2024-2025学年高考物理主题3电磁场与电磁波初步4交变电流变压器学案必修3

PAGEPAGE134交变电流变压器[学科素养与目标要求]物理观念：1.了解交变电流是怎样产生的.2.了解交变电流的变更规律、图象及描述交变电流的物理量.3.了解变压器的构造，知道变压器变更交变电压的原理.科学探究：1.通过试验，探究交变电流的产生.2.通过试验探究总结变压器原、副线圈的电压和匝数的关系.科学看法与责任：1.了解发电机的独创和交变电流的利用对促进人类社会进步的作用，进一步体会科学、技术与社会生活之间的亲密联系.2.体验科学探究过程，培育试验设计与分析论证实力.一、沟通发电机1.发电原理：由于转子的转动使得穿过线圈的磁通量发生变更，在线圈中产生了感应电动势.2.交变电流：大小、方向随时间做周期性变更的电流，简称沟通.方向不随时间变更的电流叫直流.二、正弦式交变电流的变更规律1.定义：电流、电压随时间按正弦函数的规律变更的沟通电叫做正弦式交变电流，简称正弦式电流.2.图象：正弦图象.3.表达式：i＝Imsinωt，u＝Umsin

ωt，e＝Emsinωt，式中Im、

Um、Em分别是电流、电压、电动势的最大值，叫做沟通的峰值.4.交变电流的周期和频率(1)交变电流完成一次周期性变更所需的时间叫做它的周期，通常用T表示，单位是秒.交变电流在1s内发生周期性变更的次数，叫做它的频率，通常用f表示，单位是赫兹，简称赫，符号是Hz.(2)周期和频率的关系为T＝eq\f(1,f)或f＝eq\f(1,T).5.交变电流的有效值(Ue、Ie)(1)交变电流的有效值是依据电流的热效应来规定的：把沟通和直流分别通过相同的电阻，假如在相同的时间内它们产生的热量相等，我们就把这个直流电压、电流的数值叫做这一沟通的有效值.(2)对正弦式交变电流，其有效值和峰值之间存在着如下的关系：Ie＝eq\f(Im,\r(2))＝0.707ImUe＝eq\f(Um,\r(2))＝0.707Um三、变压器1.变压器的结构(1)变压器由铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成.(2)原、副线圈原线圈：与电源(或前一级电路)连接的线圈叫原线圈(也叫初级线圈).副线圈：与负载(或下一级电路)连接的线圈叫副线圈(也叫次级线圈).2.变压器的工作原理(1)原理电磁感应现象是变压器工作的基础.当原线圈中的电流变更时，在铁芯中就会产生变更的磁场，就会引起副线圈中的磁通量的变更，从而产生感应电动势.(2)变压器的作用：能变更交变电流的电压，不变更交变电流的周期和频率.推断下列说法的正误.(1)交变电流的方向随时间做周期性变更.(√)(2)跟沟通具有相同热效应的直流的值是沟通的有效值.(√)(3)变压器也能变更恒定直流电的电压.(×)(4)当原线圈匝数比副线圈匝数多时，该变压器是升压变压器.(×)一、交变电流的产生1.沟通发电机的组成沟通发电机通常包括固定不动的“定子”和能够连续转动的“转子”.2.发电机原理当闭合线圈在磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动时，穿过线圈的磁通量发生变更，因而在线圈中产生感应电流.线圈做周期性的运动，在线圈中就产生了大小和方向随时间做周期性变更的交变电流.3.