高中物理第十一章变压器

1、第2讲变压器知识点知识点 理想变压器理想变压器1.1.构造和原理构造和原理( (如图所示如图所示) )(1)(1)主要构造主要构造: :由由_、_和和_组成。组成。(2)(2)工作原理工作原理: :电磁感应的电磁感应的_现象。现象。原线圈原线圈副线圈副线圈闭合铁芯闭合铁芯互感互感2.2.理想变压器的基本关系式理想变压器的基本关系式(1)(1)功率关系功率关系: :_。(2)(2)电压关系电压关系: : 若若n n1 1nn2 2, ,为为_变压器变压器; ;若若n n1 1nn2 2, ,为为_变压器。变压器。(3)(3)电流关系电流关系: :只有一个副线圈时只有一个副线圈时,_;,_;有多个

2、副线圈时有多个副线圈时,U,U1 1I I1 1=U=U2 2I I2 2+U+U3 3I I3 3+ +U+Un nI In n。1122UnUn，P P入入=P=P出出降压降压升压升压1221InIn3 3几种常用的变压器几种常用的变压器(1)(1)自耦变压器自耦变压器调压变压器。调压变压器。 电压互感器：把电压互感器：把_变成变成_。 电流互感器：把电流互感器：把_变成变成_。高电压高电压低电压低电压大电流大电流小电流小电流(2)(2)互感器互感器【思考辨析思考辨析】(1)(1)变压器只对变化的电流起作用变压器只对变化的电流起作用, ,对恒定电流不起作用。对恒定电流不起作用。( () )

3、(2)(2)变压器不但能改变交变电流的电压变压器不但能改变交变电流的电压, ,还能改变交变电流的频还能改变交变电流的频率。率。( () )(3)(3)正常工作的变压器当副线圈与用电器断开时正常工作的变压器当副线圈与用电器断开时, ,副线圈两端无副线圈两端无电压。电压。( () )(4)(4)变压器副线圈并联更多的用电器时变压器副线圈并联更多的用电器时, ,原线圈输入的电流随之原线圈输入的电流随之增大。增大。( () )分析：分析：变压器是依靠电磁感应工作的变压器是依靠电磁感应工作的, ,恒定不变的电流不能产恒定不变的电流不能产生变化的磁场生变化的磁场, ,不满足产生感应电动势的条件不满足产生感

4、应电动势的条件,(1),(1)对对; ;变压器变变压器变压的原理是互感原理压的原理是互感原理, ,当原线圈变化一个周期时当原线圈变化一个周期时, ,副线圈也变化副线圈也变化一个周期一个周期, ,故原、副线圈磁通量的变化率完全相同故原、副线圈磁通量的变化率完全相同, ,原、副线圈原、副线圈交变电流的频率也完全相同交变电流的频率也完全相同,(2),(2)错错; ;副线圈两端电压由原、副副线圈两端电压由原、副线圈匝数比和原线圈两端电压共同决定线圈匝数比和原线圈两端电压共同决定, ,与副线圈上所接负载与副线圈上所接负载无关无关,(3),(3)错错; ;变压器副线圈并联更多的用电器时变压器副线圈并联更多

5、的用电器时, ,副线圈电流增副线圈电流增加加, ,原、副线圈电流之比由匝数比决定原、副线圈电流之比由匝数比决定, ,因此原线圈电流相应增因此原线圈电流相应增加加,(4),(4)对。对。考点考点 1 1 理想变压器的工作原理和基本量的关系理想变压器的工作原理和基本量的关系( (三年三年1212考考) )深化理解深化理解【考点解读考点解读】1.1.工作原理工作原理 2.2.理想变压器及其原、副线圈基本量的关系理想变压器及其原、副线圈基本量的关系理想理想变压器变压器没有能量损失没有能量损失( (铜损、铁损铜损、铁损) )没有磁通量损失没有磁通量损失( (磁通量全部集中在铁芯中磁通量全部集中在铁芯中)

