(新高考)高考物理二轮复习大题优练9 变压器 电能的输送(解析版)

变压器电能的输送变压器电能的输送大题优练9优选例题优选例题例1．交流发电机的发电原理是矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴OO′匀速转动。一小型发电机的线圈共220匝，线圈面积S＝0.05m2，线圈转动的频率为50Hz，线圈内阻不计，磁场的磁感应强度SKIPIF1<0T。如果用此发电机带动两个标有“220V11kW”的电机正常工作，需在发电机的输出端a、b与电机之间接一个理想变压器，电路如图。求：(1)发电机的输出电压为多少？(2)变压器原副线圈的匝数比为多少？(3)与变压器原线圈串联的交流电流表的示数为多少？【解析】(1)矩形线圈转动，产生感应电动势的最大值：Em＝NBSω＝1100eq\r(2)V发电机的输出电压为电压有效值：U1＝eq\f(Em,\r(2))＝1100V。(2)由U2＝220V知：eq\f(n1,n2)＝eq\f(U1,U2)＝eq\f(5,1)。(3)根据P入＝P出＝2.2×104W又P入＝U1I1解得：I1＝20A。例2．发电机转子是匝数n＝100、边长L＝20cm的正方形线圈，其置于磁感应强度B＝0.5T的匀强磁场中，绕着垂直磁场方向的轴以ω＝100πrad/s的角速度转动，当转到线圈平面与磁场方向垂直时开始计时。线圈的电阻r＝1Ω，外电路电阻R＝99Ω。试求：(1)写出交变电流瞬时值表达式；(2)外电阻上消耗的功率；(3)从计时开始，线圈转过eq\f(π,3)过程中，通过外电阻的电荷量是多少？【解析】(1)电动势的最大值：Em＝nBωL2＝628V根据闭合电路欧姆定律得Im＝eq\f(Em,R＋r)＝6.28A故交变电流瞬时值表达式：i＝6.28sin(100πt)A。(2)电流的有效值I＝eq\f(Im,\r(2))外电阻上消耗的功率：P＝I2R＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(Im,\r(2))))2R＝1.95×103W。(3)从计时开始到线圈转过eq\f(π,3)过程中：平均感应电动势eq\x\to(E)＝neq\f(ΔΦ,Δt)＝neq\f(Φm－Φmcos60°,Δt)＝eq\f(nBL2,2Δt)平均电流：eq\x\to(I)＝eq\f(\x\to(E),R＋r)通过外电阻的电荷量：q＝eq\x\to(I)·Δt＝0.01C。模拟优练模拟优练1．如图所示，矩形线圈abcd匝数n＝100匝，面积S＝0.5m2，电阻不计，处于磁感应强度SKIPIF1<0T的匀强磁场中。线圈通过金属滑环E、F与理想变压器原线圈相连，变压器的副线圈接一只“10V10W”灯泡。接在矩形线圈和原线圈间的熔断器的熔断电流的有效值I＝1.5A、电阻忽略不计，现使线圈abcd绕垂直于磁场方向的轴OO′以角速度ω＝10rad/s匀速转动，灯泡正常发光。求：(1)线圈abcd中电动势有效值；(2)变压器原、副线圈匝数之比；(3)副线圈中最多可以并联多少盏这样灯泡。【解析】(1)电动势最大值E电动势有效值E＝E(2)原线圈输入电压U1＝原、副线圈匝数之比：n1(3)在熔断器未熔断情况下，原线圈最大输入功率P1m副线圈最大输出功率：P灯最多盏数：n＝P2．某个水电站发电机的输出功率为100kW，发电机的电压为250V。通过升压变压器升高电压后向远处输电，输电线总电阻为2Ω，在用户端用降压变压器把电压降为220V。要求在输电线上损失的功率控制为5kW（即用户得到的功率为95kW）。请你设计两个变压器的匝数比。(1)画出远距离输送电能的线路示意图。(2)降压变压器输出的电流是多少？输电线上通过的电流是多少？