2011届状元之路物理选修3-2.10.2.ppt

1、10.2 变压器 电能的输送,知 识 精 要高效梳理知识备考,一变压器原理 1.构造和原理(如图所示),(1)主要构造:由原线圈副线圈和闭合铁芯组成. (2)工作原理:电磁感应的互感现象. 2.理想变压器的基本关系式 (1)电压关系 若n1n2,为降压变压器;若n1n2,为升压变压器. (2)电流关系 只适用于只有一个副线圈的情况.,3.互感器 (1)电压互感器,用来把高电压变成低电压. (2)电流互感器,用来把大电流变成小电流. 特别提示:(1)如果变压器没有漏磁和能量损失,这样的变压器是理想变压器. (2)变压器只能改变交变电流的电流和电压,不能改变恒定电流的电流和电压.,二电能的输送 1

2、.降低输电损耗的两个途径 (1)功率损失:设输电电流为I,输电线的电阻为R,则功率损失为P=I2R.,(2)两个途径 一个途径是减小输电线的电阻.由电阻定律 可知,在输电距离一定的情况下,为减小电阻,应当用电阻率小的金属材料制造输电线.此外,还要尽可能增加导线的横截面积. 另一个途径是减小输电导线中的电流,由P=UI可知,当输送功率一定时,提高输电电压可以减小输电电流.,2.远距离输电过程的示意图:(如图所示),对理想变压器,各物理量的关系为 P1=P2,P2=P损+P3,P3=P4=P用. U2=U3+U线 n1I1=n2I2,I2=I线=I3,n3I3=n4I4.,双 基 精 练自主探究基

3、础备考,1.关于高压输电下列说法正确的是( ) A.从发电站到输电线路需要升压变压器 B.从发电站到输电线路需要降压变压器 C.高压输电是为了增大输电电流 D.高压输电是为了减小输电电流 解析:高压输电总功率一定的情况下,为了减小输电线路上功率损失,需要减小输电线上的电流,提高输送电压,从发电站到输电线路是用升压变压器升高电压,故AD正确. 答案:AD,2.(2008高考天津理综)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

4、小 C.I2增大,P2减小D.I2增大,P2增大 答案:B,解析:理想变压器的特点是输入功率等于输出功率,当负载电阻增大时,由于副线圈的电压不变,所以输出电流I2减小,导致输出功率P2减小,所以输入功率P1减小;输入的电压不变,所以输入的电流I1减小,B正确.,3.超导材料电阻降为零的温度称为临界温度,1987年我国科学家制成了临界温度为90 K的高温超导材料,利用超导材料零电阻的性质,可实现无损耗输电.现有一直流电路,输电线的总电阻为0.4 ,它提供给用电器的电功率为40 kW,电压为800 V.如果用临界温度以下的超导电缆替代原来的输电线,保持供给用电器的功率和电压不变,那么节约的电功率为

5、( ) A.1 kWB.1.6103 kW C.1.6 kWD.10 kW 答案:A,解析:原来电路中损失的电功率为P损= 用超导体后没有损失,因此答案就是A.,4.(2009高考山东卷)某小型水电站的电能输送示意图如图所示.发电机的输出电压为200产V,输电线总电阻为r,升压变压器原副线圈匝数分别为n1n2,降压变压器原副线圈匝数分别为n3n4(变压器均为理想变压器).要使额定电压为220 V的用电器正常工作,则( ),C.升压变压器的输出电压等于降压变压器的输入电压 D.升压变压器的输出功率大于降压变压器的输入功率 答案:AD,解析:根据变压器工作原理可知 由于输电线上损失一部分电压,升压