6、 )基基本本关关系系功率功率关系关系P P入入=P=P出出电压电压关系关系原、副线圈的电压比等于匝数比原、副线圈的电压比等于匝数比, ,与负载情况、副与负载情况、副线圈个数的多少无关线圈个数的多少无关电流电流关系关系只有一个副线圈时只有一个副线圈时, ,电流和匝数成反比电流和匝数成反比; ;有多个副线有多个副线圈时圈时, ,由输入功率和输出功率相等确定电流关系由输入功率和输出功率相等确定电流关系频率频率关系关系原、副线圈中电流的频率相等原、副线圈中电流的频率相等理想理想变压器变压器没有能量损失没有能量损失( (铜损、铁损铜损、铁损) )没有磁通量损失没有磁通量损失( (磁通量全部集中在铁芯中磁

7、通量全部集中在铁芯中) )制制约约关关系系电压电压 副线圈电压副线圈电压U U2 2由原线圈电压由原线圈电压U U1 1和匝数比决定和匝数比决定功率功率 原线圈的输入功率原线圈的输入功率P P1 1由副线圈的输出功率由副线圈的输出功率P P2 2决定决定电流电流 原线圈电流原线圈电流I I1 1由副线圈电流由副线圈电流I I2 2和匝数比决定和匝数比决定【典例透析典例透析 1 1】(2012(2012山东高考改编山东高考改编) )图甲是某燃气炉点火装图甲是某燃气炉点火装置的原理图。转换器将直流电压转换为图乙所示的正弦交变电置的原理图。转换器将直流电压转换为图乙所示的正弦交变电压压, ,并加在一

8、理想变压器的原线圈上并加在一理想变压器的原线圈上, ,变压器原、副线圈的匝数变压器原、副线圈的匝数分别为分别为n n1 1、n n2 2, , 为交流电压表。当变压器副线圈电压的瞬时为交流电压表。当变压器副线圈电压的瞬时值大于值大于5000V5000V时时, ,就会在钢针和金属板间引发电火花进而点燃气就会在钢针和金属板间引发电火花进而点燃气体。以下判断正确的是体。以下判断正确的是( () )A.A.电压表的示数等于电压表的示数等于5 V5 VB.B.电压表的示数等于电压表的示数等于 V VC.C.实现点火的条件是实现点火的条件是 =1 000=1 000D.D.实现点火的条件是实现点火的条件是

9、 1 0005 0005 5 000，所以，所以 1 0001 000，C C、D D均错。均错。52222111nnUU5nn，21nn21nn【总结提升总结提升】基本量关系解题的两点提醒基本量关系解题的两点提醒(1)(1)理想变压器的应用中要注意副线圈和原线圈功率相等这个理想变压器的应用中要注意副线圈和原线圈功率相等这个特点特点, ,电流关系的推导是以其为依据的。电流关系的推导是以其为依据的。(2)(2)变压器的以上关系都是根据变压器的以上关系都是根据“口口”字型铁芯的变压器推出字型铁芯的变压器推出的。如果变压器不是的。如果变压器不是“口口”字型铁芯字型铁芯, ,应根据变压器的原理及应根据

10、变压器的原理及各线圈中磁通量的关系推导出各物理量的关系。各线圈中磁通量的关系推导出各物理量的关系。 【变式训练变式训练】(2012(2012海南高考海南高考) )如图如图, ,理想变压器原、副线圈理想变压器原、副线圈匝数比为匝数比为201,201,两个标有两个标有“12V,6 W12V,6 W”的小灯泡并联在副线圈的小灯泡并联在副线圈的两端。当两灯泡都正常工作时的两端。当两灯泡都正常工作时, ,原线圈电路中电压表和电流原线圈电路中电压表和电流表表( (可视为理想的可视为理想的) )的示数分别是的示数分别是( () )A.120V,0.10 A B.240V,0.025 AA.120V,0.10

11、 A B.240V,0.025 AC.120V,0.005 A D.240V,0.05 AC.120V,0.005 A D.240V,0.05 A【解析解析】选选D D。灯泡正常工作。灯泡正常工作, ,副线圈电压副线圈电压U U2 2=12V,=12V,副线圈电流副线圈电流I I2 2=2=2 A=1A, A=1A,根据匝数比得原线圈电流根据匝数比得原线圈电流I I1 1= I= I2 2=0.05A,=0.05A,原线原线圈电压圈电压U U1 1=20U=20U2 2=240V,=240V,选项选项D D正确正确, ,其他选项错误。其他选项错误。612120【变式备选变式备选】如图所示如图所

