教科版高中物理选修(3-2)第2章第6节《变压器》学案

1、最新教科版高中物理选修（3-2 ）第 2 章 第 6 节变压器学案 目标定位 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、变压器的原理及电压与匝数的关系 问题设计 把两个没有导线相连的线圈套在同一个闭合铁芯上, 一个线圈通过开关连到交流电源的两端, 另一个线圈连到小灯泡上( 如图 1 所示 ) 图 1(1) 小灯泡能发光吗？为什么？(2) 若小灯泡发光 , 那么小灯泡两端电压与什么因素有关？(3) 若将原线圈接到恒定的直流电源上, 小灯泡亮不亮？分

2、析讨论小灯泡亮或不亮的原因答案 (1) 能发光当左边线圈加上交变电压时, 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, 在左、右线圈中都要产生感应电动势, 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1, 则1 1 ；若右tnE nt边匝数为 n2 , 则 E2 n21n1, 则有 E1 E 电源 ,这样看来小灯泡两, 故有 E . 若忽略左边线圈的电阻tE2n2n端电压与左侧交流电源电动势及两线圈匝数比1都有关系n2(3) 不亮原线圈接到恒定直流电源上, 通过原线圈的电流的大小、方向均

3、不变, 它产生的磁场通过副线圈的磁通量不变, 因此在副线圈中不会产生感应电动势, 副线圈两端没有电压 ,所以小灯泡不亮这种现象说明 ,变压器不能改变恒定电流的电压1 / 15 要点提炼 1变压器的构造：闭合铁芯、与交流电源相连接的线圈叫原线圈( 匝数用n1 表示 , 又叫做初级线圈 ) 、与负载相连的另一个线圈叫副线圈( 匝数用n2 表示 , 又叫做次级线圈), 两个线圈都绕在闭合铁芯上2变压器的工作原理是互感现象因此变压器只对变化的电流起作用, 对恒定电流不起作用 ( 后两空填“变化”或“恒定”)3变压器中的电压关系(1) 只有一个副线圈：(2) 有多个副线圈：U1n1 .U2 n2U1U2

4、U3n1 n2 n3.4变压器不能( 填“能”或“不能” ) 改变交变电流的频率5原、副线圈的地位(1) 原线圈在其所处回路中充当负载(2) 副线圈在其所处回路中充当电源二、理想变压器中的功率关系及电流关系 问题设计 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？答案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若只有一个副线圈, 原、副线圈中的电流与匝数有什么关系？I1Un答案由能量守恒定律, 有 P 入 P出 , 即 U1 I 1 U2I 2,

5、 所以22IU .2n113若有多个副线圈时, 原、副线圈中的电流与匝数有什么关系？答案若有多个副线圈P1 P2 P3 , 即 U1I 1 U2I 2 U3 I 3将 U1 U2 U3 n1 n2 n3代入 , 得n1I 1 n2I 2 n3 I 3 要点提炼 1理想变压器的特点：2 / 15(1) 变压器铁芯内无漏磁 , 无发热损失(2) 原、副线圈不计内阻 , 即无能量损失实际变压器 ( 特别是大型变压器) 一般可以看成理想变压器2功率关系：P 入 P 出3电流关系：I1n2(1) 若只有一个副线圈时 , 有 I 1 U1 I 2U2, 即 I 2 n1；(2) 当有多个副线圈时 , 有

6、I 1U1 I 2U2I 3U3 ,即 I 1 n1 I 2n2I 3n3 三、理想变压器中各量的制约关系和动态分析1变压器工作时的制约关系n1(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 n2n2U1n1.(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.n1(3) 电流制约：当变压器原、副线圈的匝数比( n2) 一定 , 且输入电压 U1 确定时 , 副线圈中的输出电流 I 2 决定原线圈中的电流n2I 2I 1, 即 I 1 .n1

