2024-2025學(xué)年高中物理第五章交變電流4變壓器學(xué)案新人教版選修3-2

PAGE11-變壓器1．變壓器的原理(1)定義在交變電流的傳輸過(guò)程中，能上升電壓或降低電壓的設(shè)備．(2)構(gòu)造由閉合的鐵芯和繞在鐵芯上的兩個(gè)或兩個(gè)以上的線圈構(gòu)成．①原線圈：與電源相連的線圈，也叫初級(jí)線圈，其兩端電壓叫輸入電壓．②副線圈：與負(fù)載相連的線圈，也叫次級(jí)線圈，其兩端電壓叫輸出電壓．(3)原理互感現(xiàn)象是變壓器的工作基礎(chǔ)．原線圈中電流的大小、方向不斷變更，在鐵芯中激發(fā)的磁場(chǎng)也不斷變更，變更的磁場(chǎng)在副線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)．(4)作用變更交變電流的電壓，不變更交變電流的周期和頻率．為什么恒定電流不能利用變壓器變壓？提示：通過(guò)電磁感應(yīng)產(chǎn)生互感現(xiàn)象是變壓器的工作基礎(chǔ)，而恒定電流產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)，不產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象，所以無(wú)法對(duì)直流電變壓．2．變壓器的電壓、電流與匝數(shù)的關(guān)系(1)探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數(shù)的關(guān)系①在該試驗(yàn)中，要探究的物理量是四個(gè)，即輸入電壓、輸出電壓、原線圈匝數(shù)和副線圈匝數(shù)，因此為了搞清關(guān)系，應(yīng)當(dāng)用限制變量法．②猜想：線圈兩端的電壓與其匝數(shù)可能有什么關(guān)系？原、副線圈的匝數(shù)對(duì)副線圈兩端的電壓是否都有影響？③設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案：限制變量，分別探究．先保持原線圈的匝數(shù)不變，變更副線圈的匝數(shù)，探討對(duì)輸出電壓的影響；然后，再保持副線圈的匝數(shù)不變，變更原線圈的匝數(shù)，探討對(duì)輸出電壓的影響．④進(jìn)行試驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)．⑤分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論：原副線圈的電壓之比，等于兩個(gè)線圈的匝數(shù)之比．(2)志向變壓器電壓跟匝數(shù)的關(guān)系：eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)(表達(dá)式)．(3)志向變壓器電流跟匝數(shù)的關(guān)系：eq\f(I1,I2)＝eq\f(n2,n1)(適用于只有一個(gè)副線圈的變壓器)．(4)功率關(guān)系：對(duì)志向變壓器而言，輸入功率等于輸出功率．3．互感器(1)電壓互感器：是大匝數(shù)比的降壓變壓器，把高電壓變?yōu)榈碗妷海脕?lái)測(cè)量溝通高電壓，應(yīng)并聯(lián)在電路中．(2)電流互感器：是大匝數(shù)比的升壓變壓器，把大電流變?yōu)樾‰娏鳎脕?lái)測(cè)量溝通大電流，應(yīng)串聯(lián)在電路中．考點(diǎn)一志向變壓器的特點(diǎn)及工作原理1．構(gòu)造變壓器由一個(gè)閉合的鐵芯、原線圈和副線圈組成，兩個(gè)線圈都是由絕緣導(dǎo)線繞制而成的，鐵芯由涂有絕緣漆的硅鋼片疊合而成，是用來(lái)變更溝通電壓的裝置(單相變壓器的構(gòu)造示意圖及電路圖中的符號(hào)分別如圖甲、乙所示)．2．工作原理變壓器的變壓原理是電磁感應(yīng)．如圖所示，當(dāng)原線圈上加溝通電壓U1時(shí)，原線圈中就有交變電流，它在鐵芯中產(chǎn)生交變的磁通量，在原、副線圈中都要產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)．假如副線圈是閉合的，則副線圈中將產(chǎn)生交變的感應(yīng)電流，它也在鐵芯中產(chǎn)生交變磁通量，在原、副線圈中同樣要引起感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)．