12、示, ,理想变压器的原、副线圈匝数比为理想变压器的原、副线圈匝数比为15,15,原线圈两端的交变电压为原线圈两端的交变电压为u=20 sin100t(V)u=20 sin100t(V)。氖泡。氖泡在两端电压达到在两端电压达到100V100V时开始发光时开始发光, ,下列说法中正确的有下列说法中正确的有( () )A.A.开关接通后开关接通后, ,氖泡的发光频率为氖泡的发光频率为50 Hz50 HzB.B.开关接通后开关接通后, ,电压表的示数为电压表的示数为100 V100 VC.C.开关断开后开关断开后, ,电压表的示数变大电压表的示数变大D.D.开关断开后开关断开后, ,变压器的输出功率不

13、变变压器的输出功率不变2【解析解析】选选B B。由于副线圈电压由原线圈决定。由于副线圈电压由原线圈决定, ,则不论负载如何则不论负载如何变化变化, ,电压表的读数不变电压表的读数不变, ,始终为有效值始终为有效值100 V,B100 V,B正确正确,C,C错误错误; ;交交流电每个周期内氖泡发光两次流电每个周期内氖泡发光两次, ,每秒发光每秒发光100100次次, ,则氖泡发光频则氖泡发光频率为率为100 Hz,A100 Hz,A错误错误; ;开关断开后开关断开后, ,负载电阻增大、电流减小负载电阻增大、电流减小, ,则则变压器的输出功率减小变压器的输出功率减小,D,D错误。错误。考点考点 2

14、 2 理想变压器的动态分析理想变压器的动态分析 ( (三年三年7 7考考) )解题技巧解题技巧【考点解读考点解读】常见的理想变压器的动态分析问题一般有两种常见的理想变压器的动态分析问题一般有两种: :匝数比不变的匝数比不变的情况和负载电阻不变的情况。情况和负载电阻不变的情况。1.1.匝数比不变的情况匝数比不变的情况( (如图所示如图所示) ) (1)U(1)U1 1不变不变, ,根据根据 输入电压输入电压U U1 1决定输出电压决定输出电压U U2 2, ,可以得出可以得出不论负载电阻不论负载电阻R R如何变化如何变化,U,U2 2不变。不变。(2)(2)当负载电阻发生变化时当负载电阻发生变化

15、时,I,I2 2变化变化, ,根据输出电流根据输出电流I I2 2决定输入电决定输入电流流I I1 1, ,可以判断可以判断I I1 1的变化。的变化。(3)I(3)I2 2变化引起变化引起P P2 2变化变化, ,根据根据P P1 1=P=P2 2, ,可以判断可以判断P P1 1的变化。的变化。1122UnUn，2.2.负载电阻不变的情况负载电阻不变的情况( (如图所示如图所示) )(1)U(1)U1 1不变不变, , 发生变化发生变化,U,U2 2变化。变化。(2)R(2)R不变不变,U,U2 2变化变化,I,I2 2发生变化。发生变化。(3)(3)根据根据 和和P P1 1=P=P2

16、2, ,可以判断可以判断P P2 2变化时变化时,P,P1 1发生变化发生变化,U,U1 1不变不变时时,I,I1 1发生变化。发生变化。12nn222UPR【典例透析典例透析 2 2】(2013(2013杭州模拟杭州模拟) )如图所示如图所示, ,理想变压器原、理想变压器原、副线圈的匝数比为副线圈的匝数比为101,b101,b是原线圈中心的抽头是原线圈中心的抽头, ,电压表和电流电压表和电流表均为理想电表表均为理想电表, ,从某时刻开始在原线圈从某时刻开始在原线圈c c、d d两端加上交变电两端加上交变电压压, ,其瞬时值表达式为其瞬时值表达式为u u1 1= sin100t(V),= si

