高中物理第二章交变电流2.6变压器学案教科版选修.docx

6变压器学习目标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、变压器的结构与原理1.变压器的结构：变压器包括三个基本组成部分，一个铁芯及两组线圈.两组线圈中的一组与电源相连，称为原线圈，也叫初级线圈；另一组接负载，称为副线圈，也叫次级线圈.2.变压器工作原理：当变压器的原线圈加上交变电压时，原线圈中的交变电流在铁芯中激发交变的磁通量，交变的磁通量穿过原线圈也穿过副线圈，在原、副线圈中都产生感应电动势.二、理想变压器的电压与匝数的关系1.理想变压器：理想变压器中，原、副线圈电流产生磁场的磁感线都集中在铁芯内，且没有能量损耗.2.理想变压器原、副线圈两端的电压跟它们的匝数成正比，即.三、理想变压器的电流与匝数的关系1.理想变压器的输入功率(选填“”、“”或“”)输出功率，即U1I1U2I2.2.理想变压器的电流与匝数关系：只有一个副线圈时，.四、电压互感器和电流互感器1.电压互感器是一种降压变压器，它的初级并联在高压交流线路上，次级与交流电压表相连.2.电流互感器是一种升压变压器，它的原线圈串联在被测交流电路中，副线圈与交流电流表相连.即学即用1.判断下列说法的正误.(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)输入交变电流的频率越高，输出交变电流的电压就越高.()(3)我们在使用质量好的变压器工作时没有能量损失.()(4)理想变压器不能改变交变电流的频率.()2.一台理想降压变压器从10 kV的线路中降压并提供200 A的负载电流.已知两个线圈的匝数比为401，则副线圈中的输出电压为_，输出功率为_，变压器原线圈中的电流为_.答案250 V50 kW5 A解析由，得U2 V250 V；由理想变压器功率关系，得P入P出U1I1U2I2250200 W50 kW，同时得I1 A5 A.一、变压器的原理及电压与匝数的关系导学探究如图1所示，把两个没有导线相连的线圈套在同一个闭合铁芯上，一个线圈(原线圈)通过开关可以连接到交流电源的两端，另一个线圈(副线圈)连到小灯泡上.连接电路，接通电源，小灯泡能发光.图1(1)两个线圈并没有连接，小灯泡为什么会发光？(2)小灯泡两端的电压与学生电源的输出电压相等吗？如果不相等，与什么因素有关？(3)若将原线圈接在恒定的直流电源上小灯泡发光吗？为什么？答案(1)当左边线圈加上交流电压时，左边线圈中就有交变电流，它在铁芯中产生周期性变化的磁场，根据法拉第电磁感应定律知，在右线圈中会产生感应电动势，右线圈作为电源给小灯泡供电，小灯泡就会发光.(2)左、右线圈中每一圈上磁通量的变化率都相同，若左边匝数为n1，则U1E1n1.若右边匝数为n2，则U2E2n2，故有；若忽略左边线圈的电阻则有U1U电源，这样看来只要n1n2，小灯泡两端的电压与学生电源的输出电压就不相等.小灯泡两端的电压，即副线圈两端的电压与原、副线圈匝数比有关.(3)不发光，因为无法在副线圈中产生感应电动势.知识深化1.变压器能改变交变电压、交变电流，但不能改变恒定电压、恒定电流.2.变压器不能改变交流电的频率与功率.3.变压器原、副线圈中电压关系(1)只有一个副线圈：(2)有多个副线圈：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.二、理想变压器原、副线圈的功率关系和电流关系导学探究阅读教材回答下列三个问题：(1)什么是理想变压器？理想变压器原、副线圈中的功率有什么关系？(2)根据能量守恒推导只有一个副线圈时原、副线圈中的电流与匝数的关系.(3)根据能量守恒推导有多个副线圈时原、副线圈中的电流与匝数的关系.答案(1)理想变压器的理想化条件一般指的是：忽略原、副线圈内阻上的分压，忽略原、副线圈磁通量的差别，忽略变压器自身的能量损耗.所以理想变压器的输入功率等于输出功率，即P入P出.(2)由能量守恒有P入P出，即U1I1U2I2.所以.(3)若有多个副线圈，则P1P2P3，即U1I1U2I2U3I3将U1U2U3n1n2n3代入得n1I1n2I2n3I3知识深化1.电流关系(1)只有一个副线圈时，有U1I1U2I2，得：n1I1n2I2，即.(2)当有多个副线圈时，由I1U1I2U2I3U3得：n1I1n2I2n3I3.2.功率关系从能量守恒看，理想变压器的输入功率等于输出功率P入P出.例2如图2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2A.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答案D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P入P出及P出 W6 W，选项D正确.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.