6、变压器的输出电压大于降压变压器的输入电压,有U2U3,所以 A正确,BC不正确.升压变压器的输出功率等于降压变压器的输入功率与输电线损失功率之和,D正确.,疑 难 精 讲名师解疑能力备考,疑难点一.有的同学认为理想变压器的输出电压输出电流输出功率分别随着输入电压输入电流输入功率的变化而变化,你认为正确吗?,名师在线:理想变压器的几个因果关系. 当理想变压器的匝数比不变时,如图所示各量相互关系如下: (1)输入电压U1决定输出电压U2,这是因为输出电压 ,当U1不变时,不论负载电阻R变化与否,U2不会改变.,(2)输出电流I2决定输入电流I1, 在输入电压一定的情况下,输出电压U2也被完全确定,

7、当负载电阻R增大时,I2减小,则I1相应减小;当负载电阻R减小时,I2增大,则I1相应增大,因此在使用变压器时,不能使变压器副线圈短路. (3)输出功率P2决定输入功率P1,理想变压器的输入功率与输出功率相等,即P1=P2,在输入电压U1一定的情况下,当负载电阻R增大时,I2减小,则变压器的输出功率P2=I2U2减小,输入功率P1也将相应减小;当负载电阻R减小时,I2增大,变压器的输出功率P2=I2U2增大,则输入功率P1也将增大. 利用上述因果关系,可解决变压器动态变化问题.,易 错 点 拨自我完善误区备考,易错点一对变压器的变压原理不理解导致出错,自我诊断1如图所示,理想变压器原副线圈匝数

8、比n1n2=41,当导体棒向右匀速切割磁感线时,电流表A1的读数是12 mA,则副线圈中的电流表A2的读数应该为( ) A.3 Ma B.48 mA C.0 D.与R阻值有关,解析:导体棒匀速向右切割磁感线运动时,变压器输入端为恒定电流,穿过副线圈的磁通量不变化,因此,电流表A2读数为零. 答案:C,易错点二乱套公式导致出错,自我诊断2如图所示,有一理想变压器,原线圈匝数为n1,两个副线圈的匝数分别为n2和n3,原副线圈的电压分别为U1U2U3,电流分别为I1I2I3,两个副线圈负载电阻的阻值未知,下列结论中,正确的是( ) A.U1U2=n1n2,U2U3=n2n3 B.I1/I3=n3/n

9、1,I1/I2=n2/n1 C.n1I1=n2I2+n3I3 D.I1U1=I2U2+I3U3,解析:因为电压比等于匝数比,A正确.由能量守恒,输入功率等于输出功率,P1=P2+P3,即I1U1=I2U2+I3U3,进而可变形得n1I1=n2I2+n3I3,CD正确. 答案:ACD,题 型 研 练互动探究方法备考,题型一理想变压器的动态分析,【例1】 如图所示电路中的变压器为理想变压器,S为单刀双掷开关,P是滑动变阻器R的滑动触头,U1为加在原线圈两端的交变电压,I1I2分别为原线圈和副线圈中的电流.下列说法正确的是( ),A.保持P的位置及U1不变时,S由b切换到a,则R上消耗的功率减小 B

10、.保持P的位置及U1不变,S由a切换到b,则I2减小 C.保持P的位置及U1不变,S由b切换到a,则I1增大 D.保持U1不变,S接在b端,将P向上滑动,则I1减小 答案:BC,解析:在保持P的位置及U1不变时,S由b切换到a,副线圈匝数变多,由 知U2变大, 变大,R上消耗的功率增大,故A错.又由于 I1也变大,故C正确.S由a切换到b,副线圈匝数变少,由 知U2变小, 变小,故B正确.在保持U1不变,S接在b端,P向上滑动,R变小, 变大,I1变大,故D错.应选BC.,方法总结:关于理想变压器的动态分析问题大致有两种情况:负载电阻不变,原副线圈的电压U1U2,电流I1I2,功率P1P2随匝

