2019-2020學(xué)年高中物理 第2章 交變電流 第6節(jié) 變壓器學(xué)案 粵教版選修3-2

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1、第六節(jié) 變壓器 [學(xué)習(xí)目標(biāo)] 1.了解變壓器的構(gòu)造,知道什么是理想變壓器.2.理解變壓器的工作原理.(重點(diǎn))3.通過實(shí)驗(yàn)探究,得到電壓、電流與匝數(shù)的關(guān)系.(重點(diǎn))4.能夠利用變壓比、變流比定性和定量分析有關(guān)變壓器的實(shí)際問題.(難點(diǎn)) 一、認(rèn)識(shí)變壓器 1.用途:改變交流電壓的設(shè)備. 2.構(gòu)造:變壓器是由閉合鐵芯和繞在鐵芯上的線圈組成. (1)原線圈:跟電源相連的線圈(也叫初級線圈). (2)副線圈:跟負(fù)載相連的線圈(也叫次級線圈). 3.原理:原線圈中的交變電流在鐵芯中產(chǎn)生交變的磁通量,這個(gè)交變的磁通量不僅穿過原線圈,也穿過副線圈,所以在副線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢.如果在副線圈

2、兩端接入負(fù)載,負(fù)載中就會(huì)有交變電流. 二、理想變壓器原、副線圈基本量的關(guān)系 1.銅損和鐵損 (1)銅損:變壓器的線圈有內(nèi)阻,電流通過時(shí)發(fā)熱所損失的能量. (2)鐵損:鐵芯在交變磁場中反復(fù)磁化,產(chǎn)生渦流,使鐵芯發(fā)熱所損失的能量. 2.理想變壓器:忽略原、副線圈的電阻和各種電磁能量損失的變壓器. 3.電壓與匝數(shù)關(guān)系:原、副線圈的電壓之比等于這兩個(gè)線圈的匝數(shù)之比,即=. 4.功率關(guān)系:原線圈的輸入功率等于副線圈的輸出功率. 5.電流與匝數(shù)關(guān)系:原、副線圈中的電流跟它們的匝數(shù)成反比,即=. 6.兩類變壓器:n2>n1,能使電壓升高的變壓器叫作升壓變壓器;n2

3、器叫作降壓變壓器. 1.思考判斷(正確的打“√”,錯(cuò)誤的打“×”) (1)我們所用的比較好的變壓器就是理想變壓器.(×) (2)理想變壓器的輸入功率和輸出功率相等.(√) (3)輸入交變電流的頻率越高,輸出交變電流的電壓就越高.(×) (4)變壓器能改變所有電流的電壓.(×) (5)我們可以根據(jù)變壓器線圈導(dǎo)線的粗細(xì)判斷其匝數(shù)的多少.(√) 2.(多選)理想變壓器的原、副線圈中一定相同的物理量有(  ) A.交流電的頻率   B.磁通量的變化率 C.功率 D.交流電的峰值 ABC [理想變壓器沒有漏磁,沒有能量損失,所以原、副線圈中磁通量變化率相同,原、副線圈中功率相

4、同,B、C正確;變壓器能改變交流電的峰值但不改變交流電頻率,A正確,D錯(cuò)誤.] 3.一臺(tái)理想變壓器的原線圈接220 V正弦交流電壓時(shí),副線圈上僅接有阻值為10 Ω的電阻,電阻兩端的電壓為44 V.若將副線圈的匝數(shù)增加100匝,則通過副線圈上此電阻的電流增加1.1 A.由此可知該變壓器原線圈的匝數(shù)為(  ) A.200 B.2 000 C.50 D.500 B [由題意知,當(dāng)副線圈匝數(shù)增加100匝時(shí),電阻上的電壓U2′=U2+ΔIR=44 V+1.1×10 V=55 V 又由=,=,可得, =,= 解得n1=2 000,故B正確.] 對變壓器原理的理解

5、 1.變壓器的變壓原理是電磁感應(yīng).如圖所示,當(dāng)原線圈上加交流電壓U1時(shí),原線圈中就有交變電流,它在鐵芯中產(chǎn)生交變的磁通量,在原、副線圈中都會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢.如果副線圈是閉合的,則副線圈中將產(chǎn)生交變的感應(yīng)電流,它也在鐵芯中產(chǎn)生交變磁通量,在原、副線圈中同樣要引起感應(yīng)電動(dòng)勢. 2.由于互感現(xiàn)象,原、副線圈間雖然不相連,電能卻可以通過磁場從原線圈傳遞到副線圈. 3.能量轉(zhuǎn)換方式為原線圈電能→磁場能→副線圈電能. 【例1】 (多選)如圖所示為汽油機(jī)中點(diǎn)火裝置的示意圖,它使用的是12 V直流電源,在變壓器的輸出端卻可得到高達(dá)10 000 V的高壓,開關(guān)是自動(dòng)控制的,欲使副線圈兩端得到一個(gè)高壓