(3)输电线上损失的电压是多少？升压变压器输出的电压是多少？(4)两变压器的匝数比各应等于多少？【解析】(1)输电线路示意图如图所示。(2)降压变压器输出的电流即用户得到的电流:I4由P损I＝P(3)输电线上损失的电压为:U线对理想变压器P得升压变压器的输出电压U2降压变压器的输入电压U3(4)根据理想变压器匝数与电压的关系nn33．如图所示，在xOy平面内存在B＝2T的匀强磁场，OA与OCA为固定于竖直平面内的光滑金属导轨，其中OCA满足曲线方程x＝0.5sinSKIPIF1<0y（m），C点的横坐标最大，导轨OA与OCA相交处的O点和A点分别接有体积可忽略的定值电阻R1＝6Ω和R2＝12Ω（图中末画出）。现有一长L＝0.5m、质量m＝0.1kg的金属棒在竖直向上的外力作用下，以v＝2m/s的速度向上匀速运动。金属棒与两导轨接触良好，除电阻R1、R2外其余电阻不计。求：(1)金属棒在导轨上运动时，R2上消耗的最大功率Pmax；(2)外力的最大值Fmax；(3)金属棒滑过导轨OCA的过程中，整个回路上产生的热量Q。【解析】(1)金属棒运动到C点时，接入电路的有效长度最大，产生的感应电动势最大，且最大值为Emax＝Bvxmax其中xmax＝0.5m此时R2上消耗的功率最大，有SKIPIF1<0解得SKIPIF1<0。(2)金属棒相当于电源，外电路中R1、R2并联，其并联电阻为SKIPIF1<0通过金属棒的最大电流为SKIPIF1<0金属棒受到的最大安培力为F安max＝BImaxxmax结合受力平衡条件有Fmax＝F安max+mg解得Fmax＝1.5N。(3)金属棒中产生的感应电动势的瞬时值表达式为SKIPIF1<0（V）该感应电动势的有效值为SKIPIF1<0金属棒滑过导轨OCA所需的时间为SKIPIF1<0式子中SKIPIF1<0又SKIPIF1<0解得Q＝1.25J。4．如图所示为研究远距离输电过程的实验原理图，各电表均看成理想电表，变压器为理想变压器，V3的示数为6V，V1的示数为4V，A1示数为eq\f(1,4)A，A2示数为1A，输电线电阻为16Ω。求：(1)降压变压器的匝数比；(2)升压变压器的匝数比；(3)输电线上的功率损失。【解析】(1)已知I2＝1A，I1＝eq\f(1,4)A根据变压器电流比公式n3∶n4＝I2∶I1可得n3∶n4＝4∶1。(2)因为I1＝eq\f(1,4)A，r＝16Ω所以ΔU＝I1r＝4V由U3∶U4＝n3∶n4可得U3＝24V所以U2＝U3＋ΔU＝28V由U1∶U2＝n1∶n2得：n1∶n2＝1∶7。(3)由ΔP＝SKIPIF1<0可得ΔP＝1W。5．如图所示，MN、PQ是两条水平、平行放置的光滑金属导轨，导轨的右端接理想变压器的原线圈，变压器的副线圈与电阻R＝20Ω组成闭合回路，变压器的原副线圈匝数之比n1∶n2＝1∶10，导轨宽L＝5m。质量m＝2kg、电阻不计的导体棒ab垂直MN、PQ放在导轨上，在水平外力F作用下，从t＝0时刻开始在图示的两虚线范围内做简谐运动，其速度随时间变化的规律是v＝2sin20πt(m/s)。垂直轨道平面的匀强磁场的磁感应强度B＝4T。导轨、导线和线圈电阻不计。求：(1)在ab棒中产生的电动势的表达式，ab棒中产生的是什么电流？(2)电阻R上的热功率P；(3)从t＝0到t1＝0.025s的时间内，通过外力F做功需要外界提供给该装置的能量E。【解析】(1)ab棒的电动势为e＝BLv＝40sin20πt(V)故ab棒中产生的是正弦交流电。(2)设原线圈上电压的有效值为U1，则U1＝SKIPIF1<0V＝20eq\r(2)V设副线圈上电压的有效值为U2，则SKIPIF1<0解得U2＝200eq\r(2)VP＝SKIPIF1<0＝4×103W。(3)该正弦交流电