高考物理 模型系列之对象模型 专题11 变压器模型学案.doc

专题11 变压器模型模型界定本模型中涉及变压器结构与原理，常见各种变压器，涉及变压器问题的解题思路以及变压器的动态分析问题。模型破解1.变压器(i)结构如图1所示为变压器的结构图，它是由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成的.跟电源相连的叫原线圈；另一个线圈跟负载连接，叫副线圈.铁芯由涂有绝缘漆的硅钢片叠合而成.(ii)工作原理当在原线圈上加交变电源时，原线圈中就有交变电流，它在铁芯上中产生交变磁通量，磁通量通过铁芯也穿过副线圈，磁通量的变化在副线圈上产生感应电动势.若副线圈上接有负载形成闭合电路，有交变电流通过时，也会产生磁通量通过铁芯穿过原线圈，在原线圈上产生感应电动势.这样原、副线圈在铁芯中磁通量发生了变化，从而发生互相感应（称为互感现象），产生了感应电动势.(iii)理想变压器理想变压器是一种理想模型，它有三个特点：铁芯封闭性好，无漏磁现象，即穿过原、副线圈两绕组每匝的磁通量都一样；线圈绕组的电阻不计，不产生热量，无电能损失；铁芯中的电流不计，铁芯不发热，无电能损失.(iv)常见变压器自耦变压器自耦变压器是指它的绕组一部分是高压边和低压边共享的,另一部分只属于高压边.它只有一个线圈,有三个抽头,可升压也可降压.图甲是降压器,图乙是升压器.调压变压器调压变压器属于自耦变压器,但电压连续可调.互感器图甲是电压互感器,实质是降压变压器.图乙是电流互感器,实质是升压变压器.例1.如图所示，一理想自耦变压器线圈ab绕在一个圆环形的闭合铁芯上，输入端ab间加一正弦式交流电压，在输出端bp间连接了理想交流电流表、灯泡和滑动变阻器，移动滑动触头p的位置，可改变副线圈的匝数，变阻器的滑动触头标记为q则a只将q向下移动时，灯泡的亮度变大b只将q向下移动时，电流表的读数变大c只将p顺时针方向移动时，电流表的读数变大d只提高输入端的电压u时，电流表的读数变大【答案】d2.涉及变压器问题的常用思路(i)电压思路：变压器原、副线圈的电压之比为；当变压器有多个副绕组时适用条件理想变压器且通过原副线圈每匝的磁通量都相同,即无漏磁.注意u1与u2都是线圈两端的电压而不一定是电源电压或负载两端电压.例2.为保证用户电压稳定在220v，变电所需适时进行调压，图甲为调压变压器示意图。保持输入电压不变，当滑动接头p上下移动时可改变输出电压。某次检测得到用户电压随时间t变化的曲线如图乙所示。以下正确的是abc为使用户电压稳定在220v，应将p适当下移d为使用户电压稳定在220v，应将p适当上移【答案】bd【解析】:由图乙知交变电流的周期为0.02s,电压峰值为,故其瞬时值表达式为,a错误b正确.由于用户得到的电压为,由知在u1与n2不变的情况下要增大u2需减小n1,故c错误d正确.例3.如图所示，在铁芯上、下分别绕有匝数n1=800和n2=200的两个线圈，上线圈两端与u=51sin314t 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a20 v b90 v c127v d1440 v【答案】a模型演练1.输入电压为220v，输出电压为36v的变压器副线圆烧坏，为获知此变压器原、副线圈匝数，某同学拆下烧坏的副线圈，用绝缘导线在铁芯上新绕了5匝线圈，如题图所示，然后将原线圈接到220v交流电源上，测得新绕线圈的端电压为1v，按理想变压器分析，该变压器烧坏前的原、副线圈匝数分别为：a 1100、360 b 1100、180 c 2200、180 d 220、360(ii)电流思路：由知，对只有一个副绕组的变压器有；当变压器有多个副绕组时，例4.如图所示，理想变压器的初、次级线圈分别接着定值电阻、，且，初、次级线圈的匝数比，交流电源电压为u，则a两端的电压为 b两端的电压为c两端的电压为 d两端的电压为【答案】ac例5.如图所示，l1和l2是高压输电线，甲、乙是两只互感器，若已知nl ：n2=1000 ：l，n3 ：n4=1 ：100，图中电压表示数为220v，电流表示数为10a，则高压输电线的送电功率为（ ）例4题图a2.2103w b2.2l0-2w c2.2108w d2.2104w【答案】c模型演练2.如图甲所示，m是一个小型理想变压器，原副线圈匝数之比n1:n2=10:1，接线柱a、b接上一个正弦交变电源，电压随时间变化规律如图乙所示。变压器右侧部分为一火警报警系统原理图，其中r2为用半导体热敏材料（电阻随温度升高而减小）制成的传感器，r1为一定值电阻。下列说法中正确的是 （ ）a电压表示数为22 v b当传感器r2所在处出现火警时，电压表的示数减小 c当传感器r2所在处出现火警时，电流表的示数减小d当传感器r2所在处出现火警时，电阻r1的功率变小【答案】b【解析】: 由图乙知变压器原线圈两端的电压，则副线圈两端的电压，而电压表测的是热敏电阻r2两端的电压，r1有分压作用，a错误。出现火情时r2的阻值减小，电路中的电流增大，原线圈中电流即电流表的示数增大 ，c错误；定值电阻r1两端电压增大，消耗的功率，增大，d错误；由知r2两端电压即电压表的示数减小，b正确。(iii)功率思路：理想变压器的输入等于输出功率:，即；当变压器有多个副绕组时例6.如图，一理想变压器原副线圈的匝数比为1：2；副线圈电路中接有灯泡，灯泡的额定电压为220v，额定功率为22w；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abcd【答案】a模型演练3.