2024-2025学年高中物理第五章交变电流4变压器学案新人教版选修3-2

PAGE11-变压器1．变压器的原理(1)定义在交变电流的传输过程中，能上升电压或降低电压的设备．(2)构造由闭合的铁芯和绕在铁芯上的两个或两个以上的线圈构成．①原线圈：与电源相连的线圈，也叫初级线圈，其两端电压叫输入电压．②副线圈：与负载相连的线圈，也叫次级线圈，其两端电压叫输出电压．(3)原理互感现象是变压器的工作基础．原线圈中电流的大小、方向不断变更，在铁芯中激发的磁场也不断变更，变更的磁场在副线圈中产生感应电动势．(4)作用变更交变电流的电压，不变更交变电流的周期和频率．为什么恒定电流不能利用变压器变压？提示：通过电磁感应产生互感现象是变压器的工作基础，而恒定电流产生恒定磁场，不产生电磁感应现象，所以无法对直流电变压．2．变压器的电压、电流与匝数的关系(1)探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系①在该试验中，要探究的物理量是四个，即输入电压、输出电压、原线圈匝数和副线圈匝数，因此为了搞清关系，应当用限制变量法．②猜想：线圈两端的电压与其匝数可能有什么关系？原、副线圈的匝数对副线圈两端的电压是否都有影响？③设计试验方案：限制变量，分别探究．先保持原线圈的匝数不变，变更副线圈的匝数，探讨对输出电压的影响；然后，再保持副线圈的匝数不变，变更原线圈的匝数，探讨对输出电压的影响．④进行试验，记录数据．⑤分析数据，得出结论：原副线圈的电压之比，等于两个线圈的匝数之比．(2)志向变压器电压跟匝数的关系：eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)(表达式)．(3)志向变压器电流跟匝数的关系：eq\f(I1,I2)＝eq\f(n2,n1)(适用于只有一个副线圈的变压器)．(4)功率关系：对志向变压器而言，输入功率等于输出功率．3．互感器(1)电压互感器：是大匝数比的降压变压器，把高电压变为低电压，用来测量沟通高电压，应并联在电路中．(2)电流互感器：是大匝数比的升压变压器，把大电流变为小电流，用来测量沟通大电流，应串联在电路中．考点一志向变压器的特点及工作原理1．构造变压器由一个闭合的铁芯、原线圈和副线圈组成，两个线圈都是由绝缘导线绕制而成的，铁芯由涂有绝缘漆的硅钢片叠合而成，是用来变更沟通电压的装置(单相变压器的构造示意图及电路图中的符号分别如图甲、乙所示)．2．工作原理变压器的变压原理是电磁感应．如图所示，当原线圈上加沟通电压U1时，原线圈中就有交变电流，它在铁芯中产生交变的磁通量，在原、副线圈中都要产生感应电动势．假如副线圈是闭合的，则副线圈中将产生交变的感应电流，它也在铁芯中产生交变磁通量，在原、副线圈中同样要引起感应电动势．由于互感现象，原、副线圈间虽然不相连，电能却可以通过磁场从原线圈传递到副线圈．其能量转换方式为原线圈电能→磁场能→副线圈电能．3．志向变压器的志向化条件(1)忽视原、副线圈的内阻；(2)忽视原、副线圈磁通量的差别；(3)忽视变压器自身的能量损耗，即忽视变压器原、副线圈电路的功率因素的差别．1变压器只对变更的电流起作用，对恒定电流不起作用；2变压器的两个线圈之间通过磁场联系在一起，两个线圈间是绝缘的；3变压器不能变更交变电流的频率；4若直流电的电压是随时间变更的，也可以用变压器变更电压；5原、副线圈的感抗均趋于无穷大，从而空载电流趋于0.【例1】[多选]关于志向变压器的工作原理，以下说法正确的是()A．通以正弦式交变电流的原线圈产生的磁通量不变B．穿过原、副线圈的磁通量在任何时候都相等C．穿过副线圈的磁通量的变更使得副线圈产生了感应电动势D．原线圈中的电流通过铁芯流到了副线圈中原线圈中的交变电流所产生的变更磁场，除穿过原线圈之外，也穿过副线圈，在两个线圈中都能产生电磁感应现象．[答案]BC[解析]通入交变电流时，原线圈产生的磁通量是变更的，故A错误；原、副线圈在同一铁芯上，没有漏磁，磁通量相等，故B正确；由电磁感应现象，磁通量变更引起感应电动势，故C正确；副线圈中的电流是由于磁通量变更引起的，故D错误．如图所示为一种变压器的铭牌图，依据其铭牌上所供应的信息，以下推断正确的是(B)A．这是一个升压变压器B．原线圈的匝数比副线圈的匝数多C．当原线圈输入沟通电压220V时，副线圈输出直流电压12VD．