7、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, 负载电阻变化 , 进行动态分析的顺序是I2P出 P入I1；R(2)负载电阻不变 , 匝数比变化 , 进行动态分析的顺序是n1、 n2 U2 I 2 P 出 P 入 I 1 .四、各种各样的变压器1自耦变压器如图2 所示 , 铁芯上只绕一个线圈, 低压线圈是高压线圈的一部分, 既可以作为升压变压器使用,也可以作为降压变压器使用图 2UnI1n规律：112U2,I 2.n2n13 / 152电压互感器、电流互感器(1)构造：如图 3 甲、乙所示(2)接法：电压互感器原线圈并联在高压交流电路中, 副线圈接电压表；电流互感器原线圈串

8、联在被测交流电路中 , 副线圈接电流表为了安全, 外壳和副线圈应接地(3) 作用：电压互感器可将高电压变为低电压, 通过测量低电压 , 计算出高压交流电路的电压电流互感器将大电流变成小电流, 通过测量小电流 , 计算出被测交流电路中的大电流图 3一、对变压器的原理的理解例 1关于理想变压器的工作原理, 以下说法正确的是()A通过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I 变化 , 则磁场变化 , 由于面积S 不变 , 故 变化 ,A 错误因理想变压器无漏磁, 故 B、 C

9、正确原线圈中的电能转化为磁场能又转化为电能, 故 D 错误答案BC二、理想变压器基本规律的应用例 2理想变压器连接电路如图4 甲所示 , 已知原、副线圈匝数比为101, 当输入电压波形如图乙时 , 电流表读数为2 A, 则 ()图 44 / 15A电压表读数为282 VB电压表读数为28.2 VC输入功率为56.4 WD输入功率为40 W解析由题图乙可知 , Um 282 V,则输入电压有效值UmU1n1U1 200 V根据n知 , U2 20 V, 再2U22根据 I 1 n2知 , I 1 0.2 A, 输入功率 P U1I 1 40 W, 故 A、 B、 C 错 ,D 正确I 2n1答案

10、D三、理想变压器中的动态分析例 3如图 5 所示为一理想变压器,K 为单刀双掷开关, P 为滑动变阻器的滑动触头, U 为加在原1线圈两端的交变电压 , I 1 为原线圈中的电流 , 则()图 5A保持 1 及P的位置不变 ,K由a扳向b时 ,I1 将增大UB保持 U 及 P 的位置不变 ,K由 b 扳向 a 时 , R 消耗的功率减小1C保持 1 不变 ,K接在a处 , 使P上滑 ,I1 将增大UD保持 P 的位置不变 ,K接在 a 处 , 若 U 增大 , I1将增大1解析保持1 及P的位置不变 ,K由a扳向b时 ,1 减小 , n2增大 , 由2n21 知2 变大 , 则输出电UnnUn

11、UU11流 I 2 增大 , 输出功率增大 , 输入功率也增大 , 由 P1 U1I1 知, I1 增大 ,A正确同理 ,K 若由 b 扳向,消耗功率将减小,B 正确U不变 ,K接在a处 , 使P上滑时 ,I减小 ,I也减小 , 故 C 错误保a R211持 P 的位置不变 ,K接在 a 处 , 使若U1 增大 , 则 U2 也增大 , 即 I212也应增大 ,故 D 正确2 U增大 , 又 I n , 故 I 1RI2n1答案ABD四、各种各样的变压器例 4图 6 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()5 / 15图 6A线圈匝数n1n2 , n3n2 , n3n4

12、C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, 电表为电压表, 输出端不可短路；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, 电表为电流表 , 输出端不可断路 , 故选项 C、 D 正确答案 CD1 ( 对变压器原理的理解) 如图 7 所示 , 理想变压器原、副线圈匝数之比n1 n241, 当导线在平行导轨上匀速切割磁感线时, 电流表的示数是12 mA, 则副线圈中电流表的示数是 ()图 76 / 15A 3 mA B 48 mAC零D 与 R 阻值有关

13、答案C解析当导线在平行导轨上匀速运动时, 产生的电流是恒定的电流, 不会使副线圈的磁通量发生变化 , 因而副线圈中无感应电流, 选项 C 正确2 ( 理想变压器基本规律的应用) 如图 8 所示 , 理想变压器原、副线圈匝数比为201, 两个标有“12 V6 W”的小灯泡并联在副线圈的两端当两灯泡都正常工作时, 原线圈电路中电压表和电流表 ( 可视为理想电表) 的示数分别是()图 8A 120 V,0.10 A B 240 V,0.025 AC 120 V,0.05 A D 240 V,0.05 A答案D解析灯泡正常工作 , 副线圈两端的电压U 12 V, 副线圈中电流I62 12 A 1 A,

