2018_2019学年高中物理第五章交变电流第4节变压器学案新人教版.docx

第4节变压器1.了解变压器的构造及几种常见的变压器，理解变压器的工作原理2.掌握理想变压器的电压与匝数的关系并能用它解决相关问题3.掌握理想变压器的功率关系，并能推导出原、副线圈的电流关系一、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、副线圈的电压比等于两个线圈的匝数比，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 判一判(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)理想变压器是一个理想化模型()(3)学校中用的变压器工作时没有能量损失()(4)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()提示：(1)(2)(3)(4) 做一做下图中能将电压升高供给电灯的变压器是()提示：选C.A图中原线圈接入恒定电流，变压器不能工作，故A错误；B图中，原线圈匝数比副线圈匝数多，所以是降压变压器，故B错误；C图中，原线圈匝数比副线圈匝数少，所以是升压变压器，故C正确；D图中，原线圈接入恒定电流，变压器不能工作，故D错误 想一想如果将变压器的原线圈接到直流电源上，在副线圈上还能输出电压吗？提示：不能变压器的工作原理是互感现象，在原线圈上接直流电源，在铁芯中不会形成变化的磁场，所以在副线圈上不会有感应电动势产生理想变压器的原理和基本规律的应用1理想变压器的特点(1)原、副线圈的电阻不计，不产生热量(2)变压器的铁芯无漏磁，原、副线圈磁通量无差别(3)变压器自身的能量损耗不计，原线圈的输入功率等于副线圈的输出功率2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：.3功率关系：对于理想变压器，不考虑能量损失，P入P出4电流关系：由功率关系，当只有一个副线圈时，I1U1I2U2，得.当有多个副线圈时，I1U1I2U2I3U3，得I1n1I2n2I3n3. 命题视角1理想变压器的原理(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解析理想变压器，改变电压、电流，不改变频率、功率和磁通量及磁通量变化率答案ABC 命题视角2理想变压器基本规律的应用(2018成都高二检测)如图所示，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()AU110 V，I0.2 ABU110 V，I0.05 ACU110 V，I0.2 ADU110 V，I0.2 A思路点拨 解析U2220 V，根据U1U2n1n2得U1110 VI20.1 A，根据I1I2n2n1得I10.2 A所以正确答案是A.答案A 命题视角3有多个副线圈的变压器如图所示，理想变压器三个线圈的匝数之比为n1n2n31051，其中n1接到220 V的交流电源上，n2和n3分别与电阻R2、R3组成闭合回路已知通过电阻R3的电流I32 A，电阻R2110 ，求通过电阻R2的电流I2和通过原线圈的电流I1.思路点拨 (1)电压关系：.(2)电流关系：n1I1n2I2n3I3.(3)功率关系：U1I1U2I2U3I3.解析由变压器原、副线圈电压比等于其匝数比可得，加在R2上的电压U2U1220 V110 V通过电阻R2的电流I2 A1 A加在R3上的电压U3U1220 V22 V根据输出功率等于输入功率得：U1I1U2I2U3I3代入数据解得通过原线圈的电流为：I10.7 A.答案1 A0.7 A关于理想变压器的五点说明(1)变压器不能改变直流电压(2)变压器只能改变交变电流的电压和电流，不能改变交变电流的频率(3)理想变压器本身不消耗能量(4)理想变压器基本关系中的U1、U2、I1、I2均为有效值(5)理想变压器的变压关系是一个普适关系，而电流比则不然，它只适用于副线圈仅有一个的情况而对副线圈有多个的情况则应根据功率关系P入P出，即U1I1U2I2U3I3来找出各线圈间的电流关系 【通关练习】1(2018河北鸡泽一中检测)如图所示，甲图中两导轨不平行，而乙图中两导轨平行，其余物理条件都相同，金属棒MN正在导轨上向右匀速运动，在金属棒运动过程中，将观察到()AL1发光，L2不发光BL1、L2都不发光CL2发光，L1不发光DL1、L2都发光，只是亮度不同解析：选A.