變壓器  1.了解變壓器的構(gòu)造及幾種常見的變壓器,理解互感現(xiàn)象和變壓器的工作原理。2.理解理想變壓器的匝數(shù)與電壓和電流的關(guān)系,并能用其解決基本問題。3.理解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。    知識點一 變壓器的原理[情境導(dǎo)學(xué)]如圖所示,把兩個線圈套在同一個閉合鐵芯上,一個線圈連接到交流電源的兩端,另一個線圈連接到小燈泡上,小燈泡能發(fā)光。(1)閉合鐵芯的作用是什么?(2)兩個線圈并沒有直接接觸,小燈泡為什么能發(fā)光?提示:(1)閉合鐵芯的作用是形成一個閉合磁路,使原、副線圈的磁通量變化情況基本相同。(2)原線圈中變化的電流在鐵芯中產(chǎn)生變化的磁場,變化的磁場在副線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,進(jìn)而有感應(yīng)電流,使小燈泡發(fā)光。[知識梳理]1.變壓器的構(gòu)造變壓器由閉合鐵芯和繞在鐵芯上的兩個線圈組成,如圖所示。(1)原線圈:與交流電源連接的線圈,也叫初級線圈。(2)副線圈:與負(fù)載連接的線圈,也叫次級線圈。2.變壓器的工作原理變壓器工作的基礎(chǔ)是互感現(xiàn)象。電流通過原線圈時在鐵芯中激發(fā)磁場,由于電流的大小、方向在不斷變化,鐵芯中的磁場也在不斷變化。變化的磁場在副線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。3.作用改變交變電流的電壓。4.理想變壓器沒有能量損失的變壓器叫作理想變壓器。理想變壓器是一個理想化模型。[初試小題]1.判斷正誤。(1)變壓器中一個線圈與交流電源連接,叫原線圈,也叫初級線圈。(√)(2)變壓器中閉合鐵芯是由很薄的硅鋼片疊合而成。(√)(3)變壓器的兩個線圈間是絕緣的,但通過磁場聯(lián)系在一起,利用互感現(xiàn)象實現(xiàn)了電能向磁場能再到電能的轉(zhuǎn)化。(√)(4)變壓器既能改變交變電流的電壓,也能改變恒定電流的電壓。(×)2.如圖所示,理想變壓器原、副線圈的匝數(shù)之比n1n2=41,當(dāng)導(dǎo)體棒在勻強(qiáng)磁場中向左做勻速直線運動切割磁感線時,電流表A1的示數(shù)為12 mA,則電流表A2的示數(shù)為(  )A.3 mA         B.0C.48 mA D.與負(fù)載R的值有關(guān)解析:選B 當(dāng)導(dǎo)體棒向左做勻速直線運動切割磁感線時,在原線圈中產(chǎn)生恒定不變的電流,鐵芯中產(chǎn)生的磁場是不變的,通過副線圈的磁通量不變,不能在副線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流,即電流表A2的示數(shù)為0,B正確。知識點二 電壓與匝數(shù)的關(guān)系[情境導(dǎo)學(xué)]某同學(xué)在探究變壓器電壓與匝數(shù)關(guān)系時,發(fā)現(xiàn)缺少電源,于是就用一個蓄電池代替。他能在實驗中觀察到什么現(xiàn)象?為什么?提示:無論如何調(diào)整副線圈或原線圈匝數(shù),副線圈兩端的電壓總是0。因為蓄電池輸出的是恒定電流,恒定電流通過變壓器的原線圈時,電流的大小方向不變,它產(chǎn)生的磁場通過副線圈的磁通量不變,因此副線圈中不會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,副線圈兩端沒有電壓。[知識梳理]1.