6、,應(yīng)使(  ) A.開關(guān)總處于接通狀態(tài) B.開關(guān)在接通時(shí)斷開 C.開關(guān)在斷開時(shí)接通 D.開關(guān)總處于斷開狀態(tài) BC [欲使副線圈兩端得到一個(gè)高壓,必須使變壓器鐵芯中的磁通量發(fā)生變化,即原線圈中的電流必須發(fā)生變化,只有在開關(guān)閉合、斷開瞬間原線圈中電流才有變化,故選B、C.] (1)變壓器只對變化的電流起作用,對恒定電流不起作用. (2)變壓器的兩個(gè)線圈之間通過磁場聯(lián)系在一起,兩個(gè)線圈間是絕緣的. (3)變壓器不能改變交變電流的頻率. (4)若直流電的電壓是隨時(shí)間變化的,也可以用變壓器改變電壓. 1.如圖所示,甲圖中兩導(dǎo)軌不平行,而乙圖中兩導(dǎo)軌平行,其余物理?xiàng)l件都相同

7、,金屬棒MN正在導(dǎo)軌上向右做勻速運(yùn)動(dòng),在金屬棒運(yùn)動(dòng)過程中,將觀察到(  ) 甲         乙 A.L1、L2都發(fā)光,只是亮度不同 B.L1、L2都不發(fā)光 C.L2發(fā)光,L1不發(fā)光 D.L1發(fā)光,L2不發(fā)光 D [甲圖右側(cè)線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢的大小時(shí)刻變化,在甲圖的右側(cè)線圈中形成變化的電流,能發(fā)生電磁感應(yīng),在左側(cè)線圈和燈L1中產(chǎn)生感應(yīng)電流,燈L1發(fā)光.乙圖右側(cè)線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢恒定不變.在乙圖的右側(cè)線圈中形成恒定不變的電流,不能在左側(cè)線圈和燈L2回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流,燈L2不發(fā)光.正確選項(xiàng)為D.] 理想變壓器的規(guī)律 1.電動(dòng)勢關(guān)系:由于互感現(xiàn)象,且沒有漏磁,原、副線圈中

8、每一匝線圈都具有相同的,根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律有E1=n1,E2=n2,所以=. 2.電壓關(guān)系:由于不計(jì)原、副線圈的電阻,因此原線圈兩端的電壓U1=E1,副線圈兩端的電壓U2=E2,所以=.當(dāng)有n組線圈時(shí),則有:==… 3.功率關(guān)系:對于理想變壓器,不考慮能量損失,P入=P出. 4.電流關(guān)系:由功率關(guān)系,當(dāng)只有一個(gè)副線圈時(shí),I1U1=I2U2,得==.當(dāng)有多個(gè)副線圈時(shí),I1U1=I2U2+I(xiàn)3U3+…得I1n1=I2n2+I(xiàn)3n3+… 5.升壓、降壓變壓器 n1n2 升壓變壓器   降壓變壓器 【例2】 如圖所示,理想變壓器原、副線圈匝數(shù)比為20∶1,兩

9、個(gè)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(shí),原線圈電路中電壓表和電流表(可視為理想的)的示數(shù)分別是 (  ) A.120 V,0.10 A B.240 V,0.025 A C.120 V,0.05 A D.240 V,0.05 A 思路點(diǎn)撥:解答本題時(shí)可按以下思路分析: D [由于燈泡正常發(fā)光,所以U2=12 V, 根據(jù)=解得U1=240 V; 兩個(gè)燈泡均正常發(fā)光,I2=2=1 A, 根據(jù)=解得I1=0.05 A,故D正確.] 1.理想變壓器不改變交變電流的周期和頻率. 2.(1)=,無論副線圈一端是空載還是有負(fù)載,都是適

10、用的. (2)輸出電壓U2由輸入電壓U1和原、副線圈的匝數(shù)比共同決定. 由=得,==. (3)若變壓器有多個(gè)副線圈,有=,=,…,即電壓關(guān)系仍成立. 訓(xùn)練角度1:理想變壓器規(guī)律的應(yīng)用 2.某理想變壓器原、副線圈匝數(shù)比為55∶9,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 V B.原、副線圈中電流之比為55∶9 C.該理想變壓器的輸入、輸出功率之比為55∶9 D.交流電源電壓有效值為220 V,頻率為50 Hz D [由圖象可知電源電壓的有效值U1==220 V,頻率f==50 Hz,D正確;輸出電壓的有效值