金属棒MN在轨道上向右匀速平动，由EBLv可知，甲图中有效切割长度增大，产生的电动势增大，回路中的感应电流也增大；乙图中的切割长度恒定，产生的是恒定电动势，电流恒定，根据变压器的原理可知，甲的副线圈产生感应电流，乙的副线圈没有感应电流产生，所以L1发光，L2不发光，A正确2(高考全国卷)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，kDU22 V，k解析：选A.设原、副线圈中的电流分别为I1、I2，则，故k.设原线圈两端的电压为U1，则，故U13U，而原线圈上电阻分担的电压为U，故3U220 V，解得U66 V选项A正确理想变压器的动态分析问题1理想变压器工作时的制约关系(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(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I1.2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.(多选)(2018成都七中高二月考)如图所示为一理想变压器，S为单刀双掷开关，P为滑动变阻器的滑动触头，U1为加在原线圈两端的电压，I1为原线圈中的电流，则()A保持U1及P的位置不变，S由a合到b时，I1将增大B保持P的位置及U1不变，S由b合到a时，R消耗的功率减小C保持U1不变，S合在a处，使P上滑，I1将增大D保持P的位置不变，S合在a处，若U1增大，I1将增大思路点拨 解析S由a合到b时，n1减小而U1不变，由可知副线圈上电压U2增大，负载R的电流I2增大，P2增大；又由于P1P2U1I1，故I1增大，A项正确；同理S由b合到a时，P2减小，B项正确；P上滑时，负载电阻R增大，而U1、U2均不变，由I2可知I2减小，又由于n1、n2均不变，由可知I1将减小，故C项错误；当U1增大时，由可知U2也增大，I2增大，再由可知I1增大，故D项正确答案ABD理想变压器动态问题的处理方法(1)首先抓住三个决定原则：输入电压U1决定输出电压U2；输出电流I2决定输入电流I1；输出功率P2决定输入功率P1.(2)把副线圈当作电源，研究副线圈电路电阻变化(3)根据闭合电路的欧姆定律，判定副线圈电流的变化、功率的变化(4)根据理想变压器的变压规律、变流规律和功率规律判定原线圈电流的变化及输入功率的变化 (2016高考全国卷)一含有理想变压器的电路如图所示，图中电阻R1、R2和R3的阻值分别为3 、1 和4 ，A为理想交流电流表，U为正弦交流电压源，输出电压的有效值恒定当开关S断开时，电流表的示数为I；当S闭合时，电流表的示数为4I.该变压器原、副线圈匝数比值为()A2B3C4 D5解析：选B.设理想变压器原、副线圈匝数比值为k，根据题述，当开关S断开时，电流表示数为I，则由闭合电路欧姆定律得，UIR1U1.由变压公式U1/U2k及功率关系U1IU2I2，可得I2/Ik，即副线圈输出电流为I2kI，U2I2(R2R3)kI(R2R3)当开关S闭合时，电流表示数为4I，则有U4IR1U1.由变压器公式U1/U2k及功率关系U14IU2I2，可得I2/(4I)k，即副线圈输出电流为I24kI，U2I2R24kIR2；联立解得k3，选项B正确其他几种变压器的应用1自耦变压器如图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)分类(2)特点电压互感器：使用时把原线圈与电路并联，原线圈匝数多于副线圈匝数，即n1n2.电流互感器：使用时把原线圈与电路串联，原线圈匝数少于副线圈匝数，即n1n2.