由于互感現(xiàn)象，原、副線圈間雖然不相連，電能卻可以通過(guò)磁場(chǎng)從原線圈傳遞到副線圈．其能量轉(zhuǎn)換方式為原線圈電能→磁場(chǎng)能→副線圈電能．3．志向變壓器的志向化條件(1)忽視原、副線圈的內(nèi)阻；(2)忽視原、副線圈磁通量的差別；(3)忽視變壓器自身的能量損耗，即忽視變壓器原、副線圈電路的功率因素的差別．1變壓器只對(duì)變更的電流起作用，對(duì)恒定電流不起作用；2變壓器的兩個(gè)線圈之間通過(guò)磁場(chǎng)聯(lián)系在一起，兩個(gè)線圈間是絕緣的；3變壓器不能變更交變電流的頻率；4若直流電的電壓是隨時(shí)間變更的，也可以用變壓器變更電壓；5原、副線圈的感抗均趨于無(wú)窮大，從而空載電流趨于0.【例1】[多選]關(guān)于志向變壓器的工作原理，以下說(shuō)法正確的是()A．通以正弦式交變電流的原線圈產(chǎn)生的磁通量不變B．穿過(guò)原、副線圈的磁通量在任何時(shí)候都相等C．穿過(guò)副線圈的磁通量的變更使得副線圈產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)D．原線圈中的電流通過(guò)鐵芯流到了副線圈中原線圈中的交變電流所產(chǎn)生的變更磁場(chǎng)，除穿過(guò)原線圈之外，也穿過(guò)副線圈，在兩個(gè)線圈中都能產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象．[答案]BC[解析]通入交變電流時(shí)，原線圈產(chǎn)生的磁通量是變更的，故A錯(cuò)誤；原、副線圈在同一鐵芯上，沒(méi)有漏磁，磁通量相等，故B正確；由電磁感應(yīng)現(xiàn)象，磁通量變更引起感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，故C正確；副線圈中的電流是由于磁通量變更引起的，故D錯(cuò)誤．如圖所示為一種變壓器的銘牌圖，依據(jù)其銘牌上所供應(yīng)的信息，以下推斷正確的是(B)A．這是一個(gè)升壓變壓器B．原線圈的匝數(shù)比副線圈的匝數(shù)多C．當(dāng)原線圈輸入溝通電壓220V時(shí)，副線圈輸出直流電壓12VD．當(dāng)原線圈輸入溝通電壓220V、副線圈接負(fù)載時(shí)，副線圈中電流比原線圈中電流小解析：依據(jù)銘牌上所供應(yīng)的信息可知：變壓器的輸入電壓為220V，輸出電壓為12V，該變壓器為降壓變壓器，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤，B正確；變壓器的工作原理是電磁感應(yīng)，故變壓器的原、副線圈上的電壓都為溝通電壓，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；由志向變壓器的輸出功率等于輸入功率，且原線圈的電壓大于副線圈的電壓，故副線圈接負(fù)載時(shí)，副線圈中電流比原線圈中電流大，選項(xiàng)D錯(cuò)誤．考點(diǎn)二1．志向變壓器的三種基本關(guān)系表達(dá)名稱規(guī)律表示依據(jù)備注電壓關(guān)系eq\f(U1,n1)＝eq\f(U2,n2)＝eq\f(U3,n3)…E＝neq\f(ΔΦ,Δt)適用于一個(gè)原線圈、一個(gè)或多個(gè)副線圈的狀況功率關(guān)系P入＝P出能量守恒適用于志向變壓器電流關(guān)系eq\f(I1,I2)＝eq\f(n2,n1)U1I1＝U2I2適用于一個(gè)原線圈、一個(gè)副線圈n1I1＝n2I2＋n3I3＋…U1I1＝U2I2＋U3I3＋…適用于一個(gè)原線圈、多個(gè)副線圈2.變壓器工作時(shí)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eq\f(n1,n2)肯定時(shí)，輸出電壓U2由輸入電壓U1確定，即U2＝eq\f(n2U1,n1).(2)電流制約：當(dāng)變壓器原、副線圈的匝數(shù)比eq\f(n1,n2)肯定時(shí)，且輸入電壓U1確定時(shí)，原線圈中的電流I1由副線圈中的輸出電流I2確定，即I1＝eq\f(n2I2,n1).(3)功率制約：P2確定P1，P2增大，P1增大；P2減小，P1減小；P2為0，P1為0.【例2】如圖所示，志向變壓器的原線圈接入u＝11000eq\r(2)sin100πt(V)的交變電壓，副線圈通過(guò)電阻r＝6Ω的導(dǎo)線對(duì)“220V,880W”的電器R供電，該電器正常工作．由此可知()A．