11、U2=U1=36 V,故輸出電壓的最大值U2max=36 V,A錯(cuò)誤;由于==,B錯(cuò)誤;理想變壓器的輸入功率與輸出功率相等,C錯(cuò)誤.] 訓(xùn)練角度2:多個(gè)副線圈的理想變壓器 3.如圖所示,理想變壓器原線圈匝數(shù)為n1=1 000匝,兩個(gè)副線圈匝數(shù)分別為n2=50匝和n3=100匝,L1是“6 V 2 W”的燈泡,L2是“12 V  4 W”的燈泡,當(dāng)原線圈接正弦交變電流時(shí),兩燈泡均正常發(fā)光,那么原線圈中的電流為(  ) A. A B. A C. A D. A C [由電壓關(guān)系== 解得U1=120 V, 原線圈的輸入功率為P入=U1I1=PL1+PL2 解得I1= A,C正

12、確.] 理想變壓器動(dòng)態(tài)問題分析 1.電壓制約:當(dāng)變壓器原、副線圈的匝數(shù)比()一定時(shí),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)比()一定,且輸入電壓U1確定時(shí),原線圈中的電流I1由副線圈中的輸出電流I2決定,即I1=. 3.負(fù)載制約:(1)變壓器副線圈中的功率P2由用戶負(fù)載決定,P2=P負(fù)1+P負(fù)2+… (2)變壓器副線圈中的電流I2由用戶負(fù)載及電壓U2確定,I2=; (3)總功率P入=P2,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(dòng)態(tài)分析的兩種常見情況 (1)原、副線圈匝數(shù)比不變,分析各物理量隨負(fù)載電阻變化而

13、變化的情況,進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析的順序是R→I2→P2→P1→I1. (2)負(fù)載電阻不變,分析各物理量隨匝數(shù)比的變化而變化的情況,進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析的順序是n1、n2→U2→I2→P2→P1→I1. 【例3】 如圖所示電路中,變壓器為理想變壓器,a、b接在電壓有效值不變的交流電源兩端,R0為定值電阻,R為滑動(dòng)變阻器.現(xiàn)將變阻器的滑片從一個(gè)位置滑動(dòng)到另一位置,觀察到電流表A1的示數(shù)增大了0.2 A,電流表A2的示數(shù)增大了0.8 A,則下列說法正確的是(  ) A.電壓表V1示數(shù)增大 B.電壓表V2、V3示數(shù)均增大 C.該變壓器起升壓作用 D.變阻器滑片是沿c→d的方向滑動(dòng) 思路點(diǎn)撥:①原副線

14、圈兩端電壓是否變化?②A2增大,說明電阻如何變化?③由==得=,求.④V3示數(shù)的變化根據(jù)U3=U2-I2·R0判斷. D [電壓表V1的示數(shù)和a、b間電壓的有效值相同,滑片滑動(dòng)時(shí)V1示數(shù)不變,選項(xiàng)A錯(cuò)誤;電壓表V2測量的電壓為副線圈兩端的電壓,原、副線圈匝數(shù)不變,輸入電壓不變,故V2示數(shù)不變,V3示數(shù)為V2示數(shù)減去R0兩端電壓,副線圈中電流增大,易知R0兩端電壓升高,故V3示數(shù)減小,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;理想變壓器U1I1=U2I2,則U1ΔI1=U2ΔI2,ΔI2>ΔI1,故U2

15、變壓器動(dòng)態(tài)問題的處理方法 (1)首先抓住三個(gè)制約關(guān)系: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,判定副線圈電流的變化、功率的變化. 訓(xùn)練角度1:負(fù)載變化引起的電路變化分析 4.(多選)如圖所示,理想變壓器原線圈接一交流電源,副線圈回路中有一定值電阻R和兩個(gè)小燈泡L1、L2,最初開關(guān)S是斷開的,現(xiàn)閉合開關(guān)S,則(  ) A.副線圈兩端電壓不變 B.燈泡L1變亮 C.電流表A1示數(shù)變大 D.電阻R中的電流變小 AC [閉合開關(guān)S,副線圈兩端電

16、壓不變,選項(xiàng)A正確;副線圈輸出電流增大,電阻R中的電流變大,燈泡L1兩端電壓降低,燈泡L1變暗,選項(xiàng)B、D錯(cuò)誤;電流表A1示數(shù)變大,選項(xiàng)C正確.] 訓(xùn)練角度2:原副線圈匝數(shù)比變化引起的電路動(dòng)態(tài)問題 5.理想變壓器原線圈接如圖甲所示的正弦交變電壓,變壓器原線圈匝數(shù)n1=270匝,P是副線圈上的滑片,當(dāng)P處于圖乙所示位置時(shí),副線圈連入電路的匝數(shù)n2=135匝,電容器C恰好不被擊穿,燈泡L恰能正常發(fā)光,R是滑動(dòng)變阻器.以下判斷正確的是(  ) 甲       乙 A.若向下移動(dòng)P,電容器的電荷量增加 B.若保持P不動(dòng),向下移動(dòng)R的滑片,燈泡變暗 C.若保持R的滑片不動(dòng),向下移動(dòng)P,燈

