2018-2019版高中物理 第三章 電磁感應(yīng) 第4講 變壓器學(xué)案 新人教版選修1-1

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1、 第4講 變壓器 [目標(biāo)定位] 1.了解變壓器的構(gòu)造,知道變壓器為什么能夠改變交變電壓.2.由實(shí)驗(yàn)探究總結(jié)變壓器原、副線圈的電壓與兩個(gè)線圈匝數(shù)的關(guān)系.3.了解幾種常見的變壓器類型以及應(yīng)用. 4.體驗(yàn)科學(xué)探究過程,培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析論證能力. 一、變壓器的結(jié)構(gòu) 1.變壓器由鐵芯和繞在鐵芯上的線圈組成. 2.線圈 (1)變壓器的一個(gè)線圈跟前一級(jí)電路連接,叫做原線圈,也叫初級(jí)線圈. (2)另一線圈跟下一級(jí)電路連接,叫做副線圈,也叫次級(jí)線圈. 想一想 圖3-4-1中的燈泡沒有直接與電源連接,為什么能發(fā)光?電能從哪兒來的? 圖3-4-1 答案 變壓器使電能轉(zhuǎn)化為磁場能,又把

2、磁場能轉(zhuǎn)化為電能. 二、變壓器為什么能改變電壓   原線圈中通過電流時(shí),鐵芯中產(chǎn)生磁場,由于交變電流的大小和方向都在不斷變化,鐵芯中磁場的強(qiáng)弱和方向也都在不斷變化.副線圈與原線圈是套在同一個(gè)鐵芯上的,通過副線圈的磁場也在不斷變化,于是就在副線圈內(nèi)產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢. 在同一個(gè)鐵芯上,哪個(gè)線圈的匝數(shù)多,哪個(gè)線圈的電壓就高. 想一想 變壓器能不能改變直流電的電壓? 答案 不能.變壓器是依據(jù)電磁感應(yīng)工作的,因此只能工作在交流電路中.如果變壓器接入直流電路,原線圈中的電流不變,在鐵芯中不引起磁通量的變化,沒有互感現(xiàn)象出現(xiàn),變壓器起不到變壓作用. 一、變壓器的工作原理 1.變壓器工作的基

3、本原理和發(fā)電機(jī)一樣,也是電磁感應(yīng)現(xiàn)象(如圖3-4-2所示). 圖3-4-2 2.當(dāng)原線圈上加交變電壓時(shí),原線圈中就有交變電流,鐵芯中產(chǎn)生交變的磁通量,在原、副線圈中都要引起感應(yīng)電動(dòng)勢,如果副線圈是閉合的,則副線圈中將產(chǎn)生感應(yīng)電流,它也要在鐵芯中產(chǎn)生交變的磁通量,在原、副線圈中同樣要引起感應(yīng)電動(dòng)勢,在原、副線圈中由于有交變電流而發(fā)生互感現(xiàn)象. 3.穿過每匝線圈中的磁通量的變化率是一樣的,因此每匝線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢大小相等,匝數(shù)越多,總感應(yīng)電動(dòng)勢越大. 4.能量轉(zhuǎn)換:變壓器是把電能轉(zhuǎn)化為磁場能,又把磁場能轉(zhuǎn)化為電能的裝置. 例1 下圖中,屬于升壓變壓器且能使燈泡發(fā)光的電路是(  

4、) 答案 C 解析 變壓器不改變直流的電壓,A、D錯(cuò);升壓變壓器的原線圈比副線圈的匝數(shù)少,B錯(cuò),C對(duì). 針對(duì)訓(xùn)練1 對(duì)一正在工作中的變壓器,下列說法正確的是(  ) A.副線圈中的電流是從原線圈中傳過來的 B.鐵芯是用來導(dǎo)電的 C.副線圈中電流變小,原線圈中的電流也一定減小 D.副線圈相當(dāng)于一個(gè)電源 答案 CD 解析 原、副線圈及鐵芯間都是彼此絕緣的,鐵芯是用來導(dǎo)磁的,故A、B錯(cuò);由能量守恒知C正確;副線圈把磁場能轉(zhuǎn)化為電能,給用電器提供電壓電流,相當(dāng)于一個(gè)電源,D正確. 二、變壓器的規(guī)律 1.電壓關(guān)系:設(shè)原線圈匝數(shù)n1,輸入電壓U1,副線圈匝數(shù)n2,輸出電壓U2,則