原、副線圈的匝數(shù)比為501B．交變電壓的頻率為100HzC．副線圈中電流的有效值為4AD．變壓器的輸入功率為880W本題可按以下思路進(jìn)行求解：(1)由交變電壓的瞬時(shí)值表達(dá)式可知原線圈兩端電壓的頻率和有效值；(2)由電器R正常工作，可知副線圈中電流的有效值和副線圈兩端電壓的有效值；(3)由功率關(guān)系P入＝P出可求變壓器的輸入功率．[答案]C[解析]原線圈接入電壓u＝11000eq\r(2)sin100πt(V)，輸入電壓的有效值U1＝11000V，已知“220V,880W”的電器正常工作，則副線圈中的電流為I2＝eq\f(PR,UR)＝4A，副線圈兩端的電壓為U2＝I2r＋UR＝4×6V＋220V＝244V，原、副線圈的匝數(shù)比eq\f(n1,n2)＝eq\f(U1,U2)＝eq\f(11000,244)＝eq\f(2750,61)，選項(xiàng)A錯(cuò)誤，C正確；交變電壓的頻率f＝eq\f(ω,2π)＝eq\f(100π,2π)Hz＝50Hz，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；變壓器的輸入功率P入＝P出＝PR＋Pr＝880W＋42×6W＝976W，選項(xiàng)D錯(cuò)誤．總結(jié)提能變壓器工作時(shí)的制約關(guān)系：(1)電壓：當(dāng)變壓器的原、副線圈的匝數(shù)比(n1n2)肯定時(shí)，輸出電壓U2由輸入電壓U1確定，即U2＝eq\f(n2,n1)U1.(2)電流：當(dāng)變壓器的原、副線圈的匝數(shù)比(n1n2)肯定，且輸入電壓U1肯定時(shí)，原線圈中的電流I1由副線圈中的電流I2確定，即I1＝eq\f(n2,n1)I2.(3)功率：志向變壓器的輸入功率和輸出功率相等，即P1＝P2，輸出功率P2確定輸入功率P1.[多選]如圖所示是通過(guò)變壓器為一精密儀器供電的電路，儀器兩端的電壓可通過(guò)示波器顯示出來(lái)，電路中的變壓器可視為志向變壓器．已知示波器顯示的電壓U2＝31.1sin100πtV，變壓器原線圈與副線圈的匝數(shù)比eq\f(n1,n2)＝eq\f(10,1)，若儀器可以看成純電阻電路，其工作時(shí)的電阻R＝44Ω，I1、I2表示原、副線圈中的電流，則下列推斷正確的是(BD)A．原線圈兩端電壓為311V，原線圈中的電流為70.7mAB．原線圈兩端電壓為220V，原線圈中的電流為50mAC．原線圈所接溝通電源的頻率為100HzD．原線圈所接溝通電源的頻率為50Hz解析：依據(jù)題目給出的副線圈輸出電壓的變更規(guī)律可知，副線圈兩端的電壓U2＝eq\f(Um,\r(2))＝eq\f(31.1,\r(2))V≈22V，由eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)，得U1＝220V；由U2＝I2R，得I2＝0.5A＝500mA，由eq\f(I1,I2)＝eq\f(n2,n1)，得I1＝50mA，故A錯(cuò)誤，B正確．變壓器原、副線圈中交變電流的頻率相等，均為50Hz，故C錯(cuò)誤，D正確．【例3】[多選]如圖所示，志向變壓器原線圈接有溝通電源，當(dāng)副線圈上的滑片P處于圖示位置時(shí)，燈泡L能發(fā)光．要使燈泡變亮，可以實(shí)行的方法有()A．向下滑動(dòng)P B．增大溝通電源的電壓C．增大溝通電源的頻率 D．減小電容器C的電容解答本題時(shí)應(yīng)把握以下兩點(diǎn)：(1)變壓器只變更交變電流的電壓和電流，不變更交變電流的頻率；(2)電容器的容抗與交變電流的頻率以及電容器的電容有關(guān)，與其他因素?zé)o關(guān)．[答案]BC[解析]向下滑動(dòng)P時(shí)，副線圈的匝數(shù)變少，由志向變壓器的電壓關(guān)系可知，副線圈兩端的電壓變小，燈泡變暗，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；增大溝通電源的電壓，由志向變壓器的電壓關(guān)系可知，副線圈兩端的電壓增大，燈泡變亮，選項(xiàng)B正確；電壓不變，增大溝通電源的頻率，電容器的容抗減小，電路中的電流變大，燈泡變亮，選項(xiàng)C正確；減小電容器的電容，電容器的容抗增大，電路中的電流減小，燈泡變暗，選項(xiàng)D錯(cuò)誤．總結(jié)提能本題考查變壓器電路的動(dòng)態(tài)分析和電容器的容抗，意在考查考生對(duì)變壓器規(guī)律的駕馭狀況及對(duì)電容器容抗的理解．