(2018北京一零一中学测试)如图所示，一自耦变压器(可看做理想变压器)输入端AB间加一正弦式交流电压，在输出端CD间接灯泡和滑动变阻器转动滑片P可以改变副线圈的匝数，移动滑片Q可以改变接入电路电阻的阻值则()A只将P顺时针转动，灯泡变亮B只将P逆时针转动，灯泡变亮C只将Q向上移动，灯泡变亮D只将Q向下移动，灯泡变亮解析理想变压器原、副线圈电压之比等于匝数之比，即，只将P顺时针转动，原线圈匝数n1不变，副线圈匝数n2减小，原线圈两端电压U1不变，则副线圈电压U2减小，即灯泡变暗；同理可知将P逆时针转动时，灯泡变亮；灯泡L与滑动变阻器R并联，若只是移动滑片Q，灯泡两端电压不变，灯泡亮度不变故选B.答案B (1)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V后者A.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(2)使用互感器时，一定要将互感器的外壳和副线圈接地 (多选)(2018福建永春一中检测)如图所示，在铁芯上、下分别绕有匝数n1800和n2200的两个线圈由于铁芯不闭合，上线圈产生的磁场将在空间发散，磁感线用虚线表示，下线圈得到的磁场很少，所以这种变压器能量的损耗很大当上线圈两端与u14.1sin 314t (V)的交流电源相连，将下线圈两端接交流电压表，则交流电压表的读数可能是()A14.1 V B2.5 VC2.0 V D1.0 V解析：选CD.根据u14.1sin 314t(V)可知交流电的最大值为Um14.1 V，则其有效值U110 V，由图可知线圈n1是原线圈，线圈n2是副线圈，如果变压器是理想变压器，那么输入电压和输出电压的关系有U1U2n1n2，可得U2U12.5 V，因为交流电压表指示的是有效值，故如果是理想变压器则B正确，但实际变压器存在漏磁现象，故通过原线圈的磁通量大于通过副线圈的磁通量，故实际副线圈的输出电压小于2.5 V，故C、D正确随堂检测1(2018湖北武汉检测)理想变压器的原、副线圈匝数为n1和n2，电流为I1和I2，电压为U1和U2，功率为P1和P2，下面关系正确的是()A.B.C. D.解析：选A.理想变压器中原副线圈的电压满足：；理想变压器中不考虑铜损和铁损，输出功率等于输入功率，即P1P2，则U1I1U2I2，即n1I1n2I2，故选A.2(2018浙江义乌月考)在绕制变压器时，某人将两个线圈绕在如图所示变压器铁芯的左右两个臂上当通以交流电时，每个线圈产生 的磁通量都只有一半通过另一个线圈，另一半通过中间的臂已知线圈 1，2 的匝数之比 n1n221.在不接负载的情况下()A当线圈 1 输入电压为 220 V 时，线圈 2 输出电压为 110 VB当线圈 1 输入电压为 220 V 时，线圈 2 输出电压为 55 VC当线圈 2 输入电压为 110 V 时，线圈 1 输出电压为 220 VD当线圈 2 输入电压为 110 V 时，线圈 1 输出电压为 55 V解析：选B.因为理想变压器原、副线圈电压之比等于线圈中产生的感应电动势之比，所以当从线圈1输入电压U1220 V时，由得U255 V当从线圈2输入电压U2110 V时，同理得U1110 V故B正确3(2018吉林吉化一中检测)如图所示，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，则对于串联在原线圈上的灯泡A()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无法判断其亮度情况解析：选B.设灯泡正常发光时的电流为I，故副线圈中的电流为3I，根据公式可得原线圈中的电流为I，故通过灯泡A的电流为I，所以灯泡A仍旧会正常发光，B正确4.(多选)(高考天津卷)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，电流表读数变小解析：选BC.