專題14-2-變壓器-電能的輸送【講】【學(xué)生版】

專題14.2變壓器電能的輸送【講】目錄TOC\o"1-3"\h\u一講核心素養(yǎng) 1二講必備知識(shí) 1【知識(shí)點(diǎn)一】理想變壓器基本規(guī)律的應(yīng)用 1【知識(shí)點(diǎn)二】理想變壓器的動(dòng)態(tài)分析問題 3【知識(shí)點(diǎn)三】遠(yuǎn)距離輸電 6三．講關(guān)鍵能力 13【能力點(diǎn)一】會(huì)分析兩種特殊的變壓器模型 13【能力點(diǎn)二】會(huì)分析遠(yuǎn)距離輸電電路兩類動(dòng)態(tài)電路問題 15類型1發(fā)電功率一定的動(dòng)態(tài)分析問題 15類型2發(fā)電電壓一定的動(dòng)態(tài)分析問題 16一講核心素養(yǎng)物理觀念：變壓器、遠(yuǎn)距離輸電。1.知道變壓器的工作原理，掌握變壓器的特點(diǎn)，并能分析、解決實(shí)際問題.2.理解遠(yuǎn)距離輸電的原理并會(huì)計(jì)算線路損失的電壓和功率.科學(xué)思維：“動(dòng)態(tài)分析方法”“極值法”?？茖W(xué)探究：傳感器的特性及使用。科學(xué)態(tài)度：發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)、電能的輸送、生活中各種變壓器的應(yīng)用、傳感器的使用。二講必備知識(shí)【知識(shí)點(diǎn)一】理想變壓器基本規(guī)律的應(yīng)用理想變壓器以及原、副線圈基本量的關(guān)系理想變壓器沒有能量損失(銅損、鐵損)，沒有磁通量損失(磁通量全部集中在鐵芯中)基本關(guān)系功率關(guān)系原線圈的輸入功率等于副線圈的輸出功率，P入＝P出電壓關(guān)系原、副線圈的電壓比等于匝數(shù)比，U1∶U2＝n1∶n2，與負(fù)載的多少無關(guān)電流關(guān)系只有一個(gè)副線圈時(shí)，I1∶I2＝n2∶n1；有多個(gè)副線圈時(shí)，由P入＝P出得I1U1＝I2U2＋I(xiàn)3U3＋…＋I(xiàn)nUn或I1n1＝I2n2＋I(xiàn)3n3＋…＋I(xiàn)nnn頻率關(guān)系f1＝f2(變壓器不改變交流電的頻率)【例1】(2020·山東卷，5)圖甲中的理想變壓器原、副線圈匝數(shù)比n1∶n2＝22∶3，輸入端a、b所接電壓u隨時(shí)間t的變化關(guān)系如圖乙所示。燈泡L的電阻恒為15Ω，額定電壓為24V。定值電阻R1＝10Ω、R2＝5Ω，滑動(dòng)變阻器R的最大阻值為10Ω。為使燈泡正常工作，滑動(dòng)變阻器接入電路的電阻應(yīng)調(diào)節(jié)為()A.1Ω B.5ΩC.6Ω D.8Ω【素養(yǎng)升華】本題考察的學(xué)科素養(yǎng)主要是物理觀念和科學(xué)思維?！炯记煽偨Y(jié)】關(guān)于理想變壓器的四點(diǎn)說明(1)變壓器不能改變直流電壓。(2)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。(3)理想變壓器本身不消耗能量。(4)理想變壓器基本關(guān)系中的U1、U2、I1、I2均為有效值?！咀兪接?xùn)練1】如圖所示，理想變壓器的原線圈接在u＝220eq\r(2)sin100πt(V)的交流電源上，副線圈接有R＝55Ω的負(fù)載電阻，原、副線圈匝數(shù)之比為2∶1，電流表、電壓表均為理想電表。下列說法正確的是()A．原線圈的輸入功率為220eq\r(2)WB．電流表的讀數(shù)為1AC．電壓表的讀數(shù)為110eq\r(2)VD．副線圈輸出交流電的周期為50s【變式訓(xùn)練2】．如圖所示的電路中，理想變壓器原、副線圈的匝數(shù)比n1∶n2＝22∶5，電阻R1＝R2＝25Ω，D為理想二極管，原線圈接u＝220eq\r(2)sin(100πt)V的交流電，則()A．交流電的頻率為100HzB．通過R2的電流為1AC．通過R2的電流為eq\r(2)AD．變壓器的輸入功率為200W【知識(shí)點(diǎn)二】理想變壓器的動(dòng)態(tài)分析問題1．