发电机的分类(1)旋转电枢式发电机：线圈在磁场中旋转.线圈(电枢)是转子，磁体是定子，如图1甲所示.(2)旋转磁极式发电机：磁体转动，是转子；线圈不动，是定子.如图乙所示.无论线圈转动，还是磁体转动，都是转子的转动使得穿过线圈的磁通量发生变更，在线圈中产生感应电动势.图14.直流电和交变电流(1)直流电：方向不随时间变更的电流，称为直流电，简称直流，用字母“DC”或符号“－”表示.(2)交变电流：大小、方向随时间做周期性变更的电流，称为交变电流，简称沟通，用字母“AC”或符号“～”表示.留意：电流方向随时间做周期性变更，是沟通电的最主要特征，也是沟通电与直流电最主要的区分.例1(多选)如图2所示为沟通发电机的结构和原理示意图，当线圈在磁场中缓慢匀速转动时，视察电流表的指针，可以推断()图2A.指针随着线圈的转动而摇摆，并且线圈转动一周指针左右摇摆一次B.当线圈平面转动到跟磁感线平行时，电流表指针的偏转角最大C.当线圈平面转动到跟磁感线垂直时，电流表指针的偏转角最大D.因线圈的转动是匀速的，则线圈产生的感应电动势和感应电流是周期性的答案ABD解析这是一个旋转电枢式沟通发电机模型，当线圈在磁场中转动时，线圈产生的感应电动势和感应电流都随时间变更，线框转动一周，完成一个周期性变更，对应的指针左右摇摆一次，故选项A正确；当线圈平面跟磁感线平行时，穿过线圈的磁通量为零，但线圈的两条边切割磁感线，此时的速度方向跟磁感线垂直，所以线圈中的感应电动势最大，对应的感应电流也最大，所以B项正确；当线圈平面跟磁感线垂直时，穿过线圈的磁通量最大，但此时速度方向平行于磁感线，线圈中的感应电动势和感应电流均为零，所以选项C错误；因线圈是匀速转动的，那么产生的感应电动势和感应电流就是周期性变更的，故D项正确.例2(多选)下图中属于交变电流的是()答案BC解析依据交变电流的定义推断，大小、方向随时间做周期性变更的电流叫做交变电流，符合此定义的是B、C两图，A、D两图中只是电流的大小变更，方向未变，不符合定义.二、交变电流的变更规律及描述1.正弦式沟通电的变更规律：(1)电流、电压随时间按正弦规律变更.(2)图象为正弦曲线(如图3所示)：图32.描述沟通电的各物理量的关系(1)周期(T)与频率(f)周期与频率互为倒数关系，即T＝eq\f(1,f)或f＝eq\f(1,T).(2)有效值：沟通的有效值是依据电流的热效应规定的：把沟通和直流分别通过相同的电阻，假如在相等的时间里它们产生的热量相等，就把这个直流电压、电流的数值，叫该交变电流的有效值.正弦式沟通电的有效值和峰值(最大值)的关系：I＝eq\f(Im,\r(2))，U＝eq\f(Um,\r(2))，E＝eq\f(Em,\r(2)).3.说明(1)我们通常说家庭电路的电压是220V，是指有效值.各种运用交变电流的电器设备上所标的是额定电压和额定电流的有效值，一般沟通电流表和沟通电压表测量的数值也都是有效值.(2)对电容器来说，其击穿电压值应小于沟通的最大值.(3)以后提到交变电流的数值，凡没有特殊说明的，都是指有效值.例3(多选)一个按正弦函数规律变更的交变电流的e－t图象如图4所示，依据图象可以断定()图4A.交变电流的频率f＝0.2HzB.交变电流电动势的最大值是220eq\r(2)VC.交变电流电动势的有效值是220eq\r(2)VD.