保持Q的位置不动，则U2不变，将P向上滑动时，R接入电路的电阻变大，根据I2知，I2变小，由得I1也变小，即电流表读数变小，选项A错误，选项B正确；保持P的位置不动，将Q向上滑动时，U2变大，则根据P2知副线圈输出功率变大，由P1P2知，变压器原线圈输入功率P1变大，而P1I1U，输入电压U一定，I1变大，即电流表读数变大，选项C正确，选项D错误5(高考安徽卷)如图所示电路中，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()A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.电压表V1的示数和a、b间电压的有效值相同，滑片滑动时V1示数不变，选项A错误；电压表V2测量的电压为副线圈两端的电压，原、副线圈匝数不变，输入电压不变，故V2示数不变，V3示数为V2示数减去R0两端电压，两线圈中电流增大，易知R0两端电压升高，故V3示数减小，选项B错误；理想变压器U1I1U2I2，则U1I1U2I2，I2I1，故U2U1，变压器为降压变压器，选项C错误；因I2增大，故知R减小，变阻器滑片是沿cd的方向滑动，选项D正确课时作业 一、单项选择题1如图中理想变压器原、副线圈匝数之比n1n241，原线圈两端连接光滑导轨，副线圈与电阻R相连组成闭合回路当直导线AB在匀强磁场中沿导轨匀速地向右做切割磁感线运动时，安培表A1的读数是12毫安，那么安培表A2的读数是()A0 B3毫安C48毫安 D与R值大小无关解析：选A.当直导线AB在匀强磁场中沿导轨匀速向右做切割磁感线运动时，原线圈中产生恒定的电流，不能在铁芯中产生变化的磁场，副线圈中不会产生感应电流，故选A.2(2018广东惠州月考)有一额定电压为55 V的特种灯泡，要使它正常发光，则应通过一个理想变压器再接入家中的电源，则选用的变压器原、副线圈的匝数比n1n2应为()A12 B14C21 D41解析：选D.额定电压为55 V的特种灯泡，要使它正常发光，副线圈两端电压的有效值U255 V；理想变压器接入家中的电源，原线圈两端电压的有效值U1220 V；变压器原、副线圈的匝数比n1n2U1U241；故D项正确3用220 V的正弦交流电通过理想变压器对一负载供电，变压器输出电压是110 V，通过负载的电流随时间变化的图象如图所示，则()A变压器输入功率约为3.9 WB输出电压的最大值是110 VC变压器原、副线圈的匝数比是12D负载电流的函数表达式i0.05sinA解析：选A.变压器的输入功率等于输出功率，等于输出电压的有效值与输出电流的有效值的乘积，所以PUI110 V A3.9 W，A对；输出电压的有效值是110 V，最大值是110 V，所以B错；变压器原、副线圈匝数之比是21，C错；负载电流的函数表达式是i0.05sin(100t)A，D错4如图甲、乙所示电路中，当A、B接10 V交变电压时，C、D间电压为4 V，M、N接10 V直流电压时，P、Q间电压也为4 V现把C、D接4 V交流，P、Q接4 V直流，下面哪个选项可表示A、B间和M、N间的电压()A10 V10 V B10 V4 VC4 V10 V D10 V0解析：选B.题图甲是一个自耦变压器，当A、B作为输入端，C、D作为输出端时，是一个降压变压器，两边电压之比等于两边线圈的匝数之比，当C、D作为输入端，A、B作为输出端时，是一个升压变压器，电压比也等于匝数比，所以C、D接4 V交流时，A、B间将得到10 V交流题图乙是一分压电路，当M、N作为输入端时，上、下两个电阻上的电压跟它们的电阻的大小成正比但是当把电压加在P、Q两端时，电流只经过下面那个电阻，上面的电阻中没有电流，两端也就没有电势差，即M、P两点的电势相等所以当P、Q接4 V直流时，M、N两端的电压也是4 V.5(2018江苏扬州中学月考)如图所示，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()A原、副线圈匝数比为91B原、副线圈匝数比为110C此时a和b上的电功率之比为91D此时a和b的电功率之比为101解析：选A.灯泡正常发光，则其电压均为额定电压U额，则说明原线圈输入电压为9U额，输出电压为U额；则可知，原副线圈匝数之比为91，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可得两者的电功率之比为19，故C、D错误6(高考广东卷)如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解析：选C.