11、数比变化而变化的情况;匝数比不变,上述各量随负载电阻的变化而变化的情况. 无论哪种情况,处理此类问题的关键都是要分清变量和不变量,弄清理想变压器中各物理量之间的联系和相互制约关系(即“谁决定谁”)U2由U1和匝数比决定;I2由U2和负载电阻决定;I1由I2和匝数比决定.,创新预测1 如图所示,T为理想变压器,副线圈回路中的输电线ab和cd的电阻不可忽略,其余输电线电阻可不计,则当开关S闭合时( ),A.交流电压表V1和V2的示数一定都变小 B.交流电压表只有V2的示数变小 C.交流电流表A1A2和A3的示数一定都变大 D.只有A1的示数变大 解析:闭合S时,输出电路电阻减小,副线圈中电流增大,

12、V1示数不变,A2示数变大,则A1示数也变大,由于V1示数不变,A2示数变大,则V2示数变小,A3示数变小. 答案:B,题型二有多个副线圈的理想变压器,【例2】 如图所示,理想变压器三个线圈的匝数之比为n1n2n3=1051,其中n1接到220 V的交流电源上,n2和n3分别与电阻R2R3组成闭合回路.已知通过电阻R3的电流I3=2 A,电阻R2=110 ,求通过电阻R2的电流和通过原线圈的电流.,答案:1 A 0.7 A,解析:闭合铁芯中磁通量的变化率处处相同,对绕在同一铁芯上的线圈来说,每一匝产生的电动势相同,所以有U1U2U3=n1n2n3. 根据功率关系P1=P2+P3则得 U1I1=

13、U2I2+U3I3, 由此可见I1/I2并不等于n2/n1. 根据电压的关系,得 V, 通过R2的电流I2=U2/R2=1 A. 根据功率关系有I1U1=I2U2+I3U3, 且 V. 则有,方法总结:(1)对于电源,原线圈相当于用电器;对于用电器,副线圈相当于电源. (2)对理想变压器注意能量守恒定律的应用. (3)变压器不能用来改变恒定电流的电压.,创新预测2 如图所示,三只灯泡均正常发光,现将滑动变阻器R的滑片向下移动,则下列说法中正确的是( ) A.灯L3变暗 B.灯L1和L2均变暗 C.变压器原线圈的输入功率变大 D.副线圈n2中的电流变大,解析:由于原线圈上的电压及原副线圈的匝数均

14、不变,可知两个副线圈上的电压不变.当滑动变阻器R的滑片向下移动时,副线圈n3中的电流增大,电阻R1上的电压增大,由闭合电路欧姆定律可得,L3上的电压减小,故灯L3变暗,而副线圈n2的电压及回路中的电阻不发生变化,故灯L1和L2的亮度不变.由于副线圈n3中的电流增大,则原线圈中的电流也随之增大,故原线圈的输入功率变大. 答案:AC,题型三远距离输电问题,【例3】 发电站通过升压变压器输电导线和降压变压器把电能输送到用户,如果升压变压器和降压变压器都可视为理想变压器,发电机的输出功率是100 kW,输出电压是250 V,升压变压器的原副线圈的匝数比为125,输电导线中的电功率损失为发电机输出功率的

15、4%. (1)画出上述输电全过程的线路图. (2)求升压变压器的输出电压和输电导线中的电流. (3)求输电导线的总电阻和降压变压器原线圈两端的电压. (4)计算降压变压器的输出功率.,答案:(1)见图10-2-11 (2)6 250 V,16 A (3)15.6 6 000 V (4)96 kW,解析:(1)输电过程线路图,如图所示.,(3)因为P耗=I22R线,P耗=0.04P1, 所以R线 . 因为U=U2-U3=I2R线, 故U3=U2-I2R线=(6 250-1615.6)V=6 000 V. (4)P4=P1-P耗=0.96P1=0.96100 000 W. =96 000 W=96

16、 kW.,方法总结:(1)远距离输电过程中物理量较多,一定要分清各物理量的对应关系. (2)有些情况下利用逆推法解决电能输送问题比较方便,方法是先从负载算起一直推到升压变压器的输入端.,创新预测3 某电站输送电压为U=6 000 V,输送功率为P=500 kW,这时安装在输电线路的起点和终点的电能表一昼夜里读数相差4 800 kWh.试求: (1)输电线的电阻. (2)若要使输电损失的功率降到输送功率的2%,电站应使用多高的电压向外输电? 答案:(1)28.8 (2)2.68104 V,(2)要使输电损失的功率降到输送功率的2%,则有 P损=500 kW2%=10 kW, 由上面的式子可得:,

