2017-2018學(xué)年高中物理 第二章 交變電流 6 變壓器學(xué)案 教科版選修3-2.doc

6 變壓器目標定位1.了解變壓器的構(gòu)造及幾種常見的變壓器，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，并運用此規(guī)律解決實際問題.一、變壓器的結(jié)構(gòu)與原理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.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，又叫做初級線圈.(3)副線圈：與負載相連的另一個線圈，又叫做次級線圈.2.變壓器的工作基礎(chǔ)是互感現(xiàn)象，由于互感作用，穿過原、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.3.原、副線圈的地位(1)原線圈在其所處回路中充當(dāng)負載.(2)副線圈在其所處回路中充當(dāng)電源.4.變壓器不改變(填“改變”或“不改變”)交流電的頻率.深度思考(1)把兩個沒有導(dǎo)線相連的線圈套在同一個閉合鐵芯上，一個線圈連接到交流電源的兩端，另一個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？(2)若把交流電源改為蓄電池，小燈泡發(fā)光嗎？圖2答案(1)能.當(dāng)左邊線圈加上交流電壓時，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)電動勢，右線圈作為電源給小燈泡供電，小燈泡就會發(fā)光.(2)不發(fā)光.例1理想變壓器正常工作時，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)電動勢和副線圈的感應(yīng)電動勢答案ABC變壓器能改變交變電壓、交變電流，但不能改變功率和交變電流的頻率.二、理想變壓器的規(guī)律1.理想變壓器的特點(1)變壓器鐵芯內(nèi)無漏磁；無發(fā)熱損失.(2)原副線圈不計內(nèi)阻，即也無能量損失.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.變壓器的變壓關(guān)系(1)只有一個副線圈：.(2)有多個副線圈：4.電流關(guān)系(1)只有一個副線圈時，由U1I1U2I2，得：n1I1n2I2，即(2)當(dāng)有多個副線圈時，由I1U1I2U2I3U3得：n1I1n2I2n3I35.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.(填“U1”或“U2”)(2)功率制約：P出決定P入，這體現(xiàn)了能量守恒的特點.(填“P出”或“P入”)(3)電流制約：輸出電流I2決定輸入電流I1.(填“I1”或“I2”)深度思考變壓器為什么不能改變交流電的頻率？答案因為原、副線圈中的磁通量變化情況相同，所以變壓器不能改變交流電的頻率.例2如圖3所示，理想變壓器原、副線圈匝數(shù)比n1n221，和均為理想電表，燈泡電阻RL6，AB兩端電壓u112sin100t (V).下列說法正確的是()圖3A.電流頻率為100HzB.的讀數(shù)為24VC.的讀數(shù)為0.5AD.變壓器輸入功率為6W解析根據(jù)u112sin100t (V)及U知U112V，f50Hz，選項A錯誤；根據(jù)得U2U112V6V，即的讀數(shù)為6V，選項B錯誤；又I2A1A，即的讀數(shù)為1A，選項C錯誤；根據(jù)P1P2及P2W6W，選項D正確.答案D(1)電壓表、電流表示數(shù)均為有效值.(2)理想變壓器P入P出.(3)變壓器不改變頻率，即原、副線圈電流頻率相等.針對訓(xùn)練如圖4所示，將額定電壓為60V的用電器，通過一理想變壓器接在正弦交變電源上.閉合開關(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220V和2.2A.以下判斷正確的是()圖4A.變壓器輸入功率為484WB.通過原線圈的電流的有效值為0.6AC.通過副線圈的電流的最大值為2.2AD.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P1P2I2U22.260W132W，選項A錯誤；由得，選項D正確；由得I1I22.2A0.6A，選項B正確；根據(jù)I得通過副線圈的電流的最大值I2mI2A，選項C錯誤.例3如圖5所示，理想變壓器三個線圈的匝數(shù)之比為n1n2n31051，其中n1接到220V的交流電源上，n2和n3分別與電阻R2、R3組成閉合回路.