5、=. (1)n1>n2,是降壓變壓器,用戶附近的變電室內(nèi)的變壓器一般是降壓變壓器. (2)n1

6、A B.0.1 A C.0.5 A D.0.005 A 答案 B 解析 由于=,故U2=·U1=×220 V=11 V,故副線圈電流I2==0.1 A,B對(duì). 針對(duì)訓(xùn)練2 如圖3-4-3所示,一臺(tái)理想變壓器的原、副線圈的匝數(shù)比為n1∶n2=40∶1,在副線圈兩端接有“6 V 40 W”的電燈泡.若燈泡正常發(fā)光,則下列說法中正確的是(  ) 圖3-4-3 A.在原、副線圈中,通過每匝線圈的磁通量時(shí)時(shí)刻刻都相同 B.通過原、副線圈的交變電流的頻率相同 C.變壓器輸入電壓的最大值為240 V D.變壓器的輸入功率為40 W 答案 ABD 解析 由變壓器基本原理可

7、知,理想變壓器原、副線圈中通過每匝線圈的磁通量都相等,通過原、副線圈的交變電流的頻率相同,所以選項(xiàng)A、B正確;因?yàn)闊襞菡0l(fā)光,所以變壓器輸出電壓的有效值為6 V,由電壓關(guān)系可知,原線圈輸入電壓的有效值為240 V,不是最大值,所以選項(xiàng)C錯(cuò)誤;理想變壓器的輸入功率與輸出功率相等,所以變壓器的輸入功率為40 W,選項(xiàng)D正確. 對(duì)變壓器原理的理解 1.下列說法中不正確的是(  ) A.變壓器也可能改變恒定電壓 B.變壓器的原理是一種電磁感應(yīng)現(xiàn)象,副線圈輸出的電流是原線圈電流的感應(yīng)電流 C.變壓器由繞在同一閉合鐵芯上的若干線圈構(gòu)成 D.變壓器原線圈相對(duì)電源而言起負(fù)載作用,而副線圈相對(duì)

8、負(fù)載而言起電源作用 答案 A 解析 變壓器可以改變交變電流的電壓、電流,其工作原理是電磁感應(yīng)現(xiàn)象. 2.如圖3-4-4所示,為變壓器的示意圖,它被用來升高發(fā)電機(jī)的輸出電壓,下列說法中正確的是(  ) 圖3-4-4 A.圖中M是閉合的鐵芯 B.發(fā)電機(jī)應(yīng)與線圈Ⅰ相連,升高后的電壓由c、d兩端輸出 C.電流以鐵芯為通路從一個(gè)線圈流到另一個(gè)線圈 D.變壓器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的 答案 AD 解析 由題知該變壓器為升壓變壓器,所以原線圈匝數(shù)小于副線圈匝數(shù),故Ⅱ?yàn)檩斎攵思唇影l(fā)電機(jī),Ⅰ為輸出端,B錯(cuò)誤;鐵芯提供閉合的磁路,使電能先轉(zhuǎn)化成磁場能,再在副線圈中轉(zhuǎn)化成電能,所以C項(xiàng)錯(cuò)誤,

9、故A、D正確. 變壓器的規(guī)律及應(yīng)用 3.理想變壓器原、副線圈匝數(shù)比為10∶1,以下說法中正確的是(  ) A.穿過原、副線圈每一匝磁通量之比是10∶1 B.穿過原、副線圈每一匝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 答案 BD 解析 對(duì)理想變壓器,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)生感應(yīng)電動(dòng)勢相等,電壓與匝數(shù)成正比;理想變壓器可以忽略熱損耗,故輸入功率等于輸出功率.B、D正確. 4.收音機(jī)中的變壓器,原線圈有1 210匝,接在220 V的交流

10、電源上.要得到5 V、6.3 V和350 V三種輸出電壓,三個(gè)副線圈的匝數(shù)各是多少? 答案 28匝 35匝 1 925匝 解析 根據(jù)變壓比公式可得n副=·n原, 5 V繞組匝數(shù)n1=·n原=×1 210匝≈28匝, 6.3 V繞組匝數(shù)n2=·n原=×1 210匝≈35匝, 350 V繞組匝數(shù)n3=·n原=×1 210匝=1 925匝. (時(shí)間:60分鐘) 題組一、對(duì)變壓器原理的理解 1.下列關(guān)于變壓器的說法中正確的是(   ) A.變壓器是把電能通過磁場能轉(zhuǎn)換成電能的裝置 B.變壓器的原、副線圈組成閉合回路 C.變壓器的鐵芯中產(chǎn)生交變電流 D.變壓器的副線圈中產(chǎn)生直

11、流電 答案 A 2.關(guān)于理想變壓器,下面各說法中正確的是(  ) A.它的輸出功率可以大于它的輸入功率 B.它不僅可以改變交流電壓還可以改變直流電壓 C.原、副線圈兩端的電壓與它們的匝數(shù)成正比 D.原、副線圈的電流與它們的匝數(shù)成正比 答案 C 解析 理想變壓器的輸出功率等于輸入功率,A錯(cuò);變壓器不能改變直流的電壓,B錯(cuò);原、副線圈兩端的電壓與它們的匝數(shù)成正比,通過原、副線圈的電流與它們的匝數(shù)成反比,C正確,D錯(cuò)誤. 3.對(duì)變壓器工作原理,下列說法正確的是(  ) A.變壓器只改變交流電壓 B.變壓器可以改變交流電壓,也可以改變直流電壓 C.變壓器原、副線圈的磁通量變化率