如图所示，一理想变压器的原线圈匝数为n1=1000匝，副线圈匝数为n2=200匝，电阻r=8.8，原线圈接入一电压 (v)的交流电源，电压表和电流表对电路的影响可忽略不计，则a副线圈交变电流的频率是100 hzb t=1s的时刻，电压表的示数为0c变压器的输入电功率为220wd电流表的示数为10a【答案】c(iv)原理思路：当线圈的电阻可忽略时:，,若变压器通过原副线圈每匝的磁通量都相同,则有:. 例7.在绕制变压器时，某人误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变电流时，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n1n2=21在不接负载的情况下 a当线圈1输入电压220v时，线圈2输出电压为110vb当线圈1输入电压220v时，线圈2输出电压为55vc当线圈2输入电压110v时，线圈1输出电压为220vd当线圈2输入电压110v时，线圈1输出电压为110v【答案】bd【解析】: 因为理想变压器原、副线圈电压之比（u1/u2）等于线圈中产生的感应电动势之比（e1/e2），所以当从线圈1输入电压u1=220v时，由得,a错误b正确.当从线圈2输入电压u2=110v时，同理由得,c错误d正确.(v)制约思路变压器动态问题分析思路：.电压制约：当变压器原、副线圈的匝数比一定时，输出电压由输入电压决定，即，可简述为“原制约副”。.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，原线圈中的电流由副线圈中的输出电流决定，即，可简述为“副制约原”。负载制约：变压器副线圈中的功率由用户负载决定，；变压器副线圈中的电流由用户负载及电压确定，；总功率。（为线路上损耗功率）动态分析问题的思路程序可表示为：例8图甲中理想变压器原、副线圈的匝数之比n1:n2=5:1，电阻r=20 ，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u=20sin(50)v b.只断开s1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0.8w【答案】d例9.为探究理想变压器原、副线圈电压、电流的关系，将原线圈接到电压有效值不变的正弦交流电源上，副线圈连接相同的灯泡l1、l2，电路中分别接了理想交流电压表v1、v2和理想交流电流表a1，a2，导线电阻不计，如图所示。当开关s闭合后 a. a1示数变大，a1与a2示数的比值不变b. a1示数变大，a1与a2示数的比值变大c. v2示数变小，v1与v2示数的比值变大d. v2示数不变，v1与v2示数的比值不变【答案】ad【解析】:原线圈两端电压不变,则由副线圈两端电压不变,即两电压表的示数都不变,当然示数的比值也不变,c错误d正确.闭合s后变压器的负载阻值减小,由知a2示数增大,再由知a1的示数也增大,但比值不变,a正确b错误.模型演练4.如右图，一理想变压器原副线圈匝数之比为4：1，原线圈端接入一正弦交流电源，副线圈电路中r为负载电阻，交流电压表和交流电流表都是理想电表，下列结论正确的是a若电压表读数为6v，则输入电压的最大值为b若输入电压不变，副线圈匝数增加到原来的2倍，则电流表的读数减小到原来的一半c若输入电压不变，负载电阻的阻值增加到原来的2倍，则输入功率也增加到原来的2倍d若保持负载电阻的阻值不变，输入电压增加到原来的2倍，则输出功率增加到原来的4倍【答案】ad5.一理想变压器原、副线圈的匝数比为10:1，原线圈输入电压的变化规律如图甲所示，副线圈所接电路如图乙所示，为滑动变阻器的触头。下列说法正确的是a.副线圈输出电压的频率为50hzb. 副线圈输出电压的有效值为31vc. 向右移动时，原、副线圈的电流比减小d. 向右移动时，变压器的输出功率增加【答案】ad6. 图中为一理想变压器，其原线圈与一电压有效值不变的交流电源相连：p为滑动头。现令p从均匀密绕的副线圈最底端开始，沿副线圈匀速上滑，直至白炽灯l两端的电压等于其额定电压为止。用表示流过原线圈的电流，表示流过灯泡的电流，表示灯泡两端的电压，表示灯泡消耗的电功率（这里的电流、电压均指有效值：电功率指平均值）。下列4个图中，能够正确反映相应物理量的变化趋势的是 【答案】c【解析】：滑动头向上匀速滑动，副线圈匝数均匀增加，与时间t成正比，由u1：u2=n1：n2得：u2n2u1/n1,故u2与t也成正比，故c正确；随着白炽灯变亮，其本身电阻也逐渐增大，灯泡的i-t图线斜率逐渐减小，故b错误；由于副线圈输出功率增大，原线圈的输入功率也增大，由p=ui知，输入电流也要增大，故a错误；灯泡消耗的功率，所以p2与u2不成正比，即p-t图象不满足正比例函数关系，故d错误；7.一理想变压器的原线圈上接有正弦交变电压，其最大值保持不变，副线圈接有可调电阻r。设原线圈的电流为i1，输入功率为p1，副线圈的电流为i2，输出功率为p2，当r增大时a. i1减小，p1增大b. i1减小，p1减小c. i2增大，p2减小d. i2增大，p2增大【答案】b8.如图，为一理想变压器，k为单刀双掷开关，p为滑动变阻器的滑动触头，为加在原线圈两端的电压，为原线圈中的电流强度，则（ ）a. 保持及p的位置不变，k由a合到b时，将增大b. 保持及p的位置不变，k由b合到a时，r消耗的功率减小c. 保持不变，k合在a处，使p上滑，将增大d. 保持p的位置不变，k合在a处，若增大，将增大【答案】abd【解析】:k由a合到b时，减小，由，可知增大，随之增大，而，又，从而增大，a正确；k由b合到a时，与上述情况相反，将减小，