電壓與匝數(shù)的關(guān)系理想變壓器原、副線圈的電壓之比等于原、副線圈的匝數(shù)之比,即。2.兩類變壓器副線圈的電壓比原線圈電壓低的變壓器叫降壓變壓器;副線圈的電壓比原線圈電壓高的變壓器叫升壓變壓器。3.變壓器的效率變壓器的輸出功率與輸入功率之比,叫作變壓器的效率。[初試小題]1.判斷正誤。(1)理想變壓器不僅可以改變交變電流的電壓和電流,還可以改變交變電流的功率和頻率。(×)(2)實際變壓器的效率都比較高,可以近似看成理想變壓器。(√)(3)適用于任何變壓器。(×)(4)變壓器可以升壓也可以降壓。(√)2.某理想變壓器原、副線圈的匝數(shù)之比為110,當(dāng)輸入電壓增加20 V時,輸出電壓(  )A.降低2 V B.增加2 VC.降低200 V D.增加200 V解析:選D 假設(shè)理想變壓器原線圈的輸入電壓為U1,由變壓器的工作原理可知,則變壓器副線圈的輸出電壓U2=10U1;當(dāng)輸入電壓增加20 V時,即輸入電壓為U1+20 V時,變壓器的輸出電壓U2′=10(U1+20 V),則輸出電壓的增加量ΔUU2′-U2=10U1+200 V-10U1=200 V。故A、B、C錯誤,D正確。    理想變壓器的特點及規(guī)律[問題探究]變壓器線圈中的電流越大,所用的導(dǎo)線應(yīng)當(dāng)越粗。街頭見到的變壓器是降壓變壓器,假設(shè)它只有一個原線圈和一個副線圈,哪個線圈應(yīng)該使用較粗的導(dǎo)線?為什么?提示:副線圈,因為副線圈中電流大于原線圈的電流。[要點歸納]1.工作原理2.基本規(guī)律(1)電壓關(guān)系:。當(dāng)有n組線圈時,則有 =…。(2)功率關(guān)系:對于理想變壓器,不考慮能量損失,PP。(3)電流關(guān)系:由功率關(guān)系,當(dāng)只有一個副線圈時,I1U1I2U2,得。當(dāng)有多個副線圈時,I1U1I2U2I3U3+…,得I1n1I2n2I3n3+…。[例題1] 如圖所示,理想變壓器原、副線圈匝數(shù)之比為201,兩個標(biāo)有“12 V 6 W”的小燈泡并聯(lián)在副線圈的兩端。當(dāng)兩燈泡都正常工作時,原線圈電路中電壓表和電流表(可視為理想的電表)的示數(shù)分別是(  )A.120 V,0.10 A      B.240 V,0.025 AC.120 V,0.05 A D.240 V,0.05 A[思路點撥] 解答本題時可按以下思路分析 [解析] 燈泡正常發(fā)光,所以U2=12 V根據(jù) 代入數(shù)據(jù)解得U1=240 V兩個燈泡均正常發(fā)光,I2=2=1 A根據(jù)代入數(shù)據(jù)解得I1=0.05 A。故D正確。[答案] D(1)變壓器只能改變交變電流的電壓,不能在直流電路中使用。(2)原、副線圈的電壓、電流發(fā)生變化,而頻率不變。(3)當(dāng)變壓器有多個副線圈時,電壓關(guān)系仍適用,而電流關(guān)系式不再適用?!   ?[針對訓(xùn)練]1.如圖所示,理想變壓器的原線圈接在u=220sin 100πt(V)的交流電源上,副線圈接有R=55 Ω的負(fù)載,原、副線圈匝數(shù)之比為21,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220 WB.電流表的讀數(shù)為1 AC.電壓表的讀數(shù)為110 VD.副線圈輸出交流電的周期為50 s解析:選B 由交流電壓的表達(dá)式可知,原線圈兩端所加的電壓最大值為220 V,故有效值U1=220 V;由知,副線圈電壓的有效值U2=110 V,故輸出功率P2=220 W;再由輸入功率等于輸出功率知P1P2=220 W,A項錯誤。