高中物理選修32第五章第41講　理想變壓器　電能的輸送

1、第41講理想變壓器電能的輸送考情 剖析(注：考綱要求及變化中代表了解和認(rèn)識(shí)，代表理解和應(yīng)用；命題難度中的a代表容易，b代表中等，c代表難)考查內(nèi)容考綱要求及變化考查年份考查形式考查詳情考試層級(jí)命題難度理想變壓器(限于單個(gè)副線圈的理想變壓器)09年多選以理想變壓器為背景，考查變壓器原副線圈中的頻率、電壓和功率各物理量的動(dòng)態(tài)分析；10年多選考查變壓器原副線圈電壓的關(guān)系11年計(jì)算以理想變壓器為背景，根據(jù)ut圖象，考查原副線圈電流、瞬時(shí)電壓、功率和線圈匝數(shù)的關(guān)系次重點(diǎn)b電能的輸送10年多選考查遠(yuǎn)距離輸電過程中，輸出電壓和輸電功率損耗問題非重點(diǎn)b 小結(jié)及預(yù)測(cè)1.小結(jié)：理想變壓器以選擇題和計(jì)算題的形式進(jìn)行

2、考查、側(cè)重考查理想變壓器的原副線圈的電壓、電流、電功率和頻率的動(dòng)態(tài)分析；電能的輸送以選擇題形式進(jìn)行考查，側(cè)重考查遠(yuǎn)距離輸電過程中電功率的損耗問題2預(yù)測(cè)：理想變壓器在09、10、11年都有所考查，預(yù)測(cè)14年考查的可能性很大，而電能的輸送僅在10年有所考查，預(yù)測(cè)14年考查的可能性不大3復(fù)習(xí)建議：復(fù)習(xí)時(shí)注重理想變壓器中各物理量間的關(guān)系的動(dòng)態(tài)分析及電能的輸送過程中的能量損耗問題. 知識(shí) 整合一、理想變壓器1構(gòu)造(如圖所示)理想變壓器_、_和閉合鐵芯組成2原理：電流磁效應(yīng)、電磁感應(yīng)(_現(xiàn)象)3基本關(guān)系(1)電壓關(guān)系：_.(2)功率關(guān)系：p_.(3)電流關(guān)系：只有一個(gè)副線圈時(shí)：_.4幾種常用的變壓器(1)

3、自耦變壓器也叫_變壓器(2)互感器電壓互感器，用來把高電壓變成_電流互感器，用來把大電流變成_二、遠(yuǎn)距離輸電1輸電過程(如圖所示)2電壓損失：(1)uuu：(2)u_.3功率損失：(1)ppp.(2)p_.4輸送電流：(1)i.(2)i.1理想變壓器(1)四點(diǎn)說明變壓器不能改變直流電壓變壓器只能改變交變電流的電壓和電流，不能改變交變電流的頻率理想變壓器本身不消耗能量理想變壓器基本關(guān)系中的u1、u2、i1、i2均為有效值(2)三個(gè)制約關(guān)系輸入電壓u1決定輸出電壓u2.輸出電流i2決定輸入電流i1輸出功率p2決定輸入功率p1.2遠(yuǎn)距離輸電(1)降低輸電損耗的兩個(gè)途徑減小輸電線的電阻，由電阻定律r可

4、知，在輸電距離一定的情況下，為減小電阻，應(yīng)采用電阻率小的材料，也可以增加導(dǎo)線的橫截面積減小輸電導(dǎo)線中的輸電電流，由pui可知，當(dāng)輸送功率一定時(shí)，提高輸電電壓，可以減小輸電電流(2)遠(yuǎn)距離輸電的四個(gè)關(guān)鍵畫出一個(gè)模型遠(yuǎn)距離輸電模型圖抓住輸電的兩端電源和用電器分析兩條導(dǎo)線輸電導(dǎo)線研究?jī)纱坞妷鹤儞Q升壓和降壓1理想變壓器基本規(guī)律的應(yīng)用(1)理想變壓器各線圈兩端電壓與匝數(shù)成正比的關(guān)系，不僅適用于原、副線圈只有一個(gè)的情況，而且適用于多個(gè)副線圈的情況這是因?yàn)槔硐胱儔浩鞯拇磐渴侨考性阼F芯內(nèi)的，因而每組線圈中產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)都與匝數(shù)成正比，在線圈內(nèi)阻不計(jì)的情況下，線圈兩端電壓即等于電動(dòng)勢(shì)，故每組線圈兩端電壓都與