14、 根据匝数比22得原线圈中电流 I1 0.05 A, 原线圈两端的电压 U 20U 240 V, 选项 D 正确20I12123 ( 理想变压器中的动态分析) 如图 9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u 2202sin (100 t ) V,现把单刀双掷开关与a 连接 , 则 ()图 9A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

15、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7 / 15答案AB解析理想变压器可以变压、变流, 但不改变功率和频率 , 由交变电压的表达式可知, 该交变电压的频率为 50 Hz, 而产生交变电压的线圈每转一圈, 其电流变向两次, 故 B 正确；电压表的读数是有效值 , 根据理想变压器的变压比等于匝数比可知, 该电压表的读数为22 V,A 正确；滑动变阻器的触头P 向上移动 , 其接入电路的阻值减小 ,而变压器两端的电压不变, 则电压表的读数不变 , 副线圈中的电流变大 , 则电流表的读数变大 ,C 错误；单刀双掷开关由a扳向 , 变压器的原线圈的UUb12可知

16、, U2 变大 , 变压器的输出功率和输入功率变大有效匝数减小 , 由 n1 n2, 故电压表和电流表的读数都变大 ,D 错误 .题组一对变压器原理的理解1如图所示四个电路, 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, 不能对直流电流变压, 故 A、 B 错误；由于电压与线圈匝数成正比 , 只有 D 能实现升压, 故 C 错误 ,D 正确2理想变压器原、副线圈匝数比为101, 以下说法中正确的是()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BD

17、解析对于理想变压器, 认为无磁通量损失, 因而穿过两个线圈每一匝的磁通量相同, 磁通量的变化率相等 , 每匝线圈产生的感应电动势相等, 电压与匝数成正比, 故 A、C 错误 ,B 正确理想变压8 / 15器没有能量损失, 故输入功率等于输出功率, 故 D 正确题组二理想变压器基本规律的应用3. 如图 1 所示 , 一理想变压器的原线圈匝数为n1 1 100 匝 , 接电压 U1 220 V 的交流电 , 副线圈接“ 20 V10 W”的灯泡 , 灯泡正常发光, 可知 ()图 1A副线圈的匝数n2 200 匝B副线圈中的电流I 2 0.5 AC原线圈中的输入功率为10 WD原线圈中的电流I 1

18、0.1 A答案BC解析由于理想变压器的电压比等于匝数比, 副线圈匝数 n2 100 匝 ,A 错误；理想变压器的原、副线圈的功率相等, 所以原线圈的输入功率为10 W,C 正确；由功率UI可得副线圈中的电流n2PI 2 0.5 A,原线圈中的电流I 1 I 20.045 A,B 正确 ,D 错误n14如图 2 所示 , 理想变压器的原线圈接在u 220 2sin (100 t ) V的交流电源上 , 副线圈接有R 55 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, 下列说法中正确的是 ()图 2A原线圈中电流表的读数为1 AB原线圈中的输入功率为2202 WC副线圈中电压

19、表的读数为1102 VD副线圈中输出交流电的周期为50 s答案 A9 / 15解析先计算副线圈电压的有效值, 原线圈电压的有效值为220 V, 根据匝数比可以得到副线圈电压的有效值为110 V, 根据负载电阻的大小可以知道副线圈中电流为2 A, 根据原、副线圈的输入功率和输出功率相等可以知道原线圈中输入功率为220 W, 电流的有效值为1 A, 故 A 正确 ,B 、C 错误由交流电源的瞬时电压公式可知周期T 0.02 s,副线圈中输出交流电的周期与原线圈相同 , 故 D 错误5一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, 则变压器的原线圈