根據(jù)歐姆定律知I2=2 A,由I1=1 A,故電流表讀數(shù)為1 A,B項正確。電壓表的讀數(shù)為有效值,即U2=110 V,C項錯誤。由交流電壓的表達(dá)式可知,ω=100π rad/s,又T,解得T=0.02 s,D項錯誤。2.某理想變壓器原、副線圈匝數(shù)之比為559,原線圈所接電源電壓的變化規(guī)律如圖所示,副線圈接有負(fù)載。下列判斷正確的是(  )A.輸出電壓的最大值為36 VB.原、副線圈中電流之比為559C.該理想變壓器的輸入、輸出功率之比為559D.原線圈兩端電壓有效值為220 V,頻率為50 Hz解析:選D 由題圖可知原線圈兩端電壓的有效值U1=220 V,頻率f=50 Hz,D正確;輸出電壓的有效值U2U1=36 V,故輸出電壓的最大值U2max=36 V,A錯誤;由于,B錯誤;理想變壓器的輸入功率與輸出功率相等,C錯誤。3.在如圖所示的電路中,理想變壓器原、副線圈的匝數(shù)比n1n2n3=631,電流表均為理想交流電流表,兩電阻阻值相同。當(dāng)在原線圈兩端加上大小為U的交變電壓時,三個電流表的示數(shù)之比I1I2I3為(  )A.123 B.121C.136 D.593解析:選D 由理想變壓器原、副線圈的電壓比等于匝數(shù)比可知,,解得U2U,U3U,設(shè)電流表A3的示數(shù)為I,即I3I,則I2=3I,理想變壓器輸入功率與輸出功率相等,即U1I1U2I2U3I3,解得I1I,則I1I2I3=593,故A、B、C錯誤,D正確。  理想變壓器的動態(tài)變化[問題探究]如圖所示,當(dāng)開關(guān)S閉合后,電壓表和電流表的示數(shù)是如何變化的?提示:正弦交流電源不變,所以V1與V2示數(shù)均不變。當(dāng)開關(guān)S閉合后,副線圈的總電阻減小,則總電流增大,故A2與A1示數(shù)變大。[要點歸納]1.電壓制約當(dāng)變壓器原、副線圈的匝數(shù)之比一定時,輸出電壓U2由輸入電壓U1決定,即U2。2.電流制約當(dāng)變壓器原、副線圈的匝數(shù)之比一定,且輸入電壓U1確定時,原線圈中的電流I1由副線圈中的輸出電流I2決定,即I1。3.功率制約理想變壓器的功率PP,即變壓器的輸入功率是由輸出功率決定的。4.對理想變壓器進(jìn)行動態(tài)分析的兩種常見情況(1)原、副線圈匝數(shù)之比不變,分析各物理量隨負(fù)載電阻變化而變化的情況,進(jìn)行動態(tài)分析的順序是RI2P2P1I1;(2)負(fù)載電阻不變,分析各物理量隨原、副線圈匝數(shù)之比的變化而變化的情況,進(jìn)行動態(tài)分析的順序是n1、n2U2I2P2P1I1。[例題2] [多選]如圖所示,理想變壓器的副線圈上通過輸電線接有兩個相同的燈泡L1和L2,輸電線的等效電阻為R。開始時,開關(guān)S斷開。當(dāng)開關(guān)S接通時,以下說法正確的是(  )A.副線圈兩端MN的輸出電壓減小B.副線圈輸電線等效電阻R上的電壓增大C.通過燈泡L1的電流減小D.原線圈中的電流增大[思路點撥][解析] 由于輸入電壓不變,當(dāng)S接通時,理想變壓器副線圈M、N兩端輸出電壓不變。并聯(lián)燈泡L2,總電阻變小,由歐姆定律知,流過R的電流增大,等效電阻上的電壓URIR增大。副線圈輸出電流增大,根據(jù)輸入功率等于輸出功率I1U1I2U2,得原線圈輸入電流I1也增大。UMN不變,UR變大,所以UL1變小,流過燈泡L1的電流減小。故A錯誤,B、C、D正確。