理想變壓器的制約關(guān)系制約關(guān)系電壓副線圈電壓U2由原線圈電壓U1和匝數(shù)比決定功率原線圈的輸入功率P入由副線圈的輸出功率P出決定電流原線圈電流I1由副線圈電流I2和匝數(shù)比決定2．兩種情況匝數(shù)比不變的情況負(fù)載電阻不變的情況(1)U1不變，根據(jù)eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)，輸入電壓U1決定輸出電壓U2，可以得出不論負(fù)載電阻R如何變化，U2不變(2)當(dāng)負(fù)載電阻發(fā)生變化時(shí)，I2變化，根據(jù)輸出電流I2決定輸入電流I1，可以判斷I1的變化(3)I2變化引起P2變化，根據(jù)P1＝P2，可以判斷P1的變化(1)U1不變，eq\f(n1,n2)發(fā)生變化，U2變化(2)R不變，U2變化，I2發(fā)生變化(3)根據(jù)P2＝eq\f(U\o\al(2,2),R)和P1＝P2，可以判斷P2變化時(shí)，P1發(fā)生變化，U1不變時(shí)，I1發(fā)生變化【例2】(2021·山東濟(jì)南市期末學(xué)習(xí)質(zhì)量評(píng)估)理想變壓器連接燈泡和滑動(dòng)變阻器的電路如圖10所示，M、N端連接一個(gè)穩(wěn)壓交流電源，三個(gè)相同燈泡L1、L2和L3接入電路中發(fā)光，當(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑片P向上移動(dòng)時(shí)，下列說法正確的是()A.燈泡L1變亮，L2變暗 B.燈泡L1、L2都變亮C.燈泡L2、L3都變亮 D.電源輸出功率減小【素養(yǎng)升華】本題考察的學(xué)科素養(yǎng)主要是科學(xué)思維。【技巧總結(jié)】含有變壓器的動(dòng)態(tài)電路問題的解題思路【變式訓(xùn)練1】(多選)(2021·臨沂市一模)如圖甲所示的電路中，理想變壓器原、副線圈匝數(shù)比為20∶1，圖中電表均為理想電表，R為光敏電阻(其阻值隨光強(qiáng)增大而減小)，L1和L2是兩個(gè)完全相同的燈泡。原線圈接入如圖乙所示的正弦交流電壓u，下列說法正確的是()甲乙A．交流電壓的頻率為50HzB．電壓表的示數(shù)為11VC．當(dāng)照射R的光強(qiáng)增大時(shí)，電流表的示數(shù)變大D．若L1的燈絲燒斷后，電壓表的示數(shù)會(huì)變小【變式訓(xùn)練2】(多選)(2021·寧夏石嘴山市4月模擬)如圖所示，理想變壓器T的原線圈接在電壓為U的交流電源兩端，P為滑動(dòng)變阻器的滑片，RT為熱敏電阻，其阻值隨溫度升高而減小，下列說法正確的是()A.P向左滑動(dòng)時(shí)，變壓器的輸出電壓變大B.若P向左滑動(dòng)時(shí)，RT阻值保持不變，則變壓器的輸入功率變大C.若P保持不變，RT溫度升高時(shí)，則燈L變暗D.RT溫度升高時(shí)，適當(dāng)向右滑動(dòng)P可能保持燈L亮度不變【知識(shí)點(diǎn)三】遠(yuǎn)距離輸電遠(yuǎn)距離輸電問題的“三二二”1．理清三個(gè)回路2．抓住兩個(gè)聯(lián)系(1)理想的升壓變壓器聯(lián)系著回路1和回路2，由變壓器原理可得：線圈1(匝數(shù)為n1)和線圈2(匝數(shù)為n2)中各個(gè)量間的關(guān)系是eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)，eq\f(I1,I2)＝eq\f(n2,n1)，P1＝P2.(2)理想的降壓變壓器聯(lián)系著回路2和回路3，由變壓器原理可得：線圈3(匝數(shù)為n3)和線圈4(匝數(shù)為n4)中各個(gè)量間的關(guān)系是eq\f(U3,U4)＝eq\f(n3,n4)，eq\f(I3,I4)＝eq\f(n4,n3)，P3＝P4.3．掌握兩種損耗(1)電壓損耗：輸電線上的電阻導(dǎo)致的電壓損耗，ΔU＝U2－U3＝I線R線．(2)功率損耗：輸電線上的電阻發(fā)熱的功率損耗，ΔP＝P2－P3＝Ieq\o\al(2,線)R線．輸電線上能量損耗是熱損耗，計(jì)算功率損耗時(shí)用公式ΔP＝Ieq\o\al(2,線)R線或ΔP＝eq\f(ΔU2,R線).