2019-2020年高中物理 5.5 變壓器學(xué)案 新人教版選修3-2.doc

2019-2020年高中物理 5.5 變壓器學(xué)案 新人教版選修3-2目標(biāo)定位1.了解變壓器的構(gòu)造及幾種常見(jiàn)的變壓器，理解變壓器的工作原理.2.掌握理想變壓器的功率關(guān)系.3.理解變壓器的變壓規(guī)律和變流規(guī)律，并運(yùn)用此規(guī)律解決實(shí)際問(wèn)題一、變壓器的原理1變壓器的結(jié)構(gòu)：如圖1所示，為變壓器的示意圖和在電路圖中的符號(hào)圖1(1)變壓器的構(gòu)造：閉合鐵芯、原線圈(匝數(shù)用n1表示)、副線圈(匝數(shù)用n2表示)輸入電壓是U1，輸出電壓是U2，兩個(gè)線圈都繞在閉合鐵芯上(2)原線圈：與交流電源相連接的線圈，又叫做初級(jí)線圈(3)副線圈：與負(fù)載相連的另一個(gè)線圈，又叫做次級(jí)線圈2變壓器的工作基礎(chǔ)變壓器的工作基礎(chǔ)是互感現(xiàn)象想一想(1)把兩個(gè)沒(méi)有導(dǎo)線相連的線圈套在同一個(gè)閉合鐵芯上，一個(gè)線圈連接到交流電源的兩端，另一個(gè)線圈連接到小燈泡上(如圖2所示)，小燈泡能發(fā)光嗎？為什么？圖2答案能當(dāng)左邊線圈加上交流電壓時(shí)，左邊線圈中就有交變電流，它在鐵芯中產(chǎn)生周期性變化的磁通量，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律知，在左、右線圈中都要產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，右線圈作為電源給小燈泡供電，小燈泡就會(huì)發(fā)光(2)若把交流電源改為蓄電池，小燈泡發(fā)光嗎？答案不發(fā)光二、電壓與匝數(shù)的關(guān)系1理想變壓器：沒(méi)有能量損失的變壓器2電壓與匝數(shù)的關(guān)系：原、副線圈的電壓之比等于兩個(gè)線圈的匝數(shù)之比，即.3降壓變壓器：副線圈的電壓比原線圈的電壓低的變壓器4升壓變壓器：副線圈的電壓比原線圈的電壓高的變壓器一、變壓器“變壓”的原理1變壓器的工作基礎(chǔ)是互感現(xiàn)象，由于互感作用，穿過(guò)原、副線圈的磁通量相等，磁通量的變化率相等，若原線圈匝數(shù)為n1，則U1n1，副線圈匝數(shù)為n2，則U2n2，所以.2變壓器的變壓關(guān)系(1)只有一個(gè)副線圈：.(2)有多個(gè)副線圈：.3原、副線圈的地位(1)原線圈在其所處回路中充當(dāng)負(fù)載(2)副線圈在其所處回路中充當(dāng)電源4變壓器不改變交流電的頻率例1理想變壓器正常工作時(shí)，原、副線圈中一定相同的物理量是()A每匝線圈中磁通量的變化率B交變電流的頻率C原線圈的輸入功率和副線圈的輸出功率D原線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和副線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)答案ABC二、理想變壓器的功率關(guān)系和電流關(guān)系1理想變壓器的特點(diǎn)(1)變壓器鐵芯內(nèi)無(wú)漏磁，無(wú)發(fā)熱損失(2)原副線圈不計(jì)內(nèi)阻，即無(wú)能量損失2理想變壓器的功率關(guān)系從能量守恒看，理想變壓器的輸入功率等于輸出功率，即P入P出3電流關(guān)系(1)只有一個(gè)副線圈時(shí)，有U1I1U2I2，得：n1I1n2I2，即.(2)當(dāng)有多個(gè)副線圈時(shí)，由I1U1I2U2I3U3得：n1I1n2I2n3I3.4電壓、電流、功率的制約關(guān)系(1)電壓制約：輸入電壓U1決定輸出電壓U2.