把此沟通电接在阻值为100Ω的电阻两端，其发热功率为484W答案BDV，周期为T＝0.02s，所以频率为f＝eq\f(1,T)＝50Hz电阻R的发热功率P＝eq\f(E2,R)＝eq\f(2202,100)W＝484W.[学科素养]本题通过交变电流的图象考查了对交变电流的相识及描述交变电流的物理量间的关系，熬炼了识图、用图的实力和数学学问与物理学问相结合的综合实力，这正是学科素养“科学思维”的体现.例4某一电热器接在U＝110V的直流电源上，每秒产生的热量为Q；现把它改接到沟通电源上，每秒产生的热量为2Q，则该沟通电压的最大值Um是()A.110V B.110eq\r(2)VC.220V D.220eq\r(2)V答案C解析设电热器的电阻为R，当电热器接在U＝110V的直流电源上时，Q＝eq\f(U2,R)t当电热器改接到沟通电源上时，2Q＝eq\f(\f(Um,\r(2))2,R)t联立解得Um＝2U＝220V，故选C.三、变压器的结构及原理1.变压器的结构变压器组成如图5所示：图5(1)线圈：由漆包线绕制而成.原线圈连接前一级电路，副线圈连接下一级电路.(2)铁芯：由硅钢片叠合而成.(3)变压器的符号：如图6所示.图62.变压器的工作原理(1)变压器工作的基本原理和发电机一样，也是电磁感应现象.(2)当原线圈上加交变电压时，原线圈中就有交变电流，铁芯中产生交变的磁通量，假如副线圈是闭合的，则副线圈中将产生感应电流，在原、副线圈中由于有交变电流而发生互感现象.(3)穿过每匝线圈中的磁通量的变更率是一样的，因此每匝线圈中产生的感应电动势大小相等，匝数越多，总感应电动势越大.(4)能量转换：变压器是把电能转化为磁场能，又把磁场能转化为电能的装置.例5下图中，属于升压变压器且能使灯泡发光的电路是()答案C解析变压器不变更直流的电压，A、D错；升压变压器的原线圈比副线圈的匝数少，B错，C对.四、变压器的规律及应用1.变压器的规律(1)电压关系设原线圈匝数n1，输入电压U1，副线圈匝数n2，输出电压U2，则eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2).①n1>n2，是降压变压器，用户旁边的变电室内的变压器一般是降压变压器.②n1<n2，是升压变压器，发电站出来的电压一般要先经过升压变压器升压.(2)频率关系变压器输出电压与输入电压的频率相等.(3)功率关系对于志向变压器，由于不考虑能量损失，由能量守恒得P入＝P出，即P1＝P2.(4)电流关系由P1＝P2，即I1U1＝I2U2，又eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)，所以eq\f(I1,I2)＝eq\f(n2,n1)(适用于只有一个原、副线圈的状况).2.变压器的应用(1)变压器在电器设备中的应用：电器设备接220V沟通电，若工作电压低于220V，则设备内需装降压变压器.若工作电压高于220V，则需装有升压变压器.(2)变压器在高压输电电路中的应用：在输电电路中，为减小输电线路的功率损耗，依据ΔP＝I2R和P＝UI可知需采纳高压输电，在电源一侧采纳升压变压器将电压上升，在用户一侧采纳降压变压器将电压降低，输电线路如图7.图7例6一台志向变压器，其原线圈2200匝，副线圈440匝，并接一个100Ω的负载电阻，如图8所示.图8(1)当原线圈接在44V直流电源上时，志向电压表示数为