17、泡變亮 D.電容器的擊穿電壓為11 V D [原線圈輸入電壓的有效值U1==22 V,當(dāng)P位于題圖乙所示位置,副線圈電壓的有效值為U2=U1=11 V,電容器C恰好不被擊穿,若向下移動(dòng)P,電容器C兩端的電壓減小,有Q=CU可知,電容器所帶的電荷量減小,故A錯(cuò)誤;若保持P不動(dòng),向下移動(dòng)R的滑片,R接入電路的電阻減小,流過燈泡的電流增大,燈泡變亮,故B錯(cuò)誤;若保持R的滑片不動(dòng),向下移動(dòng)P,則副線圈的電壓變小,燈泡變暗,故C錯(cuò)誤;電容器擊穿電壓的最大值U′m=U1=11 V,故D正確.] 課 堂 小 結(jié) 知 識(shí) 脈 絡(luò) 1.互感現(xiàn)象是變壓器的工作基礎(chǔ),變壓器工作時(shí)有能量損失,變壓器的輸

18、出功率與輸入功率之比叫作變壓器的效率.理想變壓器的效率為100%. 2.理想變壓器原、副線圈的電壓與匝數(shù)的關(guān)系為=. 3.如果理想變壓器的副線圈只有一個(gè),則P1=P2,即U1I1=U2I2,得出原、副線圈電流與匝數(shù)的關(guān)系為=. 4.所有變壓器不改變交變電流的頻率,理想變壓器不改變功率. 1.(多選)理想變壓器原、副線圈匝數(shù)之比為10∶1,以下說法中正確的是(  ) A.穿過原、副線圈磁通量之比是10∶1 B.穿過原、副線圈磁通量的變化率相等 C.原、副線圈每一匝產(chǎn)生的電動(dòng)勢瞬時(shí)值之比為10∶1 D.正常工作時(shí),原、副線圈的輸入、輸出功率之比為1∶1 BD [對理想變壓

19、器無磁通量損漏,因而穿過兩個(gè)線圈的交變磁通量相同,磁通量變化率相同,因而每匝線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢相等,電壓與匝數(shù)成正比,選項(xiàng)B正確,A、C錯(cuò)誤;對理想變壓器輸入功率等于輸出功率,D正確.] 2.如圖所示,理想變壓器原、副線圈的匝數(shù)比n1∶n2=4∶1,當(dāng)導(dǎo)體棒在勻強(qiáng)磁場中向左做勻速直線運(yùn)動(dòng)切割磁感線時(shí),電流表A1的示數(shù)是12 mA,則電流表A2的示數(shù)為(  ) A.3 mA      B.0 C.48 mA D.與負(fù)載R的值有關(guān) B [變壓器只能工作于交流電路,不能工作于恒定電壓和恒定電源的電路,導(dǎo)體棒向左勻速切割磁感線時(shí),在線圈n1中通過的是恒定電流,不能引起穿過線圈n2的磁通量

20、變化,在副線圈n2上無感應(yīng)電動(dòng)勢出現(xiàn),所以A2中無電流通過.] 3.如圖為一與電源相接的理想變壓器,原線圈中的電流是I1,副線圈中的電流是I2,當(dāng)副線圈中的負(fù)載電阻變小時(shí) (  ) A.I2變小,I1變小 B.I2變小,I1增大 C.I2增大,I1增大 D.I2增大,I1變小 C [因?yàn)樵褦?shù)不變,所以副線圈電壓不變,當(dāng)電阻變小時(shí),根據(jù)公式I2=,I2增大,又因?yàn)椋剑蛔?,?dāng)I2增大時(shí),I1也增大,所以C正確.] 4.(多選)如圖甲所示的調(diào)壓裝置可視為理想變壓器,負(fù)載電路中R=55 Ω,A、V為理想電流表和電壓表,若原線圈接入如圖乙所示的正弦交變電壓,電壓表的示數(shù)為110 V,下列表述正確的是(  ) 甲        乙 A.電流表的示數(shù)為2 A B.原、副線圈匝數(shù)比為1∶2 C.電壓表的示數(shù)為電壓的有效值 D.原線圈中交變電壓的頻率為50 Hz ACD [由題意可知原線圈電壓為220 V,副線圈電壓為110 V,==,故B選項(xiàng)錯(cuò)誤;由圖乙可知原線圈中的電壓頻率為50 Hz,D選項(xiàng)正確;由副線圈電路可求得電流為2 A,故A選項(xiàng)正確.] - 10 -

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