[答案] BCD理想變壓器動態(tài)問題的處理方法(1)抓住三個決定原則: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)把副線圈當(dāng)作電源,研究副線圈電路電阻變化。(3)根據(jù)閉合電路的歐姆定律,判斷副線圈電流的變化、功率的變化。(4)根據(jù)理想變壓器的變壓規(guī)律、變流規(guī)律和功率規(guī)律判斷原線圈電流的變化及輸入功率的變化?!   ?[針對訓(xùn)練]1.變壓器的副線圈匝數(shù)可調(diào),R0為輸電線電阻。滑動觸頭P處于如圖所示位置時,用戶的用電器恰好正常工作。當(dāng)用電器增多時,下列說法正確的是(  )A.原線圈中的電流減小B.副線圈兩端的電壓減小C.用電器增多時,只需使滑動觸頭P向上滑,用電器仍能正常工作D.用電器增多時,只需減小電源的輸出電壓,用電器仍能正常工作解析:選C 原線圈兩端電壓和原、副線圈匝數(shù)比不變,則副線圈兩端電壓不變,故B錯誤;當(dāng)用電器增加時,總電阻減小,副線圈中電流增大,根據(jù)原、副線圈電流之比等于匝數(shù)的反比可知,原線圈中電流也增大,故A錯誤;通過R0的電流增大,R0分得的電壓也增大,要使用電器仍能正常工作,應(yīng)增大副線圈兩端電壓,而原線圈兩端電壓不變,故應(yīng)使滑動觸頭P向上滑動,增加副線圈匝數(shù),C正確;若減小電源的輸出電壓,在匝數(shù)比不變的情況下,副線圈兩端電壓減小,則用電器不能正常工作,故D錯誤。2.如圖所示,某理想變壓器原、副線圈的匝數(shù)均可調(diào)節(jié),原線圈兩端電壓為一最大值不變的正弦交流電。在其他條件不變的情況下,為了使變壓器輸入功率增大,可使(  )A.原線圈匝數(shù)n1增加B.副線圈匝數(shù)n2減少C.負(fù)載電阻R的阻值增大D.負(fù)載電阻R的阻值減小解析:選D 由P,可得P,又因為PP,所以P,減少原線圈匝數(shù)、增大副線圈匝數(shù)以及減小負(fù)載電阻R的阻值,均可使變壓器的輸入功率增大,選項D正確。3.如圖所示,理想變壓器原、副線圈的匝數(shù)之比為101,b是原線圈的中心抽頭,電壓表和電流表均為理想電表。從某時刻開始在原線圈c、d兩端加上交變電壓,其瞬時值表達(dá)式為u1=220 sin 100πt(V),則(  )A.當(dāng)單刀雙擲開關(guān)與a連接時,電壓表的示數(shù)為22 VB.當(dāng)t s時,c、d間電壓的瞬時值為110 VC.單刀雙擲開關(guān)與a連接,在滑動變阻器滑片P向上移動的過程中,電壓表和電流表的示數(shù)均變小D.當(dāng)單刀雙擲開關(guān)由a扳向b時,電壓表和電流表的示數(shù)均變小解析:選A 原、副線圈的匝數(shù)之比為101,原線圈兩端的電壓有效值U1 V=220 V,根據(jù),代入數(shù)據(jù)得U2=22 V,故電壓表的示數(shù)為22 V,A正確;當(dāng)t s時,c、d間電壓的瞬間值u=220 sinV=110 V,故B錯誤;當(dāng)單刀雙擲開關(guān)與a連接,滑動變阻器滑片P向上移動的過程中,滑動變阻器接入電路中的阻值變大,副線圈輸出電壓不變,電流減小,即電壓表示數(shù)不變,電流表示數(shù)減小,故C錯誤;當(dāng)單刀雙擲開關(guān)由a扳向b時,原線圈匝數(shù)減小,根據(jù)U2變大,電壓表和電流表的示數(shù)均變大,故D錯誤。 變壓器的常見模型1.自耦變壓器圖甲是自耦變壓器的示意圖。這種變壓器的特點是鐵芯上只繞有一個線圈。