17、n100t(V),则则( () ) 220 2A.A.当单刀双掷开关与当单刀双掷开关与a a连接时连接时, ,电压表电压表V V1 1的示数为的示数为22 V22 VB.B.当当t= st= s时时, ,电压表电压表V V0 0的读数为的读数为110 V110 VC.C.单刀双掷开关与单刀双掷开关与a a连接连接, ,当滑动变阻器滑片当滑动变阻器滑片P P向上移动的过程向上移动的过程中中, ,电压表电压表V V1 1的示数增大的示数增大, ,电流表示数变小电流表示数变小D.D.当单刀双掷开关由当单刀双掷开关由a a扳向扳向b b时时, ,电压表电压表V V1 1和电流表的示数均变和电流表的示数

18、均变小小16002【解题探究解题探究】(1)(1)请分析当开关接请分析当开关接a a时时, ,滑片滑片P P上移上移, ,负载电阻如负载电阻如何变化何变化? ?原、副线圈的电压如何变化原、副线圈的电压如何变化? ?提示：提示：负载电阻变大。原、副线圈电压不变。负载电阻变大。原、副线圈电压不变。(2)(2)请分析当开关由请分析当开关由a a扳向扳向b b时时, ,原、副线圈电压的变化。原、副线圈电压的变化。提示：提示：原线圈电压不变。副线圈电压变大。原线圈电压不变。副线圈电压变大。【解析解析】选选C C。原线圈输入电压的有效值为。原线圈输入电压的有效值为220V,220V,由电压比由电压比 及电

19、表测得的有效值可知及电表测得的有效值可知, ,当单刀双掷开关与当单刀双掷开关与a a连接时连接时, ,副副线圈输出电压线圈输出电压U U2 2=22V,=22V,而而U U2 2=U=UR0R0+ + 所以电压表所以电压表V V1 1的示数小于的示数小于22V,A22V,A错错; ;由瞬时值表达式可知当由瞬时值表达式可知当t= st= s时时, ,电压瞬时值为电压瞬时值为110 V,110 V,而电压表示数为有效值而电压表示数为有效值, ,则电压表则电压表V V0 0的读数为的读数为220V,B220V,B错错; ;单刀双掷开关与单刀双掷开关与a a连接连接, ,当滑动变阻器滑片当滑动变阻器滑

20、片P P向上移动的过程向上移动的过程中中,R,R接入电路的阻值增大接入电路的阻值增大, ,而而U U2 2不变不变, ,电流表示数减小电流表示数减小, ,电压表电压表V V1 1示数增大示数增大,C,C对对; ;当单刀双掷开关由当单刀双掷开关由a a扳向扳向b b时时, ,变压器原线圈匝变压器原线圈匝数减小数减小, ,所以副线圈输出电压增大所以副线圈输出电压增大, ,电压表电压表V V1 1和电流表的示数均和电流表的示数均变大变大,D,D错。错。12UU12nn1VU ，16002【总结提升总结提升】变压器动态问题分析的思路流程变压器动态问题分析的思路流程【变式训练变式训练】(2012(201

21、2福建高考福建高考) )如图如图, ,理想变压器原线圈输入理想变压器原线圈输入电压电压u=Uu=Um msint,sint,副线圈电路中副线圈电路中R R0 0为定值电阻为定值电阻,R,R是滑动变阻器。是滑动变阻器。V V1 1和和V V2 2是理想交流电压表是理想交流电压表, ,示数分别用示数分别用U U1 1和和U U2 2表示表示;A;A1 1和和A A2 2是理想是理想交流电流表交流电流表, ,示数分别用示数分别用I I1 1和和I I2 2表示。下列说法正确的是表示。下列说法正确的是( () )A.IA.I1 1和和I I2 2表示电流的瞬时值表示电流的瞬时值B.UB.U1 1和和U

22、 U2 2表示电压的最大值表示电压的最大值C.C.滑片滑片P P向下滑动过程中向下滑动过程中,U,U2 2不变、不变、I I1 1变大变大D.D.滑片滑片P P向下滑动过程中向下滑动过程中,U,U2 2变小、变小、I I1 1变小变小【解析解析】选选C C。交流电压表和交流电流表显示的示数都为有效。交流电压表和交流电流表显示的示数都为有效值值,A,A、B B错。由于输入端电压错。由于输入端电压U U1 1和理想变压器匝数比不变和理想变压器匝数比不变, ,所以所以U U2 2不变。滑片不变。滑片P P向下滑动过程中向下滑动过程中, ,电阻变小电阻变小, ,电流电流I I2 2变大变大, ,输出功