20、电流、输出电压及输出功率分别是()A 5 A,250 V,50 kWB 5 A,10 kV,50 kWC 200 A,250 V,50 kWD200 A,10 kV,2 103 kW答案A n, 得 I 1200 A 5 A 由 U n, 得 U2 nU1 1010 3解析由 I111V 250 V 由理想24011240I212n2n1nU变压器功率关系, 得 PP出 U I UI200250 W 50 kW. 故正确选项为A.入1 12 26. 如图 3所示 , 一只理想变压器原线圈与频率为50 Hz的正弦交变电源相连, 两个阻值均为 20 的电阻串联后接在副线圈的两端图中的电流表、电压表

21、均为理想交流电表, 原、副线圈分别为 200 匝和 100 匝 , 电压表的示数为 5 V 则 ()图 3A电流表的读数为 0.5 AB流过电阻的交变电流的频率为100 HzC交变电源的输出电压的最大值为202 VD交变电源的输出功率为2.5 W答案CD解析根据欧姆定律可得副线圈中的电流I 2 U 0.25 A,根据理想变压器原、副线圈中的电流R10 / 15I 1n2, 可解得 I 1 0.125 A,A 错误；理想变压器原、副线圈中的交变电流的频率与匝数的关系 I 2 n1相同 , 都为 50 Hz,B错误；副线圈输出电压的有效值为10 V, 根据正弦交变电流的最大值和有效值的关系可得其最

22、大值应为2m 102 V, 原、副线圈电压比为11U n , 可得交变电源输出电压的UUn22最大值为U 202 V,C正确；对于理想变压器, 交变电源的输出功率等于变压器副线圈负载消1m耗的功率 ,252W 2.5 W, 故 D 正确P207如图 4 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 2.2A以下判断正确的是()图 4A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

23、、副线圈匝数比n1 n2113答案BDU1n1n1U1解析变压器的输入功率P1 P2 I 2 U22.2 60 W 132 W, 选项 A 错误；由 U2 n2, 得 n2 U2220 11, 选项 D 正确；由I 1n2n2I 2 32.2 A 0.6 A,选项 B 正确；根据I m603, 得 I111I 得通I 2n1n12过副线圈的电流的最大值I 2m 2I 21125A, 选项 C 错误题组三理想变压器中的动态分析8如图 5 所示 , 理想变压器的副线圈上通过输电线接有两个相同的灯泡L1 和 L2 , 输电线的等效电阻为 R. 开始时 , 开关 S 断开当开关S 接通时 , 以下说法

24、中正确的是 ()图 511 / 15A副线圈两端M、 N 的输出电压减小B副线圈输电线等效电阻R上的电压增大C通过灯炮L1 的电流减小D原线圈中的电流增大答案BCD解析 由于输入电压不变 , 所以当 S 接通时 , 理想变压器副线圈、两端输出电压不变, 故选项M NA 错误并联灯泡L2, 总电阻变小 , 由欧姆定律知 , 流过电阻R 的电流增大 , 电阻 R 上的电压 URIR增大 , 故选项B 正确副线圈输出电流增大, 根据输入功率等于输出功率11 2 2 知 ,I2 增大 ,IU I U原线圈输入电流I 也增大 , 故选项 D 正确 U 不变 , U 变大 , 所以 U变小 , 通过灯泡

25、L 的电流减1MNRL11小, 选项 C 正确9如图 6 所示 , 某理想变压器的原、副线圈的匝数均可调节, 原线圈两端电压为一最大值不变的正弦交流电 , 在其他条件不变的情况下, 为了使变压器输入功率增大, 可使 ()图 6A原线圈匝数n1 增加B副线圈匝数n2 增加C负载电阻R的阻值增大D负载电阻R的阻值减小答案BD2U1n1解析U2由n, P 出 UR2222U1n2可得 P 出2n1R22U1n2又因为 P 入 P 出 , 所以 P入 2n1R分析可得选项B、 D 正确10如图7 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

26、确的是()12 / 15图 7A 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U 不变 , 原、副线圈匝数不变, 所以输出电压U 也不变 , 灯 L 亮12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,负载总电阻总 减小 , 由2知 , 通过副线圈的电流2 增大 , 输出功率2 22 增大 , 再由 I12RI2 UInRPUII2n总1知输入电流I 1 也增大 , 故选项 C 错误 ,D 正确题组四各种各样的变压器11. 如图 8 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 u51sin (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()图 8A 2.0 VB 9.0 VC 12.7 VD 144