【例3】(多選)(2021·廣西五市聯(lián)考)如圖為遠(yuǎn)距離輸電示意圖，發(fā)電機(jī)的輸出電壓U1和輸電線的電阻和理想變壓器匝數(shù)均不變，且n1∶n2＝n4∶n3，當(dāng)用戶消耗的功率增大時(shí)，下列表述正確的是 ()A．用戶的總電阻增大B．用戶端的電壓U4減小C．U1∶U2＝U4∶U3D．用戶端增加的功率等于升壓變壓器多輸入的功率【素養(yǎng)升華】本題考察的學(xué)科素養(yǎng)主要是科學(xué)思維。【規(guī)律方法】遠(yuǎn)距離輸電問題的解題技巧(1)正確畫出輸電過程示意圖，并在圖上標(biāo)出各物理量．(2)抓住變壓器變壓前、后各量間的關(guān)系，求出輸電線上的電流．(3)計(jì)算輸電線上的功率損失時(shí)常用關(guān)系式：ΔP＝I2R＝(eq\f(P,U))2R.(4)電網(wǎng)送電遵循“用多少送多少”的原則，說明原線圈電流由副線圈電流決定．【變式訓(xùn)練1】(多選)(2020·全國(guó)卷Ⅱ，19)特高壓輸電可使輸送中的電能損耗和電壓損失大幅降低。我國(guó)已成功掌握并實(shí)際應(yīng)用了特高壓輸電技術(shù)。假設(shè)從A處采用550kV的超高壓向B處輸電，輸電線上損耗的電功率為ΔP，到達(dá)B處時(shí)電壓下降了ΔU。在保持A處輸送的電功率和輸電線電阻都不變的條件下，改用1100kV特高壓輸電，輸電線上損耗的電功率變?yōu)棣′，到達(dá)B處時(shí)電壓下降了ΔU′。不考慮其他因素的影響，則()A.ΔP′＝eq\f(1,4)ΔP B.ΔP′＝eq\f(1,2)ΔPC.ΔU′＝eq\f(1,4)ΔU D.ΔU′＝eq\f(1,2)ΔU【變式訓(xùn)練2】(2021·1月江蘇新高考適應(yīng)性考試，7)小明分別按圖甲和乙電路探究遠(yuǎn)距離輸電的輸電損耗，將長(zhǎng)導(dǎo)線卷成相同的兩卷A、B來模擬輸電線路，忽略導(dǎo)線的自感作用。其中T1為理想升壓變壓器，T2為理想降壓變壓器，兩次實(shí)驗(yàn)中使用的燈泡相同，燈泡的電壓相等，兩次實(shí)驗(yàn)中()A.都接直流電源B.A兩端的電壓相等C.A損耗的功率相等D.圖甲中A的電流較大【知識(shí)點(diǎn)三】實(shí)驗(yàn)：利用傳感器制作簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制裝置一、熱敏電阻的特性1.實(shí)驗(yàn)原理閉合電路歐姆定律，用歐姆表進(jìn)行測(cè)量和觀察。2.實(shí)驗(yàn)器材半導(dǎo)體熱敏電阻、多用電表、溫度計(jì)、鐵架臺(tái)、燒杯、涼水和熱水。3.實(shí)驗(yàn)步驟(1)按圖1連接好電路。(2)把多用電表置于歐姆擋，并選擇適當(dāng)?shù)牧砍虦y(cè)出燒杯中沒有水時(shí)熱敏電阻的阻值，并記下溫度計(jì)的示數(shù)。(3)向燒杯中注入少量的冷水，使熱敏電阻浸沒在冷水中，記下溫度計(jì)的示數(shù)和多用電表測(cè)量的熱敏電阻的阻值。(4)將熱水分幾次注入燒杯中，測(cè)出不同溫度下熱敏電阻的阻值，并記錄。4.數(shù)據(jù)處理在圖坐標(biāo)系中，粗略畫出熱敏電阻的阻值隨溫度變化的圖線。5.實(shí)驗(yàn)結(jié)論熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，隨溫度的降低而增大。6.注意事項(xiàng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，加熱水后要等一會(huì)兒再測(cè)熱敏電阻阻值，以使電阻溫度與水的溫度相同，并同時(shí)讀出水溫。二、光敏電阻的特性1.實(shí)驗(yàn)原理閉合電路歐姆定律，用歐姆表進(jìn)行測(cè)量和觀察。2.實(shí)驗(yàn)器材光敏電阻、多用電表、小燈泡、滑動(dòng)變阻器、導(dǎo)線、電源。3.實(shí)驗(yàn)步驟(1)將光敏電阻、多用電表、燈泡、滑動(dòng)變阻器按圖所示電路連接好，其中多用電表置于“×100”擋。(2)先測(cè)出在室內(nèi)自然光的照射下光敏電阻的阻值，并記錄數(shù)據(jù)。