23、输出功率变大率变大, ,则输入功率变大则输入功率变大, ,电流电流I I1 1变大变大,C,C对、对、D D错错, ,故选故选C C。【备选例题备选例题】【典例透析典例透析】如图所示如图所示, ,接于理想变压器中的四个规格相同的灯接于理想变压器中的四个规格相同的灯泡都正常发光泡都正常发光, ,那么那么, ,理想变压器的匝数比理想变压器的匝数比n n1 1nn2 2nn3 3为多少为多少? ?考查内容考查内容多线圈变压器问题多线圈变压器问题【规范解答规范解答】灯泡正常发光灯泡正常发光, ,可得可得U UA A=U=UB B=U=UC C=U=UD D, ,所以所以U U2 2=2U=2U3 3。

24、由变压器的电压比公式由变压器的电压比公式 所以所以n n2 2=2n=2n3 3。同理同理, ,灯泡正常发光灯泡正常发光, ,功率相等功率相等, ,即即P PA A=P=PB B=P=PC C=P=PD D。由由P=IP=I2 2R,R,得得I IA A=I=IB B=I=IC C=I=ID D, ,即即I I1 1=I=I2 2=I=I3 3。由由U U1 1I I1 1=U=U2 2I I2 2+U+U3 3I I3 3得得n n1 1I I1 1=n=n2 2I I2 2+n+n3 3I I3 3, ,3223332UnU2,nUU1即即n n1 1=n=n2 2+n+n3 3=2n=2

25、n3 3+n+n3 3=3n=3n3 3, ,所以所以n n1 1nn2 2nn3 3=321=321。答案：答案：321321自耦变压器问题自耦变压器问题【典例典例】(10(10分分) )自耦变压器自耦变压器铁芯上只绕有铁芯上只绕有一个线圈一个线圈, ,原、副线圈都只取该线圈的某部原、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所分。一升压式自耦调压变压器的电路如图所示示, ,其副线圈匝数可调。已知变压器线圈总匝数为其副线圈匝数可调。已知变压器线圈总匝数为19001900匝匝, ,原原线圈为线圈为11001100匝匝, ,接在有效值为接在有效值为220V220V的交流电源上。

26、当的交流电源上。当变压器输变压器输出电压调至最大时出电压调至最大时, ,负载负载R R上的功率为上的功率为2.0kW2.0kW。设此时原线圈中。设此时原线圈中电流有效值为电流有效值为I I1 1, ,负载两端电压的有效值为负载两端电压的有效值为U U2 2, ,且且变压器是理变压器是理想的想的, ,则则U U2 2和和I I1 1分别约为多少分别约为多少? ?【审题审题抓住信息，快速推断抓住信息，快速推断】关键信息关键信息信息挖掘信息挖掘题题干干铁芯上只绕有铁芯上只绕有一个线圈一个线圈原副线圈的磁通量时刻相同原副线圈的磁通量时刻相同, ,变化率变化率相同相同, ,和普通变压器的原理相同和普通变

27、压器的原理相同, ,基本基本量的关系相同量的关系相同变压器输出电变压器输出电压调至最大时压调至最大时副线圈为最大匝数副线圈为最大匝数1 9001 900匝时匝时, ,输出电输出电压最大压最大R R上的功率为上的功率为2.0kW2.0kW原副线圈的功率相同原副线圈的功率相同, ,注意单位换算注意单位换算变压器是理想变压器是理想的的利用理想变压器的基本关系和制约关利用理想变压器的基本关系和制约关系求解系求解【答题答题规范解题，步步得分规范解题，步步得分】由理想变压器原、副线圈中电压得由理想变压器原、副线圈中电压得: (2: (2分分) )电流关系可得电流关系可得: (2: (2分分) )功率关系可