当原线圈输入沟通电压220V、副线圈接负载时，副线圈中电流比原线圈中电流小解析：依据铭牌上所供应的信息可知：变压器的输入电压为220V，输出电压为12V，该变压器为降压变压器，故选项A错误，B正确；变压器的工作原理是电磁感应，故变压器的原、副线圈上的电压都为沟通电压，选项C错误；由志向变压器的输出功率等于输入功率，且原线圈的电压大于副线圈的电压，故副线圈接负载时，副线圈中电流比原线圈中电流大，选项D错误．考点二1．志向变压器的三种基本关系表达名称规律表示依据备注电压关系eq\f(U1,n1)＝eq\f(U2,n2)＝eq\f(U3,n3)…E＝neq\f(ΔΦ,Δt)适用于一个原线圈、一个或多个副线圈的状况功率关系P入＝P出能量守恒适用于志向变压器电流关系eq\f(I1,I2)＝eq\f(n2,n1)U1I1＝U2I2适用于一个原线圈、一个副线圈n1I1＝n2I2＋n3I3＋…U1I1＝U2I2＋U3I3＋…适用于一个原线圈、多个副线圈2.变压器工作时的制约关系(1)电压制约：当变压器原、副线圈的匝数比eq\f(n1,n2)肯定时，输出电压U2由输入电压U1确定，即U2＝eq\f(n2U1,n1).(2)电流制约：当变压器原、副线圈的匝数比eq\f(n1,n2)肯定时，且输入电压U1确定时，原线圈中的电流I1由副线圈中的输出电流I2确定，即I1＝eq\f(n2I2,n1).(3)功率制约：P2确定P1，P2增大，P1增大；P2减小，P1减小；P2为0，P1为0.【例2】如图所示，志向变压器的原线圈接入u＝11000eq\r(2)sin100πt(V)的交变电压，副线圈通过电阻r＝6Ω的导线对“220V,880W”的电器R供电，该电器正常工作．由此可知()A．原、副线圈的匝数比为501B．交变电压的频率为100HzC．副线圈中电流的有效值为4AD．变压器的输入功率为880W本题可按以下思路进行求解：(1)由交变电压的瞬时值表达式可知原线圈两端电压的频率和有效值；(2)由电器R正常工作，可知副线圈中电流的有效值和副线圈两端电压的有效值；(3)由功率关系P入＝P出可求变压器的输入功率．[答案]C[解析]原线圈接入电压u＝11000eq\r(2)sin100πt(V)，输入电压的有效值U1＝11000V，已知“220V,880W”的电器正常工作，则副线圈中的电流为I2＝eq\f(PR,UR)＝4A，副线圈两端的电压为U2＝I2r＋UR＝4×6V＋220V＝244V，原、副线圈的匝数比eq\f(n1,n2)＝eq\f(U1,U2)＝eq\f(11000,244)＝eq\f(2750,61)，选项A错误，C正确；交变电压的频率f＝eq\f(ω,2π)＝eq\f(100π,2π)Hz＝50Hz，选项B错误；变压器的输入功率P入＝P出＝PR＋Pr＝880W＋42×6W＝976W，选项D错误．总结提能变压器工作时的制约关系：(1)电压：当变压器的原、副线圈的匝数比(n1n2)肯定时，输出电压U2由输入电压U1确定，即U2＝eq\f(n2,n1)U1.(2)电流：当变压器的原、副线圈的匝数比(n1n2)肯定，且输入电压U1肯定时，原线圈中的电流I1由副线圈中的电流I2确定，即I1＝eq\f(n2,n1)I2.(3)功率：志向变压器的输入功率和输出功率相等，即P1＝P2，输出功率P2确定输入功率P1.[多选]如图所示是通过变压器为一精密仪器供电的电路，仪器两端的电压可通过示波器显示出来，电路中的变压器可视为志向变压器．已知示波器显示的电压U2＝31.1sin100πtV，变压器原线圈与副线圈的匝数比eq\f(n1,n2)＝eq\f(10,1)，若仪器可以看成纯电阻电路，其工作时的电阻R＝44Ω，I1、I2表示原、副线圈中的电流，则下列推断正确的是(BD)A．原线圈两端电压为311V，原线圈中的电流为70.7mAB．原线圈两端电压为220V，原线圈中的电流为50mAC．原线圈所接沟通电源的频率为100HzD．原线圈所接沟通电源的频率为50Hz解析：依据题目给出的副线圈输出电压的变更规律可知，副线圈两端的电压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错误，B正确．变压器原、副线圈中交变电流的频率相等，均为50Hz，故C错误，D正确．