5、匝數(shù)成正比(2)對(duì)原、副線圈匝數(shù)比()確定的變壓器，其輸出電壓u2是由輸入電壓 u1決定的，在原、副線圈匝數(shù)比( )和輸入電壓 u1確定的情況下，原線圈中的輸入電流 i1卻是由副線圈中的輸出電流 i2決定的(當(dāng)然i2是由所接負(fù)載的多少而定的)(3)一般思路分析題干條件找出不變量和變量利用原、副線圈之間的功率關(guān)系確定原、副線圈中的電流根據(jù)電磁感應(yīng)原理，分析電壓、電流與原、副線圈匝數(shù)比之間的關(guān)系2. 遠(yuǎn)距離輸電的分析技巧遠(yuǎn)距離輸電時(shí)，由于輸電線路上存在電阻，根據(jù)電流熱效應(yīng)qi2rt可知，總有一部分電能損失在輸電線路上，減小線路上的電能損失有兩種方法：一是減小導(dǎo)線上的電阻；二是減小輸電線路上通過的電

6、流根據(jù)pui可知，要減小輸電線路的電流，且保持傳輸?shù)墓β什蛔儯刹捎酶邏狠旊?，這是減小線路電能損失的有效方法(如圖)(1)輸電過程和電壓關(guān)系：u電升壓變壓器副線圈電壓u損輸電線損失電壓u用降壓變壓器原線圈電壓(2)輸電過程功率的關(guān)系【典型例題1】(11年江蘇高考)圖(a)為一理想變壓器，ab 為原線圈，ce為副線圈，d為副線圈引出的一個(gè)接頭，原線圈輸入正弦式交變電壓的ut 圖象如圖(b)所示若只有 ce間接一只rce400的電阻，或只在de 間接一只rde225的電阻，兩種情況下電阻消耗的功率均為80w.(1)請(qǐng)寫出原線圈輸入電壓瞬時(shí)值uab的表達(dá)式；(2)求只在ce 間接400電阻時(shí)，原線圈

7、中的電流i1；(3)求ce 和de 間線圈的匝數(shù)比溫馨提示(1)由ut圖象易得uab表達(dá)式；(2)理想變壓器有p1p2；(3)應(yīng)用理想變壓器原、副線圈的電壓規(guī)律易得答案記錄空間【變式訓(xùn)練1】有一臺(tái)內(nèi)阻為1的發(fā)電機(jī)，供給一個(gè)學(xué)校照明用電，如圖所示，升壓變壓器匝數(shù)之比為14，降壓變壓器的匝數(shù)之比為41，輸電線的總電阻r4，全校共22個(gè)班，每班有“220v,40w”的燈6盞，若保證全部電燈正常發(fā)光，則(1)發(fā)電機(jī)輸出功率多大；(2)發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)多大；(3)輸電效率是多大理想變壓器的動(dòng)態(tài)分析問題的分析方法此類問題，大致有兩種情況：一是負(fù)載電阻不變，原、副線圈的電壓u1、u2，電流i1、i2，輸入和輸出

8、功率p1、p2，隨匝數(shù)比變化而變化的情況；另一類是匝數(shù)比不變，上述各量隨負(fù)載電阻變化而變化的情況不論哪種情況，都要注意：根據(jù)題意分清變量和不變量；要弄清”誰決定于誰”的制約關(guān)系，即理想變壓器各物理量變化的決定因素當(dāng)理想變壓器的原、副線圈的匝數(shù)不變時(shí)，如果變壓器的負(fù)載發(fā)生變化，怎樣確定其他有關(guān)物理量的變化，可依據(jù)以下原則判定，參見圖1輸入電壓u1決定輸出電壓u2，這是因?yàn)檩敵鲭妷簎2 u1，當(dāng)u1不變時(shí)，不論負(fù)載電阻r變化與否，u2不會(huì)改變2輸出電流i2決定輸入電流i1，在輸入電壓u1一定的情況下輸出電壓u2也被完全確定當(dāng)負(fù)載電阻r增大時(shí)，i2減小，則i1相應(yīng)減小；當(dāng)負(fù)載電阻r減小時(shí)，i2增大，