三、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：输入电压U1决定输出电压U2，当变压器原、副线圈的匝数比一定时，有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：副线圈中的输出电流I2决定原线圈中的电流I1，当变压器原、副线圈的匝数比一定，且输入电压U1确定时，有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.例3(多选)如图3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3A.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.针对训练如图4所示，理想变压器原、副线圈回路中的输电线的电阻忽略不计.当S闭合时()图4A.电流表A1的读数变大，电流表A2的读数变小B.电流表A1的读数变大，电流表A2的读数变大C.电流表A1的读数变小，电流表A2的读数变小D.电流表A1的读数变小，电流表A2的读数变大答案B解析当S闭合后，变压器副线圈电路中的总电阻R减小，而输出电压不变.由I2得I2增大，即电流表A2的读数变大，变压器的输出功率变大.由U1I1U2I2可知，I1变大，即电流表A1的读数也变大，选项B正确.四、自耦变压器和互感器1.自耦变压器铁芯上只绕有一个线圈，如果把整个线圈作为原线圈，副线圈只取线圈的一部分，就可以降低电压，反之则可以升高电压，如图5所示.图52.互感器交流电压表和交流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.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6所示)图6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7所示)图7例4(多选)如图8甲、乙所示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8A.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.1.电压互感器应并联接入电路，电流互感器应串联接入电路.2.电压互感器是把高电压变成低电压，故原线圈匝数n1大于副线圈匝数n2.3.电流互感器是把大电流变成小电流，故原线圈匝数n1小于副线圈匝数n2.例5如图9所示为物理实验室某风扇的风速挡位变换器电路图，它是一个可调压的理想变压器，其中接入交流电的电压有效值U0220 V，n02 200匝，挡位1、2、3、4对应的线圈匝数分别为220匝、500匝、1 100匝、2 200匝.电动机M的内阻r4 ，额定电压为U220 V，额定功率P110 W.下列判断正确的是()图9A.当选择挡位3时，电动机两端电压为110 VB.当挡位由3变换到2时，电动机的功率增大C.当选择挡位2时，电动机的热功率为1 WD.当选择挡位4时，电动机的输出功率为110 W答案A解析由电压与匝数的关系U0U3n0n3，解得U3110 V，A正确；当挡位由3变换到2时，输出电压减小，电动机的功率减小，B错误；在额定功率的情况下，电动机的额定电流为I0.5 A，热功率PrI2r1 W，输出功率为PPr(1101) W109 W，D错误；当没有达到额定功率时，热功率小于1 W，C错误.1.(变压器的工作原理)(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答案ABC2.(理想变压器基本关系的应用)(多选)如图10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10A.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答案BD解析变压器的输入功率等于输出功率P1P2I2U22.260 W132 W，选项A错误；，选项D正确；由得I1I22.2 A0.6 A，选项B正确；根据I得通过副线圈的电流的最大值I2mI2 A，选项C错误.3.(理想变压器的动态分析)如图11所示，理想变压器原线圈输入电压uUmsin t，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11A.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表示的都是有效值，选项A、B错误.根据得U2U1，U1不变，则U2不变，滑片P向下滑动过程中，滑动变阻器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.4.(互感器)(多选)如图12所示，L1、L2是高压输电线，图中两电