(3)打開電源，讓小燈泡發(fā)光，調(diào)節(jié)小燈泡的亮度使之逐漸變亮，觀察多用電表表盤指針顯示光敏電阻阻值的情況，并記錄。(4)用手掌(或黑紙)遮光時(shí)，觀察多用電表表盤指針顯示光敏電阻阻值的情況，并記錄。4.數(shù)據(jù)處理根據(jù)記錄數(shù)據(jù)分析光敏電阻的特性。5.實(shí)驗(yàn)結(jié)論(1)光敏電阻在暗環(huán)境下電阻值很大，強(qiáng)光照射下電阻值很小。(2)光敏電阻能夠把光照強(qiáng)弱這個(gè)光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個(gè)電學(xué)量。6.注意事項(xiàng)(1)實(shí)驗(yàn)中，如果效果不明顯，可將電阻部分電路放入帶蓋的紙盒中，并通過蓋上小孔改變照射到光敏電阻上的光的多少來達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?2)歐姆表每次換擋后都要重新進(jìn)行歐姆調(diào)零。【例4】(2021·1月湖北學(xué)業(yè)水平選擇性考試模擬演練，12)由半導(dǎo)體材料制成的熱敏電阻阻值是溫度的函數(shù)。基于熱敏電阻對(duì)溫度敏感原理制作一個(gè)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，要求熱敏電阻溫度升高至50℃時(shí)，系統(tǒng)開始自動(dòng)報(bào)警。所用器材有：直流電源E(36V，內(nèi)阻不計(jì))；電流表(量程250mA，內(nèi)阻約0.1Ω)；電壓表(量程50V，內(nèi)阻約1MΩ)；熱敏電阻RT；報(bào)警器(內(nèi)阻很小，流過的電流超過10mA時(shí)就會(huì)報(bào)警，超過30mA時(shí)就會(huì)損傷)；滑動(dòng)變阻器R1(最大阻值4000Ω)；電阻箱R2(最大阻值9999.9Ω)；單刀單擲開關(guān)S1；單刀雙擲開關(guān)S2；導(dǎo)線若干。(1)用圖5a所示電路測(cè)量熱敏電阻RT的阻值。當(dāng)溫度為27℃時(shí)，電壓表讀數(shù)為30.0V，電流表讀數(shù)為15.0mA；當(dāng)溫度為50℃時(shí)，調(diào)節(jié)R1，使電壓表讀數(shù)仍為30.0V，電流表指針位置如圖b所示。溫度為50℃時(shí)，熱敏電阻的阻值為________Ω。從實(shí)驗(yàn)原理上看，該方法測(cè)得的阻值比真實(shí)值略微________(填“偏大”或“偏小”)。如果熱敏電阻阻值隨溫度升高而變大，則其為正溫度系數(shù)熱敏電阻，反之為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。基于以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，該熱敏電阻RT為________(填“正”或“負(fù)”)溫度系數(shù)熱敏電阻。(2)某同學(xué)搭建一套基于該熱敏電阻的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)物圖連線如圖c所示，其中有一個(gè)器件的導(dǎo)線連接有誤，該器件為________(填器件名稱)。正確連接后，先使用電阻箱R2進(jìn)行調(diào)試，其阻值設(shè)置為________Ω，滑動(dòng)變阻器R1阻值從最大逐漸減小，直至報(bào)警器開始報(bào)警，此時(shí)滑動(dòng)變阻器R1連入電路的阻值為________Ω。調(diào)試完畢后，再利用單刀雙擲開關(guān)S2的選擇性開關(guān)功能，把熱敏電阻RT接入電路，可方便實(shí)現(xiàn)調(diào)試系統(tǒng)和工作系統(tǒng)的切換。c【變式訓(xùn)練】(2021·1月遼寧普高校招生適應(yīng)性測(cè)試，12)某同學(xué)為定性探究光敏電阻阻值隨光照強(qiáng)度變化的關(guān)系，設(shè)計(jì)了如圖(a)所示的電路。所用器材有：置于暗箱(圖中虛線區(qū)域)中的光敏電阻RG、小燈泡和刻度尺；阻值為R的定值電阻；理想電壓表；電動(dòng)勢(shì)為E、內(nèi)阻為r的電源；開關(guān)S；導(dǎo)線若干。