V，志向电流表示数为

A.(2)当原线圈接在220V沟通电源上时，志向电压表示数为

V，志向电流表示数为

A，此时输入功率为

W.答案(1)00(2)440.4419.36解析(1)原线圈接在直流电源上时，由于原线圈中的电流恒定，所以穿过原、副线圈的磁通量不发生变更，副线圈两端不产生感应电动势，故电压表示数为零，电流表示数也为零.(2)由eq\f(U2,U1)＝eq\f(n2,n1)得：电压表读数为U2＝U1eq\f(n2,n1)＝220×eq\f(440,2200)V＝44V电流表读数为I2＝eq\f(U2,R)＝eq\f(44,100)A＝0.44AP入＝P出＝I2U2＝0.44×44W＝19.36W.针对训练一台志向变压器，原、副线圈的匝数比n1∶n2＝20∶1，原线圈接入220V的沟通电压，副线圈向一电阻为110Ω的纯电阻用电器供电，则副线圈中的电流为()A.2AB.0.1AC.0.5AD.0.005A答案B解析由于eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)，故U2＝eq\f(n2,n1)·U1＝eq\f(1,20)×220V＝11V，故副线圈电流I2＝eq\f(U2,R)＝0.1A，B对.1.(正弦沟通电的规律)(多选)某交变电流电压的表达式为u＝220eq\r(2)sin(100πt)V，关于这个交变电流的下列说法中正确的是()A.频率为100HzB.电压的有效值为220VC.电压的峰值为311VD.周期为0.05s答案BC解析由表达式可干脆求出电压的峰值Um＝220eq\r(2)V≈311V，有效值Ue＝eq\f(Um,\r(2))＝220V，故B、C选项正确；因ω＝100πrad/s，故交变电流的周期T＝eq\f(2π,ω)＝0.02s，频率f＝eq\f(1,T)＝eq\f(1,0.02)Hz＝50Hz，故A、D选项错误.2.(描述交变电流的物理量)(多选)下列说法正确的是()A.运用沟通电的用电器设备所标示的额定电压、额定电流的数值均为最大值B.用沟通电流表和沟通电压表测得的数值是有效值C.照明电路电压为220V指的是有效值D.耐压值为220V的电容器可以干脆接在220V照明电路上答案BC解析各种运用沟通电的用电器铭牌上所标的数值均为有效值，故A项错误；沟通电表测量值为有效值，故B项正确；照明电路电压为220V是有效值，故C项正确；照明电路电压的有效值为220V，最大值为220eq\r(2)V≈311V，大于电容器的耐压值，故D项错误.3.(变压器的规律)一台志向降压变压器从10kV的线路中降压并供应200A的负载电流.已知两个线圈的匝数比为40∶1，则变压器的输出电压及输出功率是()A.250V,50kW B.10kV,200kWC.250V,200kW D.10kV,2×103kW答案A解析由eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)得U2＝eq\f(U1n2,n1)＝eq\f(10×103×1,40)V＝250V，P出＝U2I2＝200×250W＝50kW，故选项A正确.4.(变压器的规律)如图9所示的志向变压器，它的原线圈接在沟通电源上，副线圈接一个标有“12V100W”的灯泡，已知变压器原、副线圈的匝数比为18∶1，那么小灯泡正常工作时，图中的志向沟通电压表的读数为