已知通過電阻R3的電流I32A，電阻R2110，求通過電阻R2的電流I2和通過原線圈的電流I1.圖5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U2U1220V110V通過電阻R2的電流I2A1A加在R3上的電壓U3U1220V22V根據(jù)輸出功率等于輸入功率得：U1I1U2I2U3I3代入數(shù)據(jù)解得通過原線圈的電流為：I10.7A.答案1A0.7A含多個副線圈的變壓器，電壓仍與匝數(shù)成正比，但電流關(guān)系只能通過功率關(guān)系來判斷.三、電壓互感器和電流互感器1.電壓互感器(1)構(gòu)造：小型降壓變壓器，如圖6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?，通過測量低電壓，計算出高壓電路的電壓.圖62.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，通過測量小電流，計算出被測電路中的大電流.例4普通的交流電流表不能直接接在高壓輸電線路上測量電流，通常要通過電流互感器來連接，如圖7所示，圖中電流互感器ab一側(cè)線圈的匝數(shù)較少，工作時電流為Iab，cd一側(cè)線圈的匝數(shù)較多，工作時電流為Icd，為了使電流表能正常工作，則()圖7A.ab接MN、cd接PQ，IabIcdB.ab接MN、cd接PQ，IabIcdC.ab接PQ、cd接MN，IabIcdD.ab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(1)電壓互感器U1>U2，n1>n2；(2)電流互感器I1>I2，n1<n2.(3)電壓互感器應(yīng)并聯(lián)接入電路，電流互感器應(yīng)串聯(lián)接入電路.1.(變壓器原理分析)關(guān)于理想變壓器的工作原理，以下說法正確的是()A.通有正弦交變電流的原線圈產(chǎn)生的磁通量不變B.穿過原、副線圈的磁通量在任何時候都不相等C.穿過副線圈磁通量的變化使得副線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢D.原線圈中的電流通過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)生的磁場是變化的，由于面積S不變，故磁通量變化，A錯誤；因理想變壓器無漏磁，故B錯誤；由互感現(xiàn)象知C正確；原線圈中的電能轉(zhuǎn)化為磁場能又轉(zhuǎn)化為電能，原、副線圈通過磁場聯(lián)系在一起，故D錯誤.2.(理想變壓器基本規(guī)律的應(yīng)用)如圖8所示為一理想變壓器，原、副線圈匝數(shù)比為201，兩個標有“12V,6W”的燈泡并聯(lián)在副線圈的兩端.當(dāng)兩燈泡都正常工作時，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8A.120V,0.10AB.240V,0.025AC.120V,0.05AD.240V,0.05A答案D解析兩燈泡正常工作，副線圈電壓U212V，副線圈電流I22A1A，根據(jù)匝數(shù)比得原線圈電流I1I20.05A，原線圈電壓U120U2240V，選項D正確.3(理想變壓器基本規(guī)律的應(yīng)用)(多選)如圖9所示，一理想變壓器的原線圈A、B兩端接入電壓為u3sin 314t V的交變電流原線圈匝數(shù)n1100匝，副線圈匝數(shù)n2200匝，則()圖9A將擊穿電壓為6 V的電容器接在C、D兩端，能正常工作B把電磁打點計時器接在C、D兩端，打點周期為0.02 sC把額定電壓為6 V的小燈泡接在C、D兩端，小燈泡能正常工作D把交流電壓表接在C、D兩端時，電壓表讀數(shù)為8.48 V答案BC解析交變電流的周期T0.02 s，有效值U13 V，變壓器不改變交變電流的頻率，故B正確；由，得U2U16 V，變壓器輸出電壓的峰值為6 V，故大于電容器的擊穿電壓，A、D錯誤，C正確4.(互感器的應(yīng)用)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n1n210001，n3n41100，圖中電壓表示數(shù)為220V，電流表示數(shù)為10A，則高壓輸電線的送電功率為()圖10A.2.2103WB.2.2102WC.2.2108WD.2.2104W答案C解析由電流互感器知高壓輸電線中電流I1000A，由電壓互感器知高壓輸電線的電壓U220103V，則高壓輸電線的送電功率PUI2.2108W.題組一變壓器原理分析1(多選)如圖1，理想變壓器原、副線圈分別接有額定電壓相同的燈泡a和b.