【例3】[多选]如图所示，志向变压器原线圈接有沟通电源，当副线圈上的滑片P处于图示位置时，灯泡L能发光．要使灯泡变亮，可以实行的方法有()A．向下滑动P B．增大沟通电源的电压C．增大沟通电源的频率 D．减小电容器C的电容解答本题时应把握以下两点：(1)变压器只变更交变电流的电压和电流，不变更交变电流的频率；(2)电容器的容抗与交变电流的频率以及电容器的电容有关，与其他因素无关．[答案]BC[解析]向下滑动P时，副线圈的匝数变少，由志向变压器的电压关系可知，副线圈两端的电压变小，灯泡变暗，选项A错误；增大沟通电源的电压，由志向变压器的电压关系可知，副线圈两端的电压增大，灯泡变亮，选项B正确；电压不变，增大沟通电源的频率，电容器的容抗减小，电路中的电流变大，灯泡变亮，选项C正确；减小电容器的电容，电容器的容抗增大，电路中的电流减小，灯泡变暗，选项D错误．总结提能本题考查变压器电路的动态分析和电容器的容抗，意在考查考生对变压器规律的驾驭状况及对电容器容抗的理解．如图所示，志向变压器原线圈输入电压u＝Umsinωt，副线圈电路中R0为定值电阻，R是滑动变阻器，和是志向沟通电压表，示数分别用U1和U2表示；和是志向沟通电流表，示数分别用I1和I2表示．下列说法正确的是(C)A．I1和I2表示电流的瞬时值B．U1和U2表示电压的最大值C．滑片P向下滑动过程中，U2不变，I1变大D．滑片P向下滑动过程中，U2变小，I1变小解析：沟通电压表和沟通电流表测量的是有效值，选项A、B错误；滑片P向下滑动时，滑动变阻器接入电路中的电阻减小，副线圈负载电阻减小，因为原、副线圈的匝数比不变，所以U1、U2不变，因I2＝eq\f(U2,R＋R0)，所以I2变大，又U1I1＝U2I2，所以I1变大，故选项C正确，D错误．1．如图所示，为四种亮度可调的台灯的电路示意图，它们所用白炽灯泡相同，且都是“220V,40W”，当灯泡所消耗的功率都调于20W时，哪种台灯消耗的功率最小(C)解析：C图为志向变压器调整，而志向变压器不消耗能量，A、B、D三图中均利用电阻来调整灯泡上的电压，故肯定要消耗能量．2．有一电子线路中运用的小变压器，变压比为220V/6V，由于运用时间长了分不清原、副线圈，其外形如图所示，现要作为降压变压器运用，则电源(220V)应接在(B)A．ab两端 B．cd两端C．ac两端 D．bd两端解析：本题考查变压器的电流关系．由变压器结构原理可知，线圈中的电流越大，应当用越粗的导线，在降压变压器中，原线圈的匝数多于副线圈的匝数，即n1>n2，又eq\f(I1,I2)＝eq\f(n2,n1)，所以I2>I1，说明通过电流大的(I2)线圈应是副线圈，导线相应要粗些，由图知，ab线较粗，故输入电压(220V)应接cd两端．故正确答案为B.3．如图所示，志向变压器原、副线圈上接有四个完全相同的灯泡，若四个灯泡恰好都能正常发光，则下列说法正确的是(B)A．U1U2＝34B．U1U2＝43C．若将L1短路，则副线圈的三个灯泡仍能正常发光D．若将L2短路，则副线圈的两个灯泡两端的电压变为额定电压的eq\f(3,2)倍解析：设灯泡的额定电压为U，额定电流为I，则副线圈电压为3U，电流为I，原线圈的灯泡正常发光，电流也为I，所以原、副线圈的匝数比为11，原线圈两端电压为3U，所以U1U2＝43，选项A错误，B正确；若将L1短路，则原线圈的电压增大，则副线圈两端电压也增大，三个灯泡不能正常发光，选项C错误；若将L2短路，设副线圈的电流为I′，原线圈的电流也为I′，因此2I′R＋I′R＝U1＝4U，则I′R＝eq\f(4,3)U，即副线圈的每个灯泡两端的电压变为额定电压的eq\f(4,3)，选项D错误．4．用电高峰期，电灯往往会变暗，其原理可简化为如下物理问题，如图所示，志向变压器副线圈上，通过输电线连接两只相同的灯泡L1和L2，输电线的等效电阻为R，原线圈输入有效值恒定的沟通电压，当开关S闭合时，以下说法中正确的是(B)A．原线圈中的电流减小 B．R两端的电压增大C．原线圈输入功率不变 D．副线圈输出的电压减小解析：开关S闭合，用户端阻值变小，用户端干路电流增大，则原线圈中电流变大，原线圈输入功率变大，选项A、C均错误；用户端干路电流增大，则输电线R上电压损失变大，选项B正确；由于原电压及匝数比不变，故副线圈输出电压不变，选项D错误．5．如图所示，一个变压器(可视为志向变压器)的原线圈接在220V的市电上，向额定电