的线圈叫原线圈，与负载连接的线圈叫副线圈.2.原理：互感现象是变压器工作的基础.原线圈中电流的大小、方向不断变化，在铁芯中激发的磁场也不断变化，变化的磁场在副线圈中产生感应电动势.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叫做理想变压器，它是一个理想化模型.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.理想变压器原、副线圈功率关系P1P2(填“”“”或“U1，U2降低B.U2U1，U2升高C.U2U1，U2降低D.U2n2知U2U1；滑动触头从M点顺时针旋转至N点过程，n2减小，n1不变，U1不变，则U2降低，C项正确.例4(多选)图7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7A.线圈匝数n1n2，n3n2，n3n4C.甲图中的电表是电压表，输出端不可短路D.乙图中的电表是电流表，输出端不可断路答案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，其中的电表为电压表；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，n3n4，其中的电表为电流表，故选项C、D正确.四、理想变压器的动态分析1.电压、电流、功率的制约关系(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(只有一个副线圈时).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.例5(2018嘉兴市高二第一学期期末)如图8所示是一个理想变压器，K为单刀双掷开关，P是滑动变阻器的滑动触头，U1为加在原线圈两端电压，I1为通过原线圈的电流，则()图8A.K合在b处，保持U1不变，使P上滑，I1将增大B.K合在b处，保持P的位置不变，减小U1，I1将增大C.保持U1及P的位置不变，K由b合向a后，I1将增大D.保持U1及P的位置不变，K由b合向a后，R消耗的功率将减小答案D解析保持U1不变，K合在b处，原、副线圈匝数不变，所以副线圈电压不变，现使P上滑，阻值变大，则副线圈电流I2减小，理想变压器的电流与匝数关系：，可知原线圈I1将减小，故A错误；K合在b处，保持P的位置不变，减小U1，根据，可知U2减小，副线圈电流I2减小，理想变压器的电流与匝数关系：，可知原线圈I1将减小，故B错误；保持U1及P的位置不变，K由b合向a后，根据，n1增大，可知U2减小，副线圈电流I2减小，理想变压器的电流与匝数关系：，可知原线圈I1将减小，根据PI22R，可知R消耗的功率减小，故C错误、D正确.针对训练(多选)如图9所示，理想变压器原线圈的匝数n11100匝，副线圈的匝数n2110匝，R0、R1、R2均为定值电阻，且R0R1R2，电流表、电压表均为理想电表.原线圈接u220sin314t (V)的交流电源.起初开关S处于断开状态.下列说法中正确的是()图9A.电压表示数为22VB.当开关S闭合后，电压表示数变小C.当开关S闭合后，电流表示数变大D.当开关S闭合后，变压器的输出功率增大答案BCD学科素养通过改变原、副线圈的匝数、滑动变阻器滑片的位置、开关闭合等方式分析理想变压器的动态问题，使学生进一步熟练掌握理想变压器的原理，熟练掌握理想变压器原、副线圈中的电压、电流、功率关系：，(一个副线圈)，P1P2，及U1决定U2、I2决定I1、P2决定P1等制约关系，培养了学生的综合分析能力，较好地体现了“科学思维”的学科素养.1.(变压器的工作原理)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答案C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.2.(理想变压器基本关系的应用)(多选)(2018温州十五校联合体高二第一学期期末)如图10所示，理想变压器原、副线圈匝数之比为101，原线圈接正弦交流电源，电压u3 110sin 100t (V)，副线圈接入“220V100W”灯泡一只，则()图10A.灯泡正常发光B.电源输出功率为1000WC.电流表的示数为0.045AD.电流表的示数为4.5A答案AC3.(互感器)(多选)(2018温州十五校联合体高二第二学期期中)如图11所示，把两块铁芯固定在一把钳子上，可以做成一个钳形测量仪.利用它可以在不切断导线的情况下，通过电流表A，测量导线中的电流强度.关于该测量仪，下列说法正确的是()图11A.能测交流，也能测直流B.只能测交流，不能测直流C.电流表A是直流电流表D.电流表A是交流电流表答案BD4.(理想变压器的动态分析)(2016天津卷)如图12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12A.