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先按圖(a)連接好電路，然后改變暗箱中光源到光敏電阻的距離d，記錄電壓表的示數(shù)U，獲得多組數(shù)據(jù)如下表。d/cm8.5010.0012.0013.5015.0017.0018.5020.0022.0023.5025.00U/mV271.0220.0180.0156.7144.9114.094.889.578.672.565.0回答下列問題：(1)光敏電阻阻值RG與電壓表示數(shù)U的關(guān)系式為RG＝________(用E、r、R、U表示)；(2)在圖(b)的坐標(biāo)紙上補(bǔ)齊數(shù)據(jù)表中所給的第二組數(shù)據(jù)點(diǎn)，并作出U－d的非線性曲線：(3)依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可推斷：光敏電阻的阻值隨著光照強(qiáng)度的減小而________(填“增大”或“減小”)；(4)該同學(xué)注意到智能手機(jī)有自動(dòng)調(diào)節(jié)屏幕亮度的功能，光照強(qiáng)度大時(shí)屏幕變亮，反之變暗。他設(shè)想利用光敏電阻的特性，實(shí)現(xiàn)“有光照射光敏電阻時(shí)，小燈泡變亮；反之變暗”的功能，設(shè)計(jì)了如圖(c)所示電路，則電路中________(填“R1”或“R2”)為光敏電阻，另一個(gè)為定值電阻。三．講關(guān)鍵能力【能力點(diǎn)一】會(huì)分析兩種特殊的變壓器模型1.自耦變壓器自耦變壓器(又稱調(diào)壓器)，它只有一個(gè)線圈，其中的一部分作為另一個(gè)線圈，當(dāng)交流電源接不同的端點(diǎn)時(shí)，它可以升壓也可以降壓，變壓器的基本關(guān)系對(duì)自耦變壓器均適用，如圖所示。2.互感器分為電壓互感器和電流互感器，兩者比較如下：電壓互感器電流互感器原理圖原線圈的連接并聯(lián)在高壓電路中串聯(lián)在交流電路中副線圈的連接連接電壓表連接電流表互感器的作用將高電壓變?yōu)榈碗妷簩⒋箅娏髯優(yōu)樾‰娏骼玫墓絜q\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)I1n1＝I2n2【例1】(2021·福建泉州市第一次質(zhì)檢)如圖所示，T1、T2是監(jiān)測(cè)交流高壓輸電參數(shù)的互感器(均視為理想變壓器)，T1的原、副線圈匝數(shù)比為1∶1000，、是交流電壓表或交流電流表，其中交流電壓表兩端的電壓為10V，高壓線路輸送的電功率是2.2×103kW、電壓是22kV，則()A.是交流電壓表B.T2的原、副線圈匝數(shù)比為1000∶1C.通過交流電流表的電流為0.1AD.繞制T1原線圈的導(dǎo)線應(yīng)比副線圈的細(xì)【變式訓(xùn)練】(多選)(2021·江蘇常州市上學(xué)期學(xué)業(yè)水平監(jiān)測(cè))如圖所示，鉗型電流表是一種穿心式電流互感器，選擇量程后，將一根通電導(dǎo)線夾入鉗中，就可以讀出導(dǎo)線中的電流。該電流表()A.可以測(cè)直流電流B.可以測(cè)交流電流C.量程旋鈕旋到大量程時(shí)接入電路的線圈匝數(shù)變多D.量程旋鈕旋到大量程時(shí)接入電路的線圈匝數(shù)變少【能力點(diǎn)二】會(huì)分析遠(yuǎn)距離輸電電路兩類動(dòng)態(tài)電路問題類型1發(fā)電功率一定的動(dòng)態(tài)分析問題【例2】(多選)如圖甲為遠(yuǎn)距離輸電示意圖，變壓器均為理想變壓器，升壓變壓器原、副線圈匝數(shù)比為1∶100，其輸入電壓如圖乙所示，遠(yuǎn)距離輸電線的總電阻為100Ω。降壓變壓器右側(cè)部分為一火警報(bào)警系統(tǒng)原理圖，其中R1為一定值電阻，R2為用半導(dǎo)體熱敏材料制成的傳感器，當(dāng)溫度升高時(shí)其阻值變小。電壓表V顯示加在報(bào)警器上的電壓(報(bào)警器未畫出)。未出現(xiàn)火警時(shí)，升壓變壓器的輸入功率為750kW。下列說法正確的是()甲乙A．降壓變壓器副線圈輸出的交變電流頻率