高中物理第五章交變電流5.4變壓器講義新人教版選修

4變壓器第五章

交變電流[學(xué)習(xí)目標(biāo)]

1.了解變壓器的構(gòu)造及幾種常見的變壓器，理解變壓器的工作原理.2.掌握理想變壓器的電壓與匝數(shù)的關(guān)系并能用它解決相關(guān)問題.3.掌握理想變壓器的功率關(guān)系，并能推導(dǎo)出原、副線圈的電流關(guān)系.內(nèi)容索引自主預(yù)習(xí)預(yù)習(xí)新知夯實(shí)基礎(chǔ)重點(diǎn)探究啟迪思維探究重點(diǎn)達(dá)標(biāo)檢測(cè)檢測(cè)評(píng)價(jià)達(dá)標(biāo)過關(guān)自主預(yù)習(xí)一、變壓器的原理1.構(gòu)造：由閉合鐵芯和繞在鐵芯上的兩個(gè)線圈組成，與交流電源連接的線圈叫

，與負(fù)載連接的線圈叫

.2.原理：

現(xiàn)象是變壓器工作的基礎(chǔ).原線圈中電流的大小、方向不斷變化，在鐵芯中激發(fā)的

也不斷變化，變化的磁場(chǎng)在副線圈中產(chǎn)生

.原線圈副線圈互感磁場(chǎng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)二、電壓與匝數(shù)的關(guān)系1.理想變壓器：沒有

的變壓器叫做理想變壓器，它是一個(gè)理想化模型.2.電壓與匝數(shù)的關(guān)系原、副線圈的

等于兩個(gè)線圈的

，即

＝3.理想變壓器原、副線圈功率關(guān)系P1

P2(填“>”、“＝”或“<”).4.兩類變壓器副線圈的電壓比原線圈電壓低的變壓器叫

變壓器；副線圈的電壓比原線圈電壓高的變壓器叫

變壓器.電壓之比能量損失匝數(shù)之比＝降壓升壓

.[即學(xué)即用]1.判斷下列說法的正誤.(1)理想變壓器原、副線圈的電壓之比等于兩個(gè)線圈的匝數(shù)之比.(

)(2)輸入交變電流的頻率越高，輸出交變電流的電壓就越高.(

)(3)我們?cè)谑褂觅|(zhì)量好的變壓器工作時(shí)沒有能量損失.(

)(4)理想變壓器不能改變交變電流的頻率.(

)答案√××√2.一臺(tái)理想降壓變壓器從10kV的線路中降壓并提供200A的負(fù)載電流.已知兩個(gè)線圈的匝數(shù)比為40∶1，則副線圈中的輸出電壓為______，輸出功率為_______，變壓器原線圈中的電流為______.250V50kW5A答案解析重點(diǎn)探究答案當(dāng)左邊線圈加上交流電壓時(shí)，左邊線圈中就有交變電流，它在鐵芯中產(chǎn)生周期性變化的磁場(chǎng)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律知，在右線圈中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，右線圈作為電源給小燈泡供電，小燈泡就會(huì)發(fā)光.[導(dǎo)學(xué)探究]如圖1所示，把兩個(gè)沒有導(dǎo)線相連的線圈套在同一個(gè)閉合鐵芯上，一個(gè)線圈(原線圈)通過開關(guān)可以連接到交流電源的兩端，另一個(gè)線圈(副線圈)連到小燈泡上.連接電路，接通電源，小燈泡能發(fā)光.(1)兩個(gè)線圈并沒有連接，小燈泡為什么會(huì)發(fā)光？一、變壓器的原理及電壓與匝數(shù)的關(guān)系圖1答案(2)小燈泡兩端的電壓與學(xué)生電源的輸出電壓相等嗎？如果不相等，與什么因素有關(guān)？答案若忽略左邊線圈的電阻則有U1＝U電源，這樣看來只要n1≠n2，小燈泡兩端的電壓與學(xué)生電源的輸出電壓就不相等.小燈泡兩端的電壓，即副線圈兩端的電壓與原、副線圈匝數(shù)比有關(guān).(3)若將原線圈接在恒定的直流電源上小燈泡發(fā)光嗎？為什么？答案答案不發(fā)光，因?yàn)闊o法在副線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).[知識(shí)深化]1.變壓器能改變交變電壓、交變電流，但不能改變恒定電壓、恒定電流.2.變壓器不能改變交流電的頻率與功率.3.變壓器原、副線圈中電壓關(guān)系例1關(guān)于理想變壓器的工作原理，以下說法正確的是A.通有正弦交變電流的原線圈產(chǎn)生的磁通量不變B.穿過原、副線圈的磁通量在任何時(shí)候都不相等C.穿過副線圈磁通量的變化使得副線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)D.原線圈中的電流通過鐵芯流到了副線圈√解析通有正弦交變電流的原線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)是變化的，由于面積S不變，故磁通量Φ變化，A錯(cuò)誤；因理想變壓器無漏磁，故B錯(cuò)誤；由互感現(xiàn)象知C正確；原線圈中的電能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能又轉(zhuǎn)化為電能，原、副線圈通過磁場(chǎng)聯(lián)系在一起，故D錯(cuò)誤.答案解析[導(dǎo)學(xué)探究]閱讀教材回答下列三個(gè)問題：(1)什么是理想變壓器？理想變壓器原、副線圈中的功率有什么關(guān)系？二、理想變壓器原、副線圈的功率關(guān)系和電流關(guān)系答案答案理想變壓器的理想化條件一般指的是：忽略原、副線圈內(nèi)阻上的分壓，忽略原、副線圈磁通量的差別，忽略變壓器自身的能量損耗.所以理想變壓器的輸入功率等于輸出功率，即P入＝P出.(2)根據(jù)能量守恒推導(dǎo)只有一個(gè)副線圈時(shí)原、副線圈中的電流與匝數(shù)的關(guān)系.答案答案由能量守恒有P入＝P出，即U1I1＝U2I2.(3)根據(jù)能量守恒推導(dǎo)有多個(gè)副線圈時(shí)原、副線圈中的電流與匝數(shù)的關(guān)系.答案答案若有多個(gè)副線圈，則P1＝P2＋P3＋…，即U1I1＝U2I2＋U3I3＋…將U1∶U2∶U3∶…＝n1∶n2∶n3∶…代入得n1I1＝n2I2＋n3I3＋…[知識(shí)深化]1.電流關(guān)系(1)只有一個(gè)副線圈時(shí)，有U1I1＝U2I2，得：n1I1＝n2I2，即(2)當(dāng)有多個(gè)副線圈時(shí)，由I1U1＝I2U2＋I(xiàn)3U3＋……得：n1I1＝n2I2＋n3I3＋…….2.功率關(guān)系從能量守恒看，理想變壓器的輸入功率等于輸出功率P入＝P出.例2如圖2所示，理想變壓器原、副線圈匝數(shù)比n1∶n2＝2∶1，