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V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A1示数变大D.若闭合开关S，则电流表A1示数变大，A2示数变大答案B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A1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A2示数减小；原线圈中的电流变大，电流表A1示数变大，选项D错误.训练1变压器的工作原理及基本关系一、选择题考点一变压器的工作原理1.(多选)理想变压器正常工作时，原、副线圈中一定相同的物理量是()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.原线圈的感应电动势和副线圈的感应电动势答案ABC2.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，故C错误、D正确.3.(2017台州市高二检测)如图1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A1的示数是12mA，则电流表A2的示数为(稳定后)()图1A.3mAB.0C.48mAD.与负载R的值有关答案B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，原线圈中电流稳定后不能引起穿过线圈n2的磁通量变化，在副线圈n2上无感应电动势产生，所以A2中无电流通过.考点二理想变压器基本关系的应用4.(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.5.(2018牌头中学高二上学期期中)如图2所示为一理想变压器工作电路图，今欲使变压器的输入功率增大到原来的2倍，在其他条件不变的情况下，可行的办法是()图2A.原线圈的匝数n1增加到原来的2倍B.副线圈的匝数n2增加到原来的2倍C.负载电阻的阻值R变为原来的2倍D.n2和R都变为原来的2倍答案D解析原线圈匝数增加使得副线圈电压减小，输出功率减小，输入功率也减小，故A错误；副线圈匝数增加2倍，副线圈电压增大2倍，根据P，故输出功率增加到原来的4倍，故B错误；负载电阻增大，而电压不变，所以输出功率和输入功率都减小，故C错误；副线圈匝数和负载电阻都增加2倍，副线圈电压增大2倍，根据P，输出功率增加到原来的2倍，故输入功率增加到原来的2倍，故D正确.6.(多选)如图3所示，理想变压器原线圈匝数n11210匝，副线圈匝数n2121匝，原线圈输入电压u311sin100t (V)，负载电阻R44，电表均为理想电表，各电表的读数应为()图3A.V1读数为311VB.A1读数为0.05AC.V2读数为31.1VD.A2读数为0.5A答案BD解析电压表V1示数为交流电原线圈电压的有效值，故U1V220V；根据公式可得电压表V2的读数为22V；根据欧姆定律可得副线圈中的电流为I2A0.5A，即电流表A2的读数为0.5A；根据公式可得电流表A1的读数为0.05A.故B、D正确.7.(多选)(2017诸暨市期末)如图4所示为理想变压器的电路，它的原线圈匝数n1600匝，交流电源电压为U1220V，原线圈串联一个额定电流为0.2A的保险丝，副线圈匝数n2120匝，副线圈上接一个电阻R，为保证保险丝不被烧断，则()图4A.负载功率不能超过44WB.负载电阻不能大于44C.副线圈交流电的有效值不能超过1AD.原线圈交流电的瞬时值不能超过0.2A答案AC解析为保证保险丝不被烧断，通过原线圈的电流最大为0.2A，由输入功率等于输出功率知，负载功率不能超过PmU1I1220V0.2A44W，选项A正确；由得U2U1220V44V，由P得，负载电阻的最小值R44，选项B错误；由PUI得副线圈中电流的有效值I21A，选项C正确；保险丝的额定电流为有效值，故通过原线圈的电流的有效值不能超过0.2A，选项D错误.8.如图5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10W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5A.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220VC.变压器原、副线圈的匝数比为111D.变压器的输入功率为110W答案C解析由题图乙可知，100rad/s，故A错误；原线圈输入电压为220V，电压表示数为灯泡的额定电压U220V，故B错误；由B项分析，结合电压与匝数的关系得，故C正确；理想变压器的输入功率与输出功率相等，为10W，故D错误.9.(多选)如图6，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6A.