9、則i1相應(yīng)增大使用變壓器時(shí)，不能使變壓器副線圈短路3輸出功率p2決定輸入功率p1，理想變壓器的輸入功率與輸出功率相等，即p1p2.在輸入電壓u1一定的情況下，當(dāng)負(fù)載電阻r增大時(shí)，i2減小，則變壓器的輸出功率p2u2i2減小，輸入功率p1也將相應(yīng)減小；當(dāng)負(fù)載電阻r減小時(shí)，i2增大，變壓器的輸出功率p2u2i2增大，則輸入功率p1也將增大【典型例題2】 如圖所示是街頭變壓器給用戶供電的示意圖，變壓器的輸入電壓是市電網(wǎng)的電壓，不會(huì)有很大的波動(dòng)，輸出電壓通過輸電線輸送給用戶，輸電線的電阻用r0表示，變阻器r表示用戶用電器的總電阻，當(dāng)滑動(dòng)變阻器觸頭p向下移動(dòng)時(shí)，下列說法中正確的是() a與增加用電器的數(shù)

10、目達(dá)到的效果相同 ba1表的示數(shù)隨a2表的示數(shù)的增大而增大 cv1表的示數(shù)隨v2表的示數(shù)的增大而增大 d變壓器的輸入功率增大溫馨提示解答本題應(yīng)注意以下三點(diǎn)：(1)所有用戶的用電器應(yīng)為并聯(lián)關(guān)系(2)滑動(dòng)變阻器使負(fù)載電阻變化，會(huì)改變輸出功率(3)要弄清原、副線圈的電壓、電流的制約關(guān)系記錄空間【變式訓(xùn)練2】 如圖所示，設(shè)變壓器為理想變壓器，并保持輸入電壓u1不變，l為串聯(lián)在原線圈上的燈泡，l1、 l2、 l3、 l4為副線圈的負(fù)載，當(dāng)滑動(dòng)變阻器r的滑片向下移動(dòng)時(shí)() al1燈亮度不變 bl2燈亮度減弱 cl3燈亮度減弱 dl4燈亮度減弱 隨堂 演練1如圖所示，理想變壓器原、副線圈的匝數(shù)比為21，電阻

11、r55.0，原線圈兩端接一正弦式交變電流，電壓u隨時(shí)間t變化的規(guī)律為u110sin20t(v)，時(shí)間t的單位是s，那么，通過電阻r的電流有效值和頻率分別為()第1題圖 a1.0a、20hz b.a、20hz c.a、10hz d. 1.0a、10hz 2如圖所示，某理想變壓器的原、副線圈匝數(shù)均可調(diào)節(jié)，原線圈兩端電壓為一峰值不變的正弦交變電壓，副線圈接一可變電阻在其他條件不變的情況下，為使變壓器輸入功率增大，下面的措施正確的是()第2題圖 a僅增加原線圈匝數(shù)n1 b僅增加副線圈匝數(shù)n2 c僅減小電阻r的阻值 d僅增大電阻r的阻值3如圖所示，理想變壓器與電阻 r，交流電壓表v、交流電流表a按圖甲

12、所示方式連接，已知變壓器的原副線圈的匝數(shù)比為101，電阻r10，圖乙是r兩端電壓u隨時(shí)間變化的圖象，um10v.則下列說法中正確的是()第3題圖 a通過r的電流ir隨時(shí)間t變化的規(guī)律是ircos100t (a) b電流表a的讀數(shù)為a c電壓表v的讀數(shù)為10v d變壓器的輸入功率為10w4如圖甲所示，理想變壓器原副線圈的匝數(shù)比為101，b是原線圈的中心接頭，圖中電表均為理想的交流電表，定值電阻r10，其余電阻均不計(jì)從某時(shí)刻開始在原線圈c、d兩端加上如圖乙所示的交變電壓則下列說法中正確的有()第4題圖 a當(dāng)單刀雙擲開關(guān)與a連接時(shí)，電壓表的示數(shù)為31.1v b當(dāng)單刀雙擲開關(guān)與b連接且在0.01s時(shí)，