和

均為理想電表，燈泡電阻RL＝6Ω，AB兩端電壓u1＝12sin100πt(V).下列說法正確的是A.電流頻率為100Hz B.

的讀數(shù)為24V

的讀數(shù)為0.5A D.變壓器輸入功率為6W答案解析√圖21.電壓表、電流表示數(shù)均為有效值.2.理想變壓器P入＝P出.3.變壓器不改變頻率，即原、副線圈交變電流頻率相等.總結(jié)提升1.電壓、電流、功率的制約關(guān)系(1)電壓制約：當(dāng)變壓器原、副線圈的匝數(shù)比

一定時(shí)，輸入電壓U1決定輸出電壓U2，即U2＝(2)功率制約：P出決定P入，P出增大，P入增大；P出減小，P入減??；P出為0，P入為0.(3)電流制約：當(dāng)變壓器原、副線圈的匝數(shù)比

一定，且輸入電壓U1確定時(shí)，副線圈中的輸出電流I2決定原線圈中的電流I1，即I1＝三、理想變壓器的動(dòng)態(tài)分析2.對(duì)理想變壓器進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析的兩種常見情況：(1)原、副線圈匝數(shù)比不變，分析各物理量隨負(fù)載電阻變化而變化的情況，進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析的順序是R→I2→P出→P入→I1.(2)負(fù)載電阻不變，分析各物理量隨匝數(shù)比的變化而變化的情況，進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析的順序是n1、n2→U2→I2→P出→P入→I1.例3

(多選)如圖3所示，T為理想變壓器，電流表

、電壓表

均為理想交流電表.R1、R2為定值電阻，R3為滑動(dòng)變阻器，L為電感線圈，A、B兩點(diǎn)間接正弦交流電，則A.只將滑片P1下移時(shí)，電流表

示數(shù)變小B.只將滑片P2下移時(shí)，電壓表

示數(shù)變大C.只增大交流電的電壓時(shí)，電流表

示數(shù)變大D.只增大交流電的頻率時(shí)，電壓表

示數(shù)不變圖3答案解析√√解析只將滑片P1下移時(shí)，變壓器副線圈輸出電壓U2減小，由U1I1＝

可知，U1、R不變，I1減小，A正確；只將滑片P2下移時(shí)，副線圈電路中的總電阻減小，U2不變，因此副線圈電路中的電流增大，R1兩端的電壓增大，R3兩端的電壓減小，電壓表的示數(shù)減小，B錯(cuò)誤；只增大交流電的電壓時(shí)，根據(jù)變壓比公式可知，副線圈兩端的電壓增大，因此副線圈的電流增大，根據(jù)變流比公式可知，原線圈的電流增大，故電流表示數(shù)增大，C正確；只增大交流電的頻率時(shí)，電感線圈的感抗增大，副線圈電路中的總電阻增大，總電流減小，R1兩端的電壓減小，R3兩端的電壓增大，電壓表示數(shù)增大，D錯(cuò)誤.針對(duì)訓(xùn)練如圖4所示，理想變壓器原、副線圈回路中的輸電線的電阻忽略不計(jì).當(dāng)S閉合時(shí)A.電流表A1的讀數(shù)變大，電流表A2的讀數(shù)變小B.電流表A1的讀數(shù)變大，電流表A2的讀數(shù)變大C.電流表A1的讀數(shù)變小，電流表A2的讀數(shù)變小D.電流表A1的讀數(shù)變小，電流表A2的讀數(shù)變大圖4答案解析√解析當(dāng)S閉合后，變壓器副線圈電路中的總電阻R減小，而輸出電壓不變.由I2＝