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答案AD解析设灯泡的额定电压为U0，两灯泡均能正常发光，所以原线圈两端电压为U19U0，副线圈两端电压为U2U0，故，A正确，B错误；根据公式可得，由于小灯泡两端的电压相等，所以根据公式PUI可得，灯泡a和b的电功率之比为19，C错误，D正确.10.如图7所示，理想变压器原、副线圈接有三个完全相同的灯泡，其额定电压均为U，且三个灯泡均能正常发光.下列说法中正确的是()图7A.原、副线圈匝数比为31B.原、副线圈匝数比为13C.AB端的输入电压为3UD.AB端的输入电压为4U答案C解析设灯泡正常发光时，流过它的电流为I，则该变压器原线圈电流I1I，副线圈中电流I22I，则原、副线圈匝数比21，所以原线圈两端的电压为U1U22U，则AB端输入电压为3U，A、B、D错误，C正确.考点三自耦变压器与互感器11.(2017金华市高二检测)钳式电流表的外形和结构如图8中a、b所示.图b中电流表的读数为1.2A，图c中用同一电缆线绕了3匝，则()图8A.这种电流表能测直流电流，图c的读数为2.4AB.这种电流表能测交变电流，图c的读数为0.4AC.这种电流表能测交变电流，图c的读数为3.6AD.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3.6A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1.2A.在题图c中绕3匝时，的读数应为3.6A，故选项C正确.12.(多选)(2017台州市选考科目教学质量评估)如图9所示，在某一输电线路的起始端接入两个互感器，原、副线圈的匝数比分别为1001和1100，图中a、b表示电压表或电流表，已知电压表的示数为22V，电流表的示数为1A，则()图9A.a为电流表，b为电压表B.a为电压表，b为电流表C.线路输送的电功率是22WD.线路输送的电功率是220kW答案BD解析由题图可知a表是电压表，b表是电流表，甲互感器原、副线圈匝数比为1001，乙互感器原、副线圈匝数比为1100，由电压表的示数为22V，得原线圈的电压为2200V，由电流表的示数为1A，得原线圈的电流为100A.所以线路输送功率是PUI2.2105W220kW，故B、D正确，A、C错误.13.自耦变压器的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10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，接在电压有效值为220V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2.0kW，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，且变压器是理想变压器，则U2和I1分别约为()图10A.380V和5.3AB.380V和9.1AC.240V和5.3AD.240V和9.1A答案B解析由理想变压器原、副线圈中电压、电流及功率关系可得：，U1I1P2，所以，当变压器输出电压调至最大时，副线圈的匝数也最大，为n21 900匝，负载R上的功率也最大，为2.0 kW，则U2U1220 V380 V，I1 A9.1 A，故选项B正确.二、非选择题14.如图11所示，理想变压器原线圈中输入电压有效值为U13300V，副线圈两端电压有效值U2为220V，输出端连有完全相同的两个灯泡L1和L2，绕过铁芯的导线所接的电压表V的示数U2V.求：图11(1)原线圈n1等于多少匝？(2)当开关S断开时，电流表A2的示数I25A.则电流表A1的示数I1为多少？(3)在(2)情况下，当开关S闭合时，电流表A1的示数I1等于多少？答案(1)1650匝(2)A(3)A解析(1)由变压器与电压匝数的关系可得：U，则n11 650匝.(2)当开关S断开时，有：U1I1U2I2，I1 A.(3)当开关S断开时，有：RL44 .当开关S闭合时，设副线圈总电阻为R，有R22 ，副线圈中的总电流I210 A.由U1I1U2I2可知，I1 A.训练2变压器问题的动态分析1.如图1所示，理想变压器原线圈输入电压uUmsint，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1A.I1和I2表示电流的平均值B.U1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的示数表示的都是有效值，选项A、B错误.根据得U2U1，U1不变，U2不变，滑片P向下滑动过程中，接入电路中的电阻变小，由闭合电路欧姆定律知I2变大，根据得I1I2，I1变大，故C正确，D错误.2.(多选)(2017“超级全能生”选考科目联考)如图2所示，理想变压器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，下列说法中正确的是()图2A.副线圈两端的输出电压减小B.通过灯泡L1的电流减小C.原线圈中的电流增大D.变压器的输入功率增大答案BCD3.