12、相同 D.變壓器副線圈匝數(shù)越多,副線圈上的電壓越小 答案 AC 解析 根據(jù)變壓器的工作原理,變壓器只改變交流電壓,選項(xiàng)A正確,B錯(cuò)誤;原、副線圈磁通量的變化率相同,選項(xiàng)C正確;由E=n,可知D錯(cuò)誤. 4.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 答案 ABC 解析 理想變壓器原、副線圈的功率相等,頻率相同,磁通量相同,磁通量變化率相同. 5.把直流電源接到變壓器的原線圈上,變壓器卻不能改變直流電壓.其原因是(  ) A.沒有磁通量通過原線圈 B.沒有磁通量通過副線圈 C.通過原、副線圈的

13、磁通量沒有變化 D.通過原、副線圈的磁通量不相等 答案 C 解析 直流電的磁場是不變的,所以通過原、副線圈的磁通量就不變,也就沒有在副線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢,故選項(xiàng)C正確. 題組二、變壓器的規(guī)律及應(yīng)用 6.將輸入電壓為220 V、輸出電壓為6 V的變壓器改繞成輸出電壓為24 V的變壓器.已知副線圈原來的匝數(shù)為36匝,現(xiàn)不改變?cè)€圈的匝數(shù),則副線圈應(yīng)增繞的匝數(shù)為(   ) A.144匝 B.108匝 C.180匝 D.540匝 答案 B 解析 由=得n1=n2=×36匝=1 320匝,又=得n2′=n1=×1 320匝=144匝,Δn=n2′-n2=144-36=10

14、8(匝). 7.一臺(tái)理想降壓變壓器從10 kV的線路中降壓并提供200 A的負(fù)載電流.已知兩個(gè)線圈的匝數(shù)比為40∶1,則變壓器的輸出電壓及輸出功率是(  ) A.250 V,50 kW B.10 kV,200 kW C.250 V,200 kW D.10 kV,2×103 kW 答案 A 解析 由=得U2== V=250 V,由理想變壓器功率關(guān)系得P入=P出=U1I1=U2I2=200×250 W=50 kW.故選項(xiàng)A正確. 8.如圖3-4-5所示,理想變壓器原、副線圈的匝數(shù)比n1∶n2=1∶4,在A、B端輸入交流電壓uAB=15 sin (100 πt) V,電流表的示數(shù)

15、為1 A,電路中電流表和電壓表均為理想電表,則(  ) 圖3-4-5 A.交流電的頻率為100 Hz B.電壓表的示數(shù)為60 V C.燈泡L消耗的功率為15 W D.燈泡L的電阻為15 Ω 答案 BC 解析 由交流電的瞬時(shí)表達(dá)式可知交流電的頻率為f==50 Hz,A項(xiàng)錯(cuò)誤;根據(jù)變壓比可知,副線圈輸出電壓為U2=U1=×15 V=60 V,即電壓表的示數(shù)為60 V,B項(xiàng)正確;由變流比可知副線圈中的電流I2=I1=×1 A= A,因此燈泡消耗的功率為P=U2I2= 60× W=15 W,C項(xiàng)正確;燈泡的電阻為R==240 Ω,D項(xiàng)錯(cuò)誤. 9.一臺(tái)理想變壓器,其原線圈2 200

16、匝,副線圈440匝,并接一個(gè)100 Ω的負(fù)載電阻,如圖3-4-6所示. 圖3-4-6 (1)當(dāng)原線圈接在44 V直流電源上時(shí),電壓表示數(shù)為________V,電流表示數(shù)為________A. (2)當(dāng)原線圈接在220 V交流電源上時(shí),電壓表示數(shù)為________V,電流表示數(shù)為________A,此時(shí)輸入功率為________W. 答案 (1)0 0 (2)44 0.44 19.36 解析 (1)原線圈接在直流電源上時(shí),由于原線圈中的電流恒定,所以穿過原、副線圈的磁通量不發(fā)生變化,副線圈兩端不產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢,故電壓表示數(shù)為零,電流表示數(shù)也為零. (2)由=得: U2=U1=220× V=44 V(電壓表讀數(shù)), I2== A=0.44 A(電流表讀數(shù)), P入=P出=I2U2=0.44×44 W=19.36 W. 10.為了安全,機(jī)床上照明電燈用的電壓是36 V,這個(gè)電壓是把220 V的電壓降壓后得到的.如果變壓器的原線圈是1 100匝,能量損失不計(jì),副線圈應(yīng)該是多少匝? 答案 180 解析 對(duì)于理想的變壓器而言,由=得=,故副線圈的匝數(shù)應(yīng)為n2=180 匝. 8

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