17、高 效 作 业自我测评技能备考,一选择题 1.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101 B.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101 D.正常工作时原副线圈的输入输出功率之比为11 答案:BD,解析:穿过原副线圈每一匝磁通量相等,且磁通量变化率也相等,故A错,B正确.每一匝的电动势值相等,都等于 故C错.理想变压器,输出功率等于输入功率,故D正确.,2.如图所示,理想变压器原线圈的匝数为n1,副线圈的匝数为n2,原线圈的两端ab接正弦式交变电流,电压表V的示数为220 V,负载电阻为R=4

18、4 ,电流表A1的示数是0.20 A.下列说法正确的是( ),A.原线圈和副线圈的匝数比为21 B.原线圈和副线圈的匝数比为51 C.电流表A2的示数为1.0 A D.电流表A2的示数为0.4 A 答案:BC 解析:由P入=P出得:2200.2 W=I2244 ,I2=1 A,C正确. U2=I2R2=44 V,所以匝数比 B正确.,3.如图所示,在闭合铁芯上绕着两个线圈M和P,线圈P与电流表构成闭合回路.若在t1至t2这段时间内,观察到通过电流表的电流方向自上向下(即由c经电流表至d),则可以判断出线圈M两端的电势差uab随时间t的变化情况可能是图中的( ),答案:CD,解析:对A图uab不

19、变,A表中无电流,对B图uab均匀增大,由安培定则知,M中有向上增强的磁场,P中有向下增加的磁通量,又由楞次定律和安培定则知,A表中电流方向由d经电流表至c,故AB错,同理分析得CD正确.,4.(2009高考广东卷)图为远距离高压输电的示意图.关于远距离输电,下列表述正确的是( ),A.增加输电导线的横截面积有利于减少输电过程中的电能损失 B.高压输电是通过减小输电电流来减小电路的发热损耗 C.在输送电压一定时,输送的电功率越大,输电过程中的电能损失越小 D.高压输电必须综合考虑各种因素,不一定是电压越高越好 答案:ABD,解析:依据输电原理,电路中的功率损耗P=I2R线,而R线 增大输电线的

20、横截面积,输电线的电阻减小,则能够减小输电线上的功率损耗,A正确;由P=UI来看,在输送功率一定的情况下,输送电压U越大,输电电流越小,则功率损耗越小,B正确;若输电电压一定,输送功率越大,则电流I越大,电路中损耗的电功率越大,C错误;在输电过程中,输电电压越高,对于安全和技术的要求越高,因此并不是输电电压越高越好,D正确.,5.如图所示变压器中,当通以交流电时,一个线圈产生的磁通量都只有一半通过另一个线圈,另一半通过变压器的铁芯3,已知线圈12的匝数比为n1n2=21,在不接负载的情况下( ) A.当线圈1输入220 V时, 线圈2输出110 V B.当线圈1输入220 V时, 线圈2输出5

21、5 V C.当线圈2输入110 V时,线圈1输出220 V D.当线圈2输入110 V时,线圈1输出110 V,答案:BD 解析:当线圈1接入220 V交流电时,产生的磁通量分别通过铁芯部分3和2,且各占一半,2=3=1/2,对线圈1和2有 同理,当线圈2接入110 V交流电时有 (U2/2)/U1=n2/n1,U1=U2=110 V,BD对.,6.如图所示,当导线MN沿无电阻的导轨做切割磁感线的运动时,电容器C被充电,上极板电势高,MN的电阻为R,其他电阻不计,由此可推知导体MN的运动情况是( ) A.向右匀速 B.向右加速 C.向右减速D.向左加速,答案:CD 解析:当MN向右匀速运动时,