(2)功率制約：P出決定P入，這體現(xiàn)了能量守恒的特點(diǎn)(3)電流制約：輸出電流I2決定輸入電流I1.圖3例2如圖3所示，一理想變壓器原、副線圈的匝數(shù)比為12，副線圈電路中接有燈泡，燈泡的額定電壓為220 V，額定功率為22 W，原線圈電路中接有電壓表和電流表現(xiàn)閉合開(kāi)關(guān)，燈泡正常發(fā)光若用U和I分別表示此時(shí)電壓表和電流表的讀數(shù)，則()AU110 V，I0.2 ABU110 V，I0.05 ACU110 V，I0.2 ADU110 V，I0.2 A解析U2220 V，根據(jù)U1U2n1n2得，U1110 VI20.1 A，根據(jù)I1I2n2n1得I10.2 A所以正確答案是A.答案A針對(duì)訓(xùn)練用220 V的正弦交流電通過(guò)理想變壓器對(duì)一負(fù)載供電，變壓器輸出電壓是110 V，通過(guò)負(fù)載的電流隨時(shí)間變化的圖象如圖4所示，則()圖4A變壓器輸入功率約為3.9 WB輸出電壓的最大值是110 VC變壓器原、副線圈的匝數(shù)比是12D負(fù)載電流的函數(shù)表達(dá)式i0.05sin (100t) A答案A解析變壓器的輸入功率等于輸出功率，等于輸出電壓的有效值與輸出電流的有效值的乘積，所以PUI110 V A3.9 W，A正確；輸出電壓的有效值是110 V，最大值是110 V，所以B錯(cuò)；變壓器原、副線圈匝數(shù)之比是21，C錯(cuò)；負(fù)載電流的函數(shù)表達(dá)式是i0.05sin(100t) A，D錯(cuò)圖5例3如圖5所示，理想變壓器三個(gè)線圈的匝數(shù)之比為n1n2n31051，其中n1接到220 V的交流電源上，n2和n3分別與電阻R2、R3組成閉合回路已知通過(guò)電阻R3的電流I32 A，電阻R2110 ，求通過(guò)電阻R2的電流I2和通過(guò)原線圈的電流I1.解析由變壓器原、副線圈電壓比等于其匝數(shù)比可得，加在R2上的電壓U2 U1220 V110 V通過(guò)電阻R2的電流I2 A1 A加在R3上的電壓U3 U1220 V22 V根據(jù)輸出功率等于輸入功率得：U1I1U2I2U3I3代入數(shù)據(jù)解得通過(guò)原線圈的電流為：I10.7 A.答案1 A0.7 A三、幾種常見(jiàn)的變壓器1自耦變壓器如圖6所示，鐵芯上只繞一個(gè)線圈，低壓線圈是高壓線圈的一部分，既可以作為升壓變壓器使用，也可以作為降壓變壓器使用圖6規(guī)律：，.2電壓互感器(1)構(gòu)造：小型降壓變壓器，如圖7甲所示(2)接法：原線圈并聯(lián)在高壓電路中，副線圈接電壓表；為了安全，外殼和副線圈應(yīng)接地(3)作用：將高電壓變?yōu)榈碗妷海ㄟ^(guò)測(cè)量低電壓，計(jì)算出高壓電路的電壓圖73電流互感器(1)構(gòu)造：小型升壓變壓器，如圖乙所示(2)接法：原線圈串聯(lián)在被測(cè)電路中，副線圈接電流表為了安全，外殼和副線圈應(yīng)接地(3)作用：將大電流變成小電流，通過(guò)測(cè)量小電流，計(jì)算出被測(cè)電路中的大電流例4普通的交流電流表不能直接接在高壓輸電線路上測(cè)量電流，通常要通過(guò)電流互感器來(lái)連接，如圖8所示，圖中電流互感器ab一側(cè)線圈的匝數(shù)較少，工作時(shí)電流為Iab，cd一側(cè)線圈的匝數(shù)較多，工作時(shí)電流為Icd，為了使電流表能正常工作，則()圖8Aab接MN、cd接PQ，IabIcdBab接MN、cd接PQ，IabIcdCab接PQ、cd接MN，IabIcdDab接PQ、cd接MN，IabIcd解析根據(jù)單一副線圈的理想變壓器原理，電流比值等于匝數(shù)比