如圖所示，志向變壓器原線圈輸入電壓u＝Umsinωt，副線圈電路中R0為定值電阻，R是滑動(dòng)變阻器，和是志向溝通電壓表，示數(shù)分別用U1和U2表示；和是志向溝通電流表，示數(shù)分別用I1和I2表示．下列說(shuō)法正確的是(C)A．I1和I2表示電流的瞬時(shí)值B．U1和U2表示電壓的最大值C．滑片P向下滑動(dòng)過(guò)程中，U2不變，I1變大D．滑片P向下滑動(dòng)過(guò)程中，U2變小，I1變小解析：溝通電壓表和溝通電流表測(cè)量的是有效值，選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤；滑片P向下滑動(dòng)時(shí)，滑動(dòng)變阻器接入電路中的電阻減小，副線圈負(fù)載電阻減小，因?yàn)樵?、副線圈的匝數(shù)比不變，所以U1、U2不變，因I2＝eq\f(U2,R＋R0)，所以I2變大，又U1I1＝U2I2，所以I1變大，故選項(xiàng)C正確，D錯(cuò)誤．1．如圖所示，為四種亮度可調(diào)的臺(tái)燈的電路示意圖，它們所用白熾燈泡相同，且都是“220V,40W”，當(dāng)燈泡所消耗的功率都調(diào)于20W時(shí)，哪種臺(tái)燈消耗的功率最小(C)解析：C圖為志向變壓器調(diào)整，而志向變壓器不消耗能量，A、B、D三圖中均利用電阻來(lái)調(diào)整燈泡上的電壓，故肯定要消耗能量．2．有一電子線路中運(yùn)用的小變壓器，變壓比為220V/6V，由于運(yùn)用時(shí)間長(zhǎng)了分不清原、副線圈，其外形如圖所示，現(xiàn)要作為降壓變壓器運(yùn)用，則電源(220V)應(yīng)接在(B)A．a(chǎn)b兩端 B．cd兩端C．a(chǎn)c兩端 D．bd兩端解析：本題考查變壓器的電流關(guān)系．由變壓器結(jié)構(gòu)原理可知，線圈中的電流越大，應(yīng)當(dāng)用越粗的導(dǎo)線，在降壓變壓器中，原線圈的匝數(shù)多于副線圈的匝數(shù)，即n1>n2，又eq\f(I1,I2)＝eq\f(n2,n1)，所以I2>I1，說(shuō)明通過(guò)電流大的(I2)線圈應(yīng)是副線圈，導(dǎo)線相應(yīng)要粗些，由圖知，ab線較粗，故輸入電壓(220V)應(yīng)接cd兩端．故正確答案為B.3．如圖所示，志向變壓器原、副線圈上接有四個(gè)完全相同的燈泡，若四個(gè)燈泡恰好都能正常發(fā)光，則下列說(shuō)法正確的是(B)A．U1U2＝34B．U1U2＝43C．若將L1短路，則副線圈的三個(gè)燈泡仍能正常發(fā)光D．若將L2短路，則副線圈的兩個(gè)燈泡兩端的電壓變?yōu)轭~定電壓的eq\f(3,2)倍解析：設(shè)燈泡的額定電壓為U，額定電流為I，則副線圈電壓為3U，電流為I，原線圈的燈泡正常發(fā)光，電流也為I，所以原、副線圈的匝數(shù)比為11，原線圈兩端電壓為3U，所以U1U2＝43，選項(xiàng)A錯(cuò)誤，B正確；若將L1短路，則原線圈的電壓增大，則副線圈兩端電壓也增大，三個(gè)燈泡不能正常發(fā)光，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；若將L2短路，設(shè)副線圈的電流為I′，原線圈的電流也為I′，因此2I′R＋I(xiàn)′R＝U1＝4U，則I′R＝eq\f(4,3)U，即副線圈的每個(gè)燈泡兩端的電壓變?yōu)轭~定電壓的eq\f(4,3)，選項(xiàng)D錯(cuò)誤．4．用電高峰期，電燈往往會(huì)變暗，其原理可簡(jiǎn)化為如下物理問(wèn)題，如圖所示，志向變壓器副線圈上，通過(guò)輸電線連接兩只相同的燈泡L1和L2，輸電線的等效電阻為R，原線圈輸入有效值恒定的溝通電壓，當(dāng)開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)，以下說(shuō)法中正確的是(B)A．原線圈中的電流減小 B．R兩端的電壓增大C．原線圈輸入功率不變 D．副線圈輸出的電壓減小解析：開(kāi)關(guān)S閉合，用戶端阻值變小，用戶端干路電流增大，則原線圈中電流變大，原線圈輸入功率變大，選項(xiàng)A、C均錯(cuò)誤；用戶端干路電流增大，則輸電線R上電壓損失變大，選項(xiàng)B正確；由于原電壓及匝數(shù)比不變，故副線圈輸出電壓不變，選項(xiàng)D錯(cuò)誤．5．如圖所示，一個(gè)變壓器(可視為志向變壓器)的原線圈接在220V的市電上，向額定電