28、得功率关系可得:U:U1 1I I1 1=P=P2 2, (2, (2分分) )所以当变压器输出电压调至最大时所以当变压器输出电压调至最大时, ,副线圈的匝数也最大副线圈的匝数也最大n n2 2=1900=1900匝匝, ,负载负载R R上的功率也最大为上的功率也最大为2.0kW,2.0kW,则则 (2(2分分) ) (2 (2分分) )答案：答案：380V380V9.1 A9.1 A1122UnUn，1221In,In2211n1 900UU220 V380 V,n1 1003211P2.0 10I A9.1 AU220【双基题组双基题组】1.(20131.(2013渝北模拟渝北模拟) )如

29、图所示如图所示, ,一理想变压器原副线圈的匝数一理想变压器原副线圈的匝数比为比为12;12;副线圈电路中接有灯泡副线圈电路中接有灯泡, ,灯泡的额定电压为灯泡的额定电压为220V,220V,额额定功率为定功率为22 W;22 W;原线圈电路中接有理想电压表和理想电流表。原线圈电路中接有理想电压表和理想电流表。现闭合开关现闭合开关, ,灯泡正常发光。若用灯泡正常发光。若用U U和和I I分别表示此时电压表和分别表示此时电压表和电流表的读数电流表的读数, ,则则( () )A.U=110V,I=0.2AA.U=110V,I=0.2AB.U=110V,I=0.05 AB.U=110V,I=0.05

30、AC.U=110 V,I=0.2AC.U=110 V,I=0.2AD.U=110 V,I=0.2 AD.U=110 V,I=0.2 A【解析解析】选选A A。由变压原理。由变压原理 可得可得U U1 1=110V,=110V,即电压表示即电压表示数为数为110V110V。由。由P P入入=P=P出出, ,灯泡正常发光可得灯泡正常发光可得P P入入=U=U1 1I I1 1=P=P出出=22W,=22W,I I1 1= A=0.2 A,= A=0.2 A,故故A A正确。正确。2221122nUnU221102.(20132.(2013黄山模拟黄山模拟) )如图所示的交流电如图所示的交流电路中路

31、中, ,理想变压器输入电压为理想变压器输入电压为U U1 1, ,输入功输入功率为率为P P1 1, ,输出功率为输出功率为P P2 2, ,各交流电表均为理想电表。当滑动变阻各交流电表均为理想电表。当滑动变阻器器R R的滑动头向下移动时的滑动头向下移动时( () )A.A.灯灯L L变亮变亮B.B.各个电表读数均变大各个电表读数均变大C.C.因为因为U U1 1不变不变, ,所以所以P P1 1不变不变D.PD.P1 1变大变大, ,且始终有且始终有P P1 1=P=P2 2【解析解析】选选D D。滑动头向下移动时。滑动头向下移动时, ,变阻器变阻器R R的实际应用阻值变的实际应用阻值变小小

32、, ,变压器负载总电阻变小变压器负载总电阻变小, ,副线圈总电流增大副线圈总电流增大,R,R0 0上电压降增上电压降增大大, ,因此电压表示数变小因此电压表示数变小, ,灯灯L L变暗变暗, ,而电流表示数变大而电流表示数变大, ,故故A A、B B均错误均错误;U;U1 1虽然不变虽然不变, ,但输入端电流增大但输入端电流增大, ,故有故有P P1 1=U=U1 1I I1 1增大增大, ,但理但理想变压器始终有想变压器始终有P P1 1=P=P2 2, ,所以所以C C错误错误,D,D正确。正确。【高考题组高考题组】3.(20123.(2012重庆高考重庆高考) )如图所示如图所示, ,理想变压器的原线圈接入理想变压器的原线圈接入u=11 000 sin100t(V)u=11 000 sin100t(V)的交变电压的交变电压, ,副线圈通过电阻副线圈通过电阻r=6r=6的导线对的导线对“220V220V880 W880 W”的电器的电器R RL L供电供电, ,该电器正常工作。由该电器正常工作。由此可知此可知( () )2A.A.原、副线圈的匝数比为原、副线圈的匝数比为501501B.B.交变电压的频率为交变电压的频率为100 Hz100 HzC.C.副线圈中电流的有效值为副线圈中电流的有效值为4 A4 AD.D.变压器的输入功率为变压器的输入功率为880 W880