如果把整個線圈作原線圈,副線圈只取原線圈的一部分,就可以降低電壓;如果把線圈的一部分作原線圈,整個線圈作副線圈,就可以升高電壓。調(diào)壓變壓器就是一種自耦變壓器,它的構(gòu)造如圖乙所示。線圈AB繞在一個圓環(huán)形的鐵芯上,AB之間加上輸入電壓U1,移動滑動觸頭P的位置就可以調(diào)節(jié)輸出電壓U2。2.互感器電壓互感器n1>n2,把高電壓變?yōu)榈碗妷?,并?lián)在被測電路中,用電壓表測得低電壓U2,再根據(jù)銘牌上變壓之比,算出被測高電壓應(yīng)用于實際測量高電壓的器材電流互感器n1<n2,把大電流變成小電流,串聯(lián)在被測電路中,用電流表測得小電流I2,再根據(jù)銘牌上變流之比,算出被測大電流測量大電流的一種方法 [示例] 如圖所示,甲、乙兩圖中的理想變壓器以不同的方式接在高壓電路中。甲圖中變壓器原、副線圈的匝數(shù)之比為k1,電壓表讀數(shù)為U;乙圖中變壓器原、副線圈的匝數(shù)之比為k2,電流表讀數(shù)為I。則甲圖中高壓線電壓和乙圖中高壓線電流分別為(  )A.k1U,k2I        B.k1U,C.,k2I D.[解析] 由理想變壓器的工作原理,對甲圖得k1,解得U1k1U;對乙圖得k2,解得I1。B正確,A、C、D錯誤。[答案] B[拓展訓(xùn)練]1.普通的交流電流表不能直接接在高壓輸電線路上測量電流,通常要通過電流互感器來連接,如圖所示。電流互感器ab一側(cè)線圈的匝數(shù)較少,工作時電流為Iab;cd一側(cè)線圈的匝數(shù)較多,工作時電流為Icd。為了使交流電流表能正常工作,則(  )A.abMN、cdPQIab<IcdB.abMN、cdPQIab>IcdC.abPQ、cdMN,Iab<IcdD.abPQ、cdMN,Iab>Icd解析:選B 電流互感器ab一側(cè)線圈匝數(shù)比cd一側(cè)線圈匝數(shù)少,根據(jù)電流關(guān)系I1n1I2n2Iab>Icd,交流電流表應(yīng)接在電流較小的一側(cè),故選項B正確。2.一自耦變壓器如圖所示,環(huán)形鐵芯上只繞有一個線圈,將其接在a、b間作為原線圈。通過滑動觸頭取該線圈的一部分,接在c、d間作為副線圈。在ab間輸入電壓為U1的交變電流時,cd間的輸出電壓為U2。在將滑動觸頭從M點順時針旋轉(zhuǎn)到N點的過程中(  )A.U2U1,U2降低B.U2U1,U2升高C.U2U1,U2降低D.U2U1,U2升高解析:選C a、b間原線圈的匝數(shù)大于c、d間副線圈的匝數(shù),在滑動觸頭由M點移動到N點的過程中,副線圈的匝數(shù)進(jìn)一步減小,由變壓器工作原理知,U2U1,且U2降低,選項C正確。 1.關(guān)于理想變壓器的工作原理,以下說法正確的是(  )A.通有正弦式交變電流的原線圈的磁通量不變B.穿過原、副線圈的磁通量在任何時候都不相等C.副線圈磁通量的變化使得副線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢D.原線圈中的電流通過鐵芯流到了副線圈解析:選C 通有正弦式交變電流的原線圈產(chǎn)生的磁場是變化的,由于面積S不變,故穿過原線圈的磁通量Φ變化,A錯誤;因理想變壓器無漏磁,故B錯誤;由法拉第電磁感應(yīng)定律知C正確;原線圈中的電能轉(zhuǎn)化為磁場能又轉(zhuǎn)化為電能,原、副線圈通過磁場聯(lián)系在一起,故D錯誤。2.[多選]鉗形電流表多用于大電流的估測。某鉗形電流表如圖所示,被測導(dǎo)線、鐵芯、線圈構(gòu)成一個電流互感器。按下手柄時,鉗形電流表的鐵芯可以被分開,把被測的載流導(dǎo)線放入后,松開手柄,鐵芯閉合。