13、電流表示數(shù)為2.2a c當(dāng)單刀雙擲開關(guān)由a撥向b時(shí)，副線圈輸出電壓的頻率變?yōu)?5hz d當(dāng)單刀雙擲開關(guān)由a撥向b時(shí)，原線圈的輸入功率變大5如圖所示，理想變壓器原、副線圈的匝數(shù)比是101，原線圈輸入交變電壓u100sin50t(v)，在副線圈中串聯(lián)有理想電流表和定值電阻r，電容器并聯(lián)在電阻r兩端，電阻阻值r10，關(guān)于電路分析，下列說法中正確的是()第5題圖 a電流表示數(shù)是1a b電流表示數(shù)是a c電阻r消耗的電功率為10w d電容器的耐壓值至少是10v6如圖所示，m是一個(gè)小型理想變壓器，原、副線圈匝數(shù)之比n1n2101，接線柱a、b接一正弦交變電源，電壓u311sin100t(v)變壓器右側(cè)部分

14、為一火警系統(tǒng)原理圖，其中r2為用半導(dǎo)體熱敏材料制成的傳感器(電阻隨溫度升高而減小)，r1為一定值電阻下列說法正確的是()第6題圖 a當(dāng)r2所在處出現(xiàn)火警時(shí)，電阻r1的功率變小 b當(dāng)r2所在處出現(xiàn)火警時(shí)，電壓表v2的示數(shù)變大 c當(dāng)r2所在處出現(xiàn)火警時(shí)，電流表a的示數(shù)變小 d電壓表v1示數(shù)為22v7隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)能源的需求也日益擴(kuò)大，節(jié)能變得越來越重要某發(fā)電廠采用升壓變壓器向某一特定用戶供電，用戶通過降壓變壓器用電，若發(fā)電廠輸出電壓為u1，輸電導(dǎo)線總電阻為r，在某一時(shí)段用戶需求的電功率為po，用戶的用電器正常工作的電壓為u2.在滿足用戶正常用電的情況下，下列說法正確的是() a輸電線上

15、損耗的功率為 b輸電線上損耗的功率為 c若要減少輸電線上損耗的功率可以采用更高的電壓輸電 d采用更高的電壓輸電會(huì)降低輸電的效率8如圖甲所示，理想變壓器原、副線圈的匝數(shù)n1n231，原線圈電路中接有一量程為3a的理想交流電流表，副線圈兩端接有理想交流電壓表一只和可變電阻r以及若干“6v、6w”的相同燈泡輸入端交變電壓u的圖象如圖乙所示(1)求圖甲中電壓表的讀數(shù)；(2)要求燈泡均正常發(fā)光，求電路中最多允許接入的燈泡個(gè)數(shù)；(3)為滿足第(2)問中要求，求可變電阻r應(yīng)調(diào)到的電阻值第8題圖第41講理想變壓器電能的輸送知識(shí)整合基礎(chǔ)自測(cè)一、1.原線圈副線圈2.互感3.(1)(2)p出(3)4.(1)調(diào)壓(2

16、)低電壓小電流二、2.(2)ir3.(2)i2rr重點(diǎn)闡述【典型例題1】(11年江蘇高考)圖(a)為一理想變壓器，ab 為原線圈，ce為副線圈，d為副線圈引出的一個(gè)接頭，原線圈輸入正弦式交變電壓的ut 圖象如圖(b)所示若只有 ce間接一只rce400的電阻，或只在de 間接一只rde225的電阻，兩種情況下電阻消耗的功率均為80w.(1)請(qǐng)寫出原線圈輸入電壓瞬時(shí)值uab的表達(dá)式；(2)求只在ce 間接400電阻時(shí)，原線圈中的電流i1；(3)求ce 和de 間線圈的匝數(shù)比【答案】(1)uab400sin200t(v)(2)0.39a(3)【解析】 (1)由原線圈中交變電流的ut圖象可知200