的倒數(shù)，可得ab接MN、cd接PQ，IabIcd，故B正確答案B變壓器原理分析1關(guān)于理想變壓器的工作原理，以下說(shuō)法正確的是()A通有正弦交變電流的原線圈產(chǎn)生的磁通量不變B穿過(guò)原、副線圈的磁通量在任何時(shí)候都不相等C穿過(guò)副線圈磁通量的變化使得副線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)D原線圈中的電流通過(guò)鐵芯流到了副線圈答案C解析通有正弦交變電流的原線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)是變化的，由于面積S不變，故磁通量變化，A錯(cuò)誤；因理想變壓器無(wú)漏磁，故B錯(cuò)誤；由互感現(xiàn)象知C正確；原線圈中的電能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能又轉(zhuǎn)化為電能，原、副線圈通過(guò)磁場(chǎng)聯(lián)系在一起，故D錯(cuò)誤理想變壓器基本規(guī)律的應(yīng)用2理想變壓器正常工作時(shí)，原、副線圈中的電流為I1、I2，電壓為U1、U2，功率為P1、P2，關(guān)于它們之間的關(guān)系，下列說(shuō)法中正確的是()AI1由I2決定BU2與負(fù)載有關(guān)CP1由P2決定 D以上說(shuō)法都不正確答案AC3如圖9所示為一理想變壓器，原、副線圈匝數(shù)比為201，兩個(gè)標(biāo)有“12 V,6 W”的燈泡并聯(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(可視為理想電表)的示數(shù)分別是()圖9A120 V,0.10 A B240 V,0.025 AC120 V,0.05 A D240 V,0.05 A答案D解析兩燈泡正常工作，副線圈電壓U212 V，副線圈電流I22 A1 A，根據(jù)匝數(shù)比得原線圈電流I1I20.05 A，原線圈電壓U120U2240 V，選項(xiàng)D正確互感器的應(yīng)用4如圖10所示，L1和L2是高壓輸電線，甲、乙是兩只互感器，若已知n1n21 0001，n3n41100，圖中電壓表示數(shù)為220 V，電流表示數(shù)為10 A，則高壓輸電線的送電功率為()圖10A2.2103 W B2.2102 WC2.2108 W D2.2104 W答案C解析由電流互感器知高壓輸電線中電流I1 000 A，由電壓互感器知高壓輸電線的電壓U220103 V，則高壓輸電線的送電功率PUI2.2108 W.(時(shí)間：60分鐘)題組一變壓器原理分析1對(duì)理想變壓器作出的判斷正確的是()A高壓線圈匝數(shù)多、電流大、導(dǎo)線粗B低壓線圈匝數(shù)少、電流小、導(dǎo)線細(xì)C高壓線圈匝數(shù)多、電流大、導(dǎo)線細(xì)D低壓線圈匝數(shù)少、電流大、導(dǎo)線粗答案D解析電壓高的匝數(shù)多，電流小，用細(xì)線電壓低的，匝數(shù)少，電流大，用粗線2如圖1所示，理想變壓器原、副線圈的匝數(shù)比為n1n241，當(dāng)導(dǎo)體棒在勻強(qiáng)磁場(chǎng)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()圖1A3 mA B0C48 mA D與負(fù)載R的值有關(guān)答案B解析導(dǎo)體棒向左勻速切割磁感線時(shí)，在原線圈n1中通過(guò)的是恒定電流，不能引起穿過(guò)副線圈n2的磁通量變化，在副線圈n2上無(wú)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)出現(xiàn)，所以A2中無(wú)電流通過(guò)題組二變壓器基本規(guī)律的應(yīng)用3如圖2所示，一輸入電壓為220 