導(dǎo)線中的交流在鐵芯中產(chǎn)生交變磁場,電流表與套在鐵芯上的線圈相連,可以間接得知導(dǎo)線中的電流。關(guān)于該鉗形電流表,下列說法正確的是(  )A.該鉗形電流表屬于升壓變壓器B.該鉗形電流表屬于降壓變壓器C.若載流導(dǎo)線在鉗口多繞幾圈,則鉗形電流表的示數(shù)將偏大D.若載流導(dǎo)線在鉗口多繞幾圈,則鉗形電流表的示數(shù)將偏小解析:選AC 鉗形電流表用于大電流的估測,輸出電流很小,根據(jù)變壓器的規(guī)律可知,鉗形電流表實質(zhì)上是一個升壓變壓器,故A正確,B錯誤;根據(jù)n1I1n2I2知,若將載流導(dǎo)線在鉗口多繞幾圈,即n1變大,I1、n2不變,則鉗形電流表的示數(shù)I2將變大,即與原來示數(shù)相比偏大了,故C正確,D錯誤。3.[多選]如圖所示,將額定電壓為60 V的用電器,通過一理想變壓器接在正弦式交流電源上。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220 V和2.2 A。以下判斷正確的是(  )A.變壓器輸入功率為484 WB.通過原線圈的電流的有效值為0.6 AC.通過副線圈的電流的最大值為2.2 AD.變壓器原、副線圈匝數(shù)之比n1n2=113解析:選BD 理想變壓器的輸入功率等于輸出功率,P1P2I2U2=2.2×60 W=132 W,選項A錯誤;由,選項D正確;由I1I2×2.2 A=0.6 A,選項B正確;根據(jù)I得通過副線圈的電流的最大值I2mI2 A≈3.1 A,選項C錯誤。4.如圖所示,理想變壓器原、副線圈接有三個完全相同的燈泡,其額定電壓均為U,且三個燈泡均能正常發(fā)光。下列說法正確的是(  )A.原、副線圈匝數(shù)之比為31B.原、副線圈匝數(shù)之比為13C.AB端的輸入電壓為3UD.AB端的輸入電壓為4U解析:選C 設(shè)燈泡正常發(fā)光時,流過它的電流為I,則該變壓器原線圈電流I1I,副線圈中電流I2=2I,則原、副線圈匝數(shù)之比=21;所以原線圈兩端的電壓U1U2=2U,則AB端輸入電壓為3U。故A、B、D錯誤,C正確。5.[多選]如圖所示,理想變壓器原線圈輸入電壓u=220sin 100πt(V),原、副線圈匝數(shù)之比為101,副線圈電路中R0為定值電阻,R是光敏電阻(其阻值隨光照強(qiáng)度的增大而減小),圖中電表均為理想電表。下列說法正確的是(  )A.變壓器輸出電壓的頻率為50 HzB.電壓表V2的示數(shù)為22 VC.照射R的光變強(qiáng)時,燈泡L變暗D.照射R的光變強(qiáng)時,電壓表V1、電流表A1的示數(shù)都不變解析:選AC 原線圈接正弦式交流電,由題知角速度ω=100π rad/s,所以f Hz=50 Hz,故A正確;由表達(dá)式知輸入電壓有效值為220 V,根據(jù)知,副線圈電壓有效值即電壓表V2的示數(shù)為22 V,故B錯誤;光敏電阻R受到的光照增強(qiáng)時,阻值減小,但不會影響變壓器的輸入電壓及輸出電壓,則副線圈電路總電流變大,原線圈電流也變大,定值電阻分壓增大,燈泡兩端電壓減小,燈泡變暗,故C正確,D錯誤。 

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高中物理人教版 (2019)選擇性必修 第二冊電子課本

3 變壓器

版本: 人教版 (2019)

年級: 選擇性必修 第二冊

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