(多选)如图3甲所示，理想变压器原、副线圈的匝数比为21，原线圈接入如图乙所示的正弦交变电流，电表均为理想电表，下列说法正确的是()图3A.电压表的示数为110VB.交变电流的频率为50HzC.滑动变阻器滑片向下滑动时，电压表示数变大D.滑动变阻器滑片向上滑动时，电流表示数变小答案BD解析根据题图乙可知原线圈电压的有效值U1220V，根据可得副线圈输出电压有效值U2110V，电压表测量的是滑动变阻器R两端的电压，小于110V，A错误；根据题图乙可知交流电的周期为0.02s，频率为50Hz，B正确；滑动变阻器滑片向下滑动时，滑动变阻器R接入电路的阻值变小，电压表示数变小，C错误；滑动变阻器滑片向上滑动时，滑动变阻器R接入电路的阻值变大，流过副线圈的电流变小，根据可得流过原线圈的电流变小，电流表示数变小，D正确.4.(多选)如图4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4A.P向下滑动时，灯L变亮B.P向下滑动时，变压器的输出电压不变C.P向上滑动时，变压器的输入电流变小D.P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，B正确.P向上滑动时，滑动变阻器接入电路的电阻减小，副线圈负载总电阻R总减小，由I2知，通过副线圈的电流I2增大，输出功率P出U2I2增大，再由知输入电流I1也增大，故选项C错误，D正确.5.(多选)如图5所示，理想变压器原线圈输入电压u220sin100t (V)，原、副线圈匝数比为101，副线圈电路中R0为定值电阻，R是光敏电阻(其阻值随光照强度的增大而减小)，图中电表均为理想电表，下列说法正确的是()图5A.变压器输出电压的频率为50HzB.电压表V2的示数为22VC.照射R的光变强时，灯泡L变暗D.照射R的光变强时，电压表V1、电流表A1的示数都不变答案AC解析原线圈接正弦交流电，由题知角速度是100 rad/s，所以f Hz50 Hz，故A正确.由表达式知输入电压有效值为220 V，根据电压与匝数成正比，副线圈电压有效值即电压表V2的示数为22 V，故B错误.R处光照增强时，阻值减小，但不会影响变压器的输入电压及输出电压，则副线圈电路总电流变大，原线圈电流也变大，由于副线圈定值电阻分压增大，灯泡两端电压减小，灯泡变暗，故C正确，D错误.6.如图6所示的交流电路中，理想变压器输入电压为U1，输入功率为P1，输出功率为P2，各交流电表均为理想电表.当滑动变阻器R的滑动触头向下移动时()图6A.灯L变亮B.各个电表读数均变大C.因为U1不变，所以P1不变D.P1变大，且始终有P1P2答案D解析理想变压器的输出电压由输入电压和匝数比决定，输入电压不变，所以输出电压也不变，输入功率和输出功率始终相等，当滑动变阻器R的滑动触头向下移动时，滑动变阻器接入电路的电阻减小，副线圈电路的总电阻减小，所以总电流变大，消耗的功率将变大，R0两端的电压变大，所以灯L两端的电压变小，电压表的示数变小，所以灯L变暗，由于总的电流变大，通过灯L的电流变小，所以电流表的示数变大，D正确.7.(多选)如图7所示，T为理想变压器，电流表、电压表均为理想交流电表.R1、R2为定值电阻，R3为滑动变阻器，L为电感线圈，A、B两点间接正弦交流电，则()图7A.只将滑片P1下移时，电流表示数变小B.只将滑片P2下移时，电压表示数变大C.只增大交流电的电压时，电流表示数变大D.只增大交流电的频率时，电压表示数不变答案AC解析只将滑片P1下移时，变压器副线圈输出电压U2减小，由U1I1可知，U1、R不变，I1减小，A正确；只将滑片P2下移时，副线圈电路中的总电阻减小，U2不变，因此副线圈电路中的电流增大，R1两端的电压增大，R3两端的电压减小，电压表的示数减小，B错误；只增大交流电的电压时，根据变压器的变压比公式可知，副线圈两端的电压增大，因此副线圈的电流增大，根据变压器的变流比公式可知，原线圈的电流增大，故电流表示数增大，C正确；只增大交流电的频率时，电感线圈的感抗增大，副线圈电路中的总电阻增大，总电流减小，R1两端的电压减小，R3两端的电压增大，电压表示数增大，D错误.8.(多选)火警报警系统原理如图8甲所示，M是一个小型理想变压器，原、副线圈匝数之比n1n2101，接线柱a、b接上一个正弦交流电源，电压随时间变化规律如图乙所示，在变压器右侧部分，R2为半导体热敏电阻(电阻随温度升高而减小)，R1为一定值电阻，下列说法中正确的是()图8A.电压表示数为22VB.此交流电源的频率为50HzC.当热敏电阻R2所在处出现火警时，电流表的示数减小D.当热敏电阻R2所在处出现火警时，电压表的示数减小答案BD解析原线圈电压有效值U1 V220 V，根据变压器的电压与匝数成正比，可得副线圈的电压为U222 V，电压表V测的是R2两端电压，则其示数小于22 V，故A错误；由原线圈两端输入电压u随时间变化的图象可知，T0.02 s，频率为50 Hz，故B正确；当出现火警时，温度升高，电阻R2减小，副线圈的电流变大，所以原线圈的电流也要增大，电流表的