V、輸出電壓為36 V的變壓器副線圈燒壞為獲知此變壓器原、副線圈匝數(shù)，某同學(xué)拆下燒壞的副線圈，用絕緣導(dǎo)線在鐵芯上新繞了5匝線圈，然后將原線圈接到220 V交流電源上，測(cè)得新繞線圈兩端的電壓為1 V，按理想變壓器分析，該變壓器燒壞前的原、副線圈匝數(shù)分別為()圖2A1 100,360 B1 100,180C2 200,180 D2 200,360答案B解析由U1U2U3n1n2n3，可得n1n31 100匝，n2n1180匝，B選項(xiàng)正確4如圖3所示是霓虹燈的供電電路圖，變壓器可視為理想變壓器已知變壓器原線圈與副線圈的匝數(shù)比，加在原線圈兩端的電壓為u1311sin (100t) V霓虹燈正常工作的電阻R440 k，I1、I2表示原、副線圈中的電流下列判斷正確的是()圖3A副線圈兩端電壓為6 220 V，副線圈中的電流為14.1 mAB副線圈兩端電壓為4 400 V，副線圈中的電流為10 mACI1I2DI1I2答案BD解析原線圈兩端電壓的有效值U1 V220 V，由變壓比知，U24 400 V，副線圈中的電流I2 A0.01 A10 mA，原、副線圈中的電流跟匝數(shù)成反比，故I1I2.5如圖4所示，理想變壓器的原線圈接入u11 000sin(100t)V的交變電壓，副線圈通過(guò)電阻r6 的導(dǎo)線對(duì)“220 V,880 W”的用電器RL供電，該電器正常工作，由此可知()圖4A原、副線圈的匝數(shù)比為501B交變電壓的頻率為100 HzC副線圈中電流的有效值為4 AD變壓器的輸入功率為880 W答案C解析因?yàn)橛秒娖髡９ぷ?，可知用電器RL上的電壓是220 V，電流為4 A，C正確；副線圈電壓244 V，所以原副線圈匝數(shù)比45，A錯(cuò)誤；變壓器不改變交變電流的頻率，原線圈電壓頻率50 Hz，副線圈電壓頻率還是50 Hz，B錯(cuò)誤；變壓器輸入功率等于輸出功率，輸出功率大于880 W，所以輸入功率也大于880 W，D錯(cuò)誤6如圖5所示，將額定電壓為60 V的用電器，通過(guò)一理想變壓器接在正弦交變電源上閉合開(kāi)關(guān)S后，用電器正常工作，交流電壓表和交流電流表(均為理想電表)的示數(shù)分別為220 V和2.2 A以下判斷正確的是()圖5A變壓器輸入功率為484 WB通過(guò)原線圈的電流的有效值為0.6 AC通過(guò)副線圈的電流的最大值為2.2 AD變壓器原、副線圈匝數(shù)比n1n2113答案BD解析變壓器的輸入功率P1P2I2U22.260 W132 W，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；由得，選項(xiàng)D正確；由得I1I22.2 A0.6 A，選項(xiàng)B正確；根據(jù)I得通過(guò)副線圈的電流的最大值I2mI22.2 A，選項(xiàng)C錯(cuò)誤7一臺(tái)理想變壓器從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401，則變壓器原線圈的電流、輸出電壓及輸出功率是()A5 A,250 V,50 kWB5 A,10 kV,50 kWC200 A,250 V,50 kWD200 A,10 kV,2103 kW答案A解析設(shè)原線圈的輸入電壓、電流、輸入功率分別為U1、I1、P1，副線圈輸出電壓、電流、輸出功率分別為U2、I2、P2，原、副線圈匝數(shù)分別為n1、n2.由知I1I2200 A5 A.