17、rad/s，電壓瞬時(shí)值uab400sin200t(v)(2)電壓有效值u1200(v)理想變壓器p1p2原線圈中的電流i10.28 a(3)設(shè)ab間匝數(shù)為n1，根據(jù)變壓器規(guī)律有，由題意有：，聯(lián)立可得：變式訓(xùn)練1(1)5424w(2)250v(3)97%【解析】 發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)e，一部分降在電源內(nèi)阻上，即i1r，另一部分為發(fā)電機(jī)的路端電壓u1，升壓變壓器副線圈電壓u2的一部分降在輸電線上，即i2r，其余的就是降壓變壓器原線圈電壓u2，而u3應(yīng)為燈的額定電壓u額，具體計(jì)算由用戶向前遞推即可(1)對(duì)降壓變壓器：u2i2u3i3np燈22640w5280w而u2u3880v，所以i2 a6a.對(duì)升壓變

18、壓器u1i1u2i2iru2i2624w5280w5424w，所以p出5424w.(2)因?yàn)閡2u2i2r880v64v904v所以u(píng)1u2904v226v又因?yàn)閡1i1u2i2，所以i14i224a所以eu1i1r(226241)v250v.(3)100%100%97%.【典型例題2】 如圖所示是街頭變壓器給用戶供電的示意圖，變壓器的輸入電壓是市電網(wǎng)的電壓，不會(huì)有很大的波動(dòng)，輸出電壓通過輸電線輸送給用戶，輸電線的電阻用r0表示，變阻器r表示用戶用電器的總電阻，當(dāng)滑動(dòng)變阻器觸頭p向下移動(dòng)時(shí)，下列說法中正確的是() a與增加用電器的數(shù)目達(dá)到的效果相同 ba1表的示數(shù)隨a2表的示數(shù)的增大而增大 c

19、v1表的示數(shù)隨v2表的示數(shù)的增大而增大 d變壓器的輸入功率增大【答案】abd【解析】當(dāng)滑動(dòng)變阻器觸頭p向下移動(dòng)時(shí)，用電器的總電阻減小，相當(dāng)于并聯(lián)的用電器數(shù)目增加，同時(shí)變壓器的輸入功率增大，a、d對(duì)；電網(wǎng)供電是“用多少供多少”，輸出電流增大則輸入電流增大，b正確；但變壓器的輸出電壓由輸入電壓決定，當(dāng)輸入電壓和變壓器匝數(shù)比一定時(shí)，輸出電壓一定，c錯(cuò)變式訓(xùn)練2d【解析】 u1i1r1u1而u1u2i2r總i1r總所以u(píng)1i1觸頭下移時(shí)副線圈所接負(fù)載總電阻r總減小，所以i1增大，得i2i1也增大，故l、l1變亮，而u1i1rlu1所以u(píng)1減小，得u2u1也減小，因而l4兩端電壓u4(u2i2rl1)也

20、減小，所以l4變暗，又因?yàn)閕l2il3i2il4所以i2和l3燈都變亮，只有d正確隨堂演練1.d【解析】 原線圈電壓有效值為110 v，副線圈電壓有效值為55 v，通過電阻r的電流有效值1.0 a，頻率為10 hz，選項(xiàng)d正確2.bc【解析】 為使變壓器輸入功率增大，可以僅減小電阻r的阻值，僅增加副線圈匝數(shù)選項(xiàng)bc正確3.d【解析】 根據(jù)r兩端電壓u隨時(shí)間變化的圖象，電壓表v的讀數(shù)為10v，選項(xiàng)c錯(cuò)誤；由歐姆定律，通過r的電流i隨時(shí)間t變化的規(guī)律是ircos100t(a)，選項(xiàng)a錯(cuò)誤；由變壓器變壓公式，輸入電壓為100 v，輸入電流為0.1 a，變壓器的輸入功率為10 w，電流表a的讀數(shù)為0.1 a，選項(xiàng)b錯(cuò)誤d正確4.bcd【解析】 當(dāng)單刀雙擲開關(guān)與a連接時(shí)，電壓表的示數(shù)為22 v，選項(xiàng)a錯(cuò)誤；當(dāng)單刀雙擲開關(guān)與b連接且在0.01 s時(shí)，電流表示數(shù)為2.2 a，選項(xiàng)b正確；當(dāng)單刀雙擲開關(guān)由a撥向b時(shí)，副線圈輸出電壓的頻率仍為50 hz，選項(xiàng)c錯(cuò)誤；當(dāng)單刀雙擲開關(guān)由a撥向b時(shí)，副線圈輔出電壓為44 v，副線圈輸出功