根据欧姆定律I，U2由220 V降至110 V，副线圈上的电流变为原来的，即调节前后，副线圈上电流之比为21，选项A错误；根据PUI知，U、I均变为原来的时，副线圈上输出的功率变为原来的，即调节前后副线圈的输出功率之比为41，选项B错误；根据理想变压器电压与匝数的关系，当U2由220 V降至110 V时，n2变为原来的，即调节前后副线圈接入的匝数比为21，选项C正确；根据理想变压器P入P出，所以原线圈输入功率等于副线圈的输出功率，即调节前后原线圈输入功率之比为41，选项D错误7(2018北京一零一中月考)如图所示，匝数为100的矩形线圈abcd处于磁感应强度B T的水平匀强磁场中，线圈面积S0.5 m2，内阻不计线圈绕垂直于磁场的轴以角速度10 rad/s匀速转动，线圈通过金属滑环与理想变压器原线圈相连，变压器的副线圈接入一只“12 V12 W”灯泡，灯泡正常发光，下列说法中正确的是()A通过灯泡的交变电流的频率是50 HzB变压器原、副线圈匝数之比为101C矩形线圈中产生的电动势的最大值为120 VD若将灯泡更换为“12 V24 W”且保证其正常发光，需要增大矩形线圈的转速解析：选B.通过灯泡的交流电的频率f(Hz)5 Hz，故A错；变压器原线圈两端电压U1(V)120 V，原、副线圈匝数之比等于原、副线圈电压之比，即101，故B正确；矩形线圈产生的电动势的最大值为120 V，故C错；增大线圈的转速会增大原线圈两端电压，在变压器原、副线圈匝数之比不变时，会使得副线圈两端电压增大，故D错二、多项选择题8(高考海南卷)如图，一理想变压器原、副线圈匝数比为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，V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解析：选AD.当负载电阻的阻值减小为R5R0时，根据串并联电路规律，R两端电压为R0两端电压的5倍，因为电压表测量R两端的电压，所以UR05.0 V1 V，故副线圈两端电压为U26 V，根据公式可得此时原线圈两端电压的有效值为U124 V，所以此时原线圈两端电压的最大值约为24 V34 V，A正确，B错误；因为变化过程中变压器的输入电流不变，所以对于副线圈中变化前后电流也不变，则变化后电压U2IR05IR06IR0，变化前，U2IR011IR012IR0，所以U22U212 V，根据公式可得原线圈两端原来的电压有效值为48 V， D正确，C错误9(2018河北邢台月考)如图所示，一理想变压器副线圈与滑动变阻器相连，P是滑动变阻器的滑动触头，原线圈一端接交流电源，另一端a和一线圈中间引出端 b分别与单刀双掷开关S两接线柱相连，电源电压的最大值恒定，I为电源电流，则()A保持P的位置不变，S由a合向b时，I将增大B保持P的位置不变，S由a合向b时，R消耗的功率减小CS合在a处，使P向c端滑动，I将增大DS合在b处，使P向c端滑动，R消耗的功率减小解析：选AD.根据变压器原副线圈电压关系：，U2，原线圈匝数减小，输出电压增大，R消耗的功率增大，输入功率随之增大，电源电流增大，故A正确，B错误；保持S不动，输出电压不变，向c端移动P，电阻增大，R消耗的功率减小，输入功率随之减小，电源电流减小，故C错误，D正确10如图所示，理想变压器原、副线圈的匝数比为101，b是原线圈的中心抽头，电压表和电流表均为理想交流电表，从某时刻开始在原线圈两端加上交变电压u，其瞬时值表达式为u220 sin(100t) V，现把单刀双掷开关与a连接，则()A电压表的示数为22 VB流过滑动变阻器的电流的方向每秒改变100次C在滑动变阻器的触头P向上移动的过程中，电压表和电流表的示数均变大D若把单刀双掷开关由a扳向b时，保持滑动变阻器的触头P不动，电压表示数变大，电流表的示数变小解析：选AB.理想变压器可以变压、变流，但不改变功率和频率；由交变电压的