由知U2U110103 V250 V，輸出功率P出U2I2250200 W50 kW.8如圖6所示，在某交流電路中，有一正在工作的變壓器，原、副線圈匝數(shù)分別為n1600，n2120，交流電源電壓U1220 V，原線圈中串聯(lián)一個(gè)0.2 A的保險(xiǎn)絲，為保證保險(xiǎn)絲不被燒斷，則()圖6A負(fù)載功率不能超過(guò)44 WB副線圈電流最大值不能超過(guò)1 AC副線圈電流有效值不能超過(guò)1 AD副線圈電流有效值不能超過(guò)0.2 A答案AC解析由P入P出可知P入U(xiǎn)1I144 W又由，得U244 V，故I2不能大于1 A，負(fù)載功率不能超過(guò)44 W.9一理想變壓器原、副線圈匝數(shù)比n1n2115.原線圈與正弦交變電源連接，輸入電壓u隨時(shí)間t變化的圖象如圖7所示，副線圈僅接入一個(gè)10 的電阻則()圖7A流過(guò)電阻的電流是20 AB與電阻并聯(lián)的電壓表的示數(shù)是100 VC經(jīng)過(guò)1 min電阻發(fā)出的熱量是6103 JD變壓器的輸入功率是1103 W答案D解析設(shè)輸入電壓為U1，輸出電壓為U2，由知U2100 V，I2 A10 A，故選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤；1 min內(nèi)電阻產(chǎn)生的熱量QIRt1021060 J6104 J，故選項(xiàng)C錯(cuò)誤；P入P出1103 W，故選項(xiàng)D正確題組三幾種變壓器的使用10自耦變壓器鐵芯上只繞有一個(gè)線圈，原、副線圈都只取該線圈的某部分一升壓式自耦調(diào)壓變壓器的電路如圖8所示，其副線圈匝數(shù)可調(diào)已知變壓器線圈總匝數(shù)為1 900匝，原線圈為1 100匝，接在有效值為220 V的交流電源上當(dāng)變壓器輸出電壓調(diào)至最大時(shí)，負(fù)載R上的功率為2.0 kW.設(shè)此時(shí)原線圈中電流的有效值為I1，負(fù)載兩端電壓的有效值為U2，且變壓器是理想的，則U2和I1分別為()圖8A380 V和5.3 A B380 V和9.1 AC240 V和5.3 A D240 V和9.1 A答案B解析由理想變壓器原、副線圈中電壓、電流及功率關(guān)系可得：，U1I1P2.所以，當(dāng)變壓器輸出電壓調(diào)至最大時(shí)，副線圈的匝數(shù)也最大為n21 900匝，負(fù)載R上的功率也最大，為2.0 kW，則U2U1220 V380 V，I1 A9.1 A，故選項(xiàng)B正確11為了監(jiān)測(cè)變電站向外輸電情況，要在變電站安裝互感器，其接線如圖9所示，兩變壓器匝數(shù)分別為n1、n2和n3、n4，a和b是交流電表，則()圖9An1n2Bn3n4Ca為交流電流表，b為交流電壓表Da為交流電壓表，b為交流電流表答案AD解析由電路連接方式可知，左圖是電壓互感器，把高電壓經(jīng)過(guò)變壓器降壓后測(cè)量，所以n1n2，a為交流電壓表，右圖為電流互感器，把大電流經(jīng)過(guò)變壓器變?yōu)樾‰娏髟贉y(cè)量，所以n3n4 ，b為交流電流表12如圖10所示，一臺(tái)有兩個(gè)副線圈的變壓器，原線圈匝數(shù)n11 100匝接入電壓U1220 V的交流電路中圖10(1)要求在兩個(gè)副線圈上分別得到電壓U26 V，U3110 V，它們的匝數(shù)n2、n3分別為多少？(2)若在兩副線圈上分別接上“6 V,20 W”、“110 V，60 W”的兩個(gè)用電器，原線圈的輸入電流為多少？答案(1)30匝550匝(2) A解析(1)根據(jù)原、副線圈間電壓與匝數(shù)的關(guān)系：由得n2n11 100匝30匝n3n11 100匝550匝(2)設(shè)原線圈輸入電流為I1，由P入P出得U1I1U2I2U3I3P2P3所以I1 A A.