22、产生恒定电流,穿过左边线圈的磁通量不变,不会产生感应电动势,电容器C不会被充电.若MN向右减速,产生变弱的电流,由右手定则知,电流方向为MN,由安培定则知,在右边线圈中有向下方向的磁场,在左边线圈中有向上的磁通量且减弱,由楞次定律知,在左边线圈中产生感应电动势,使C上极板带正电,所以C项正确,同理B项错,D项对.,7.(2009高考江苏卷)如图所示,理想变压器的原副线圈匝数比为15,原线圈两端的交变电压为 .氖泡在两端电压达到100 V时开始发光,下列说法中正确的有( ),A.开关接通后,氖泡的发光频率为100 Hz B.开关接通后,电压表的示数为100 V C.开关断开后,电压表的示数变大

23、D.开关断开后,变压器的输出功率不变 答案:AB,解析:本题主要考查变压器的知识,要能对变压器的最大值有效值瞬时值以及变压器变压原理功率等问题彻底理解.由交变电压的瞬时值表达式知,原线圈两端电压的有效值为 ,由 得副线圈两端的电压为U2=100 V,电压表的示数为交流电的有效值,B项正确;交变电压的频率为 Hz=50 Hz,一个周期内电压两次大于100 V,即一个周期内氖泡能两次发光,所以其发光频率为100 Hz,A项正确;开关断开前后,输入电压不变,变压器的变压比不变,故输出电压不变,C项错误;开关断开后,电路消耗的功率减小,输出功率减小,D项错误.,8.(2009高考海南卷)一台发电机最大

24、输出功率为4 000 kW,电压为4 000 V,经变压器T1升压后向远方输电.输电线路总电阻R=1 k.到目的地经变压器T2降压,负载为多个正常发光的灯泡(220 V60 W).若在输电线路上消耗的功率为发电机输出功率的10%,变压器T1和T2的损耗可忽略,发电机处于满负荷工作状态,则( ) A.T1原副线圈电流分别为103 A和20 A B.T2原副线圈电压分别为1.8105 V和220 V C.T1和T2的变压比分别为150和401 D.有6104盏灯泡(220 V60 W)正常发光,ABD,9.理想变压器原副线圈的匝数分别为n1=10匝和n2=100匝,副线圈接有1 000 的电阻,原

25、线圈与电阻不计的导线构成闭合回路,其中圆形区域的面积为 m2.在该圆形区域内有如图所示的按正弦规律变化的磁场垂直穿过,则内阻不计的电流表的示数为(提示:B=B0sint,则 B0cost)( ),A.14.1 A B.0.14 A C.1.41 A D.2.00 A,答案:C,10.如图所示(a)(b)两电路中,当ab两端与ef两端分别加上220 V的交流电压时,测得cd间与gh间的电压均为110 V,若分别在cd两端与gh两端加上110 V的交流电压,则ab间与ef间的电压分别为( ) A.220 V,220 VB.220 V,110 V C.110 V,110 VD.220 V,0,答案:

26、B 解析:首先要搞清楚变压器和滑动变阻器在改变电压原理上的本质不同:对于变压器,ab与cd间的电压比总是等于它们间线圈的匝数比,与哪一个是原线圈无关,故ab间接220 V交流电压时,cd间电压为110 V;cd间改接110 V交流电压时,则ab间应输出电压220 V;而对滑动变阻器,当ef间接220 V电压时,电阻的eg与fg部分串联,gh间电压仅是fg部分电压,gh间改接110 V,则eg间电阻无电流,eg两点等势,故ef间电压等于gh间电压,只有B正确.,二非选择题 11.如图所示,理想变压器原线圈和两个副线圈的匝数分别为n1=1 760匝n2=288匝n3=8 000匝,电源电压为U1=220 V.n2上连接的灯泡的实际功率为36 W,测得原线圈的电流 为I1=0.3 A,求通过n3的负载R的电流I3.,答案:0.03 A 解析:由Un可求得 解得U2=36