得I2增大，即電流表A2的讀數(shù)增大，變壓器的輸出功率變大.由U1I1＝U2I2可知，I1變大，即電流表A1的讀數(shù)也變大，選項(xiàng)B正確.1.自耦變壓器鐵芯上只繞有一個(gè)線圈，如果把整個(gè)線圈作為原線圈，副線圈只取線圈的一部分，就可以降低電壓，反之則可以升高電壓，如圖5所示.四、自耦變壓器和互感器圖52.互感器交流電壓表和交流電流表都有一定的量度范圍，不能直接測(cè)量高電壓和大電流.互感器是利用變壓器的原理來測(cè)量高電壓或大電流的儀器.(1)電壓互感器：實(shí)質(zhì)是降壓變壓器，可以把高電壓變成低電壓.(如圖6所示)圖6(2)電流互感器：實(shí)質(zhì)是升壓變壓器，可以把大電流變成小電流.(如圖7所示)圖7解析題圖甲中的原線圈并聯(lián)在電路中，為電壓互感器，是降壓變壓器，n1>n2，其中的電表為電壓表；題圖乙中的原線圈串聯(lián)在電路中，為電流互感器，是升壓變壓器，n3<n4，其中的電表為電流表，故選項(xiàng)C、D正確.例4

(多選)圖8甲、乙是配電房中的互感器和電表的接線圖，下列說法中正確的是A.線圈匝數(shù)n1<n2，n3<n4B.線圈匝數(shù)n1>n2，n3>n4C.甲圖中的電表是電壓表，輸出端不可短路D.乙圖中的電表是電流表，輸出端不可斷路圖8√√答案解析1.電壓互感器應(yīng)并聯(lián)接入電路；電流互感器應(yīng)串聯(lián)接入電路.2.電壓互感器是把高電壓變成低電壓，故原線圈匝數(shù)n1大于副線圈匝數(shù)n2.3.電流互感器是把大電流變成小電流，故原線圈匝數(shù)n1小于副線圈匝數(shù)n2.技巧點(diǎn)撥例5如圖9所示為物理實(shí)驗(yàn)室某風(fēng)扇的風(fēng)速擋位變換器電路圖，它是一個(gè)可調(diào)壓的理想變壓器，其中接入交流電的電壓有效值U0＝220V，n0＝2200匝，擋位1、2、3、4對(duì)應(yīng)的線圈匝數(shù)分別為220匝、500匝、1100匝、2200匝.電動(dòng)機(jī)M的內(nèi)阻r＝4Ω，額定電壓為U＝220V，額定功率P＝110W.下列判斷正確的是A.當(dāng)選擇擋位3時(shí)，電動(dòng)機(jī)兩端電壓為110VB.當(dāng)擋位由3變換到2時(shí)，電動(dòng)機(jī)的功率增大C.當(dāng)選擇擋位2時(shí)，電動(dòng)機(jī)的熱功率為1WD.當(dāng)選擇擋位4時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出功率為110W圖9答案解析√解析由電壓與匝數(shù)的關(guān)系U0∶U3＝n0∶n3，解得U3＝110V，A正確；當(dāng)擋位由3變換到2時(shí)，輸出電壓減小，電動(dòng)機(jī)的功率減小，B錯(cuò)誤；在額定功率的情況下，電動(dòng)機(jī)的額定電流為I＝

＝0.5A，熱功率Pr＝I2r＝1W，輸出功率為P－Pr＝(110－1)W＝109W，D錯(cuò)誤；當(dāng)沒有達(dá)到額定功率時(shí)，熱功率小于1W，C錯(cuò)誤.達(dá)標(biāo)檢測(cè)1.(變壓器的工作原理)(多選)理想變壓器正常工作時(shí)，原、副線圈中一定相同的物理量是A.每匝線圈中磁通量的變化率B.交變電流的頻率C.原線圈的輸入功率和副線圈的輸出功率D.原線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和副線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)答案√1234√√2.(理想變壓器基本關(guān)系的應(yīng)用)(多選)如圖10所示，將額定電壓為60V的用電器，通過一理想變壓器接在正弦交變電源上.閉合開關(guān)S后，用電器正常工作，交流電壓表和交流電流表(均為理想電表)的示數(shù)分別為220V和2.2A.以下判斷正確的是A.變壓器輸入功率為484WB.通過原線圈的電流的有效值為0.6AC.通過副線圈的電流的最大值為2.2AD.變壓器原、副線圈匝數(shù)比n1∶n2＝11∶3√答案解析√1234圖10解析變壓器的輸入功率等于輸出功率P1＝P2＝I2U2＝2.2×60W＝132W，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；1234