V，志向沟通电流表的读数为

A.图9答案2160.46解析两电表的读数均为原线圈的电压和电流的有效值.由公式eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)得U1＝eq\f(n1,n2)U2＝18×12V＝216V，由公式eq\f(I1,I2)＝eq\f(n2,n1)得I1＝eq\f(n2,n1)I2＝eq\f(1,18)×eq\f(100,12)A≈0.46A.一、选择题考点一沟通电的理解1.(多选)关于交变电流与直流电的说法中，正确的是()A.假如电流大小做周期性变更，则肯定是交变电流B.直流电的大小可以变更，但方向肯定不变C.交变电流肯定是按正弦或余弦规律变更的D.交变电流的最大特征就是电流的方向发生周期性变更答案BD2.(多选)关于沟通发电机，下列说法正确的是()A.基本构造分定子、转子两部分B.必需是线圈转动C.电流方向变更的缘由是线圈切割磁感线运动的方向变了D.电流大小变更的缘由是线圈转的时快时慢答案AC考点二沟通电的描述3.如图1所示的电路中，已知沟通电源电压u＝200sin(100πt)V，电阻R＝100Ω，则志向沟通电流表和志向沟通电压表的示数分别为()图1A.1.41A200V B.1.41A141VC.2A200V D.2A141V答案B解析由沟通电压的表达式知电压的峰值是200V，而电压表的示数为有效值Ue＝eq\f(200,\r(2))V≈141V，电流表的示数为有效值Ie＝eq\f(Ue,R)＝eq\f(141,100)A＝1.41A，故B项正确.4.如图2所示是一正弦交变电流的电流图象，此正弦交变电流的频率和电流的有效值分别为()图2A.50Hz,10eq\r(2)AB.50Hz,5eq\r(2)AC.100Hz,10eq\r(2)AD.100Hz,5eq\r(2)A答案B解析由题图象可知此沟通电的周期T＝0.02s，故频率f＝eq\f(1,T)＝50Hz；由题图图象可知此沟通电电流的最大值为10A，故其有效值为eq\f(10,\r(2))A＝5eq\r(2)A.5.(多选)在相同的时间内，某正弦交变电流通过一阻值为100Ω的电阻产生的热量，与一电流为3A的直流电通过同一阻值的电阻产生的热量相等，则()A.此交变电流的有效值为3A，峰值为3eq\r(2)AB.此交变电流的有效值为3eq\r(2)A，峰值为6AC.电阻两端沟通电压的有效值为300V，峰值为300eq\r(2)VD.电阻两端沟通电压的有效值为300eq\r(2)V，峰值为600V答案AC解析依据有效值的定义知，交变电流的有效值即为等效直流电的电流值，为3A；依据正弦式交变电流峰值与有效值的关系，得交变电流的峰值为3eq\r(2)A，依据欧姆定律，得沟通电压的有效值Ue＝IeR＝3×100V＝300V，峰值Um＝ImR＝3eq\r(2)×100V＝300eq\r(2)V.6.一只“220V100W”的灯泡接在u＝311sin(314t)V的沟通电源上，则下列说法中错误的是()A.通过灯泡的电流为0.64AB.与灯泡串联的志向沟通电流表示数为0.45AC.灯泡能正常发光D.与灯泡并联的志向沟通电压表示数为220V答案A解析该沟通电源的有效值为U＝eq\f(Um,\r(2))＝eq\f(311,\r(2))V≈220V，选项D正确；通过灯泡的电流为I＝eq\f(U,R)＝eq\f(220,\f(2202,100))A≈0.45A，选项A错误，选项B正确；灯泡的额定电流为I＝eq\f(P,U)＝eq\f(100,220)A≈0.45A，与实际电流相等，所以灯泡能正常发光，选项C正确.考点三变压器7.关于志向变压器，下面各说法中正确的是()A.它的输出功率可以大于它的输入功率B.它不仅可以变更沟通电压还可以变更直流电压C.原、副线圈两端的电压与它们的匝数成正比D.原、副线圈的电流与它们的匝数成正比答案C解析志向变压器的输出功率等于输入功率，A错；变压器不能变更直流电压，B错；原、副线圈两端的电压与它们的匝数成正比，通过原、副线圈的电流与它们的匝数成反比，C对，D错.8.把直流电源接到变压器的原线圈上，变压器却不能变更直流电压.其缘由是()A.没有磁通量通过原线圈B.没有磁通量通过副线圈C.通过原、副线圈的磁通量没有变更D.通过原、副线圈的磁通量不相等答案C解析直流电的磁场是不变的，所以通过原、副线圈的磁通量就不变，也就不能在副线圈上产生感应电动势，故C选项正确.9.有一台志向变压器，已知副线圈有400匝.现把原线圈接到220V的沟通电的线路中，测得副线圈的电压是55V，则原线圈的匝数为()A.100匝B.25匝C.1600匝D.110匝答案C解析由eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)得eq\f(220V,55V)＝eq\f(n1,400)，所以n1＝1600匝.10.如图3所示，一志向变压器原、副线圈的匝数比为1∶2；副线圈电路中接有灯泡，灯泡的额定电压为220V，额定功率为22W；原线圈电路中接有电压表和电流表(均为志向电表).现闭合开关，灯泡正常发光.若用U和I分别表示此时电压表和电流表的读数，则()图3A.U＝110V，I＝0.2AB.U＝110V，I＝0.05AC.U＝110eq\r(2)V，I＝0.2AD.U＝110eq\r(2)V，I＝0.2eq\r(2)A答案A解析副线圈中的电压、电流分别为220V、0.1A.依据电压、电流与线圈匝数的关系可知原线圈中的电压、电流分别为110V、0.2A.11.(多选)如图4所示，志向变压器原、副线圈的匝数比n1∶n2＝1∶4，在A、B端输入沟通电压uAB＝15eq\r(2)sin(100πt)V时，电流表的示数为1A，电路中电流表和电压表均为志向电表，则()图4A.沟通电的频率为100HzB.电压表的示数为60VC.灯泡L消耗的功率为1