當(dāng)輸入電壓U為燈泡額定電壓的10倍時，兩燈泡均能正常發(fā)光下列說法正確的是()圖1A原、副線圈匝數(shù)比為91B原、副線圈匝數(shù)比為19C此時a和b的電功率之比為91D此時a和b的電功率之比為19答案AD解析設(shè)燈泡的額定電壓為U0，兩燈均能正常發(fā)光，所以原線圈輸出端電壓為U19U0，副線圈兩端電壓為U2U0，故，根據(jù)，A正確，B錯誤；根據(jù)公式可得，由于小燈泡兩端的電壓相等，所以根據(jù)公式PUI可得，燈泡a和b的電功率之比為19，C錯誤，D正確2.如圖2甲、乙所示的電路中，當(dāng)A、B接有效值為10V的交流電壓時，C、D間電壓的有效值為4V；當(dāng)M、N接10V直流電壓時，P、Q間的電壓也為4V.現(xiàn)把C、D接4V交流電壓，P、Q接4V直流電壓，下列表示A、B間和M、N間電壓的是()圖2A.10V,10VB.10V,4VC.4V,10VD.10V,0答案B解析題圖甲是一個自耦變壓器，當(dāng)A、B作為輸入端，C、D作為輸出端時，是一個降壓變壓器，兩邊的電壓之比等于兩邊線圈的匝數(shù)之比.當(dāng)C、D作為輸入端，A、B作為輸出端時，是一個升壓變壓器，電壓比也等于匝數(shù)比，所以C、D接4V交流電壓時，A、B間將得到10V交流電壓.題圖乙是一個分壓電路，當(dāng)M、N作為輸入端時，上下兩個電阻上的電壓跟它們電阻的大小成正比.但是當(dāng)把電壓加在P、Q兩端時，電流只經(jīng)過下面那個電阻，上面的電阻中沒有電流通過，M、P兩端也就沒有電勢差，即M、P兩點的電勢相等.所以當(dāng)P、Q接4V直流電壓時，M、N兩端的電壓也是4V.如果M、N或P、Q換成接交流電壓，上述關(guān)系仍然成立，因為交流電在純電阻電路中歐姆定律仍然適用.題組二變壓器基本規(guī)律的應(yīng)用3.如圖3所示，一輸入電壓為220V、輸出電壓為36V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220V交流電源上，測得新繞線圈兩端的電壓為1V，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3A.1100,360B.1100,180C.2200,180D.2200,360答案B解析由U1U2U3n1n2n3，可得n1n31100匝，n2n1180匝，B選項正確.4.一臺理想變壓器從10kV的線路中降壓并提供200A的負載電流.已知兩個線圈的匝數(shù)比為401，則變壓器原線圈的電流、輸出電壓及輸出功率是()A.5A,250V,50kWB.5A,10kV,50kWC.200A,250V,50kWD.200A,10kV,2103kW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I1I2200A5A.由知U2U110103V250V，輸出功率P出U2I2250200W50kW.5.(多選)如圖4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u1220sin (100t) V.霓虹燈正常工作的電阻R440k，I1、I2表示原、副線圈中的電流.下列判斷正確的是()圖4A.副線圈兩端電壓為6220V，副線圈中的電流為14.1mAB.副線圈兩端電壓為4400V，副線圈中的電流為10mAC.I1I2D.I1I2答案BD解析原線圈兩端電壓的有效值U1V220V，由變壓比知，U24400V，副線圈中的電流I2A0.01A10mA，原、副線圈中的電流跟匝數(shù)成反比，故I1I2.6.如圖5所示，理想變壓器的原線圈接入u11000sin(100t)V的交變電壓，副線圈通過電阻r6的導(dǎo)線對“220V，880W”的用電器RL供電，該電器正常工作，由此可知()圖5A.原、副線圈的匝數(shù)比為501B.交變電壓的頻率為100HzC.副線圈中電流的有效值為4AD.變壓器的輸入功率為880W答案C解析因為用電器正常工作，可知用電器RL上的電壓是220 V，電流為4 A，C正確；副線圈電壓為244 V，所以原副線圈匝數(shù)比451，A錯誤；變壓器不改變交變電流的頻率，原線圈電壓頻率為50 Hz，副線圈電壓頻率還是50 Hz，B錯誤；變壓器輸入功率等于輸出功率，輸出功率為976 W，所以輸入功率也為976 W，D錯誤.7.(多選)如圖6所示，Q是熔斷電流為1A的保險絲，R為用電器，理想變壓器的原、副線圈的匝數(shù)比為n1n221.原線圈的電壓為u220sin (100t) V.要使保險絲不熔斷，則()圖6A.副線圈電流最大值不超過2AB.副線圈中電流有效值不超過2AC.R的阻值一定不能小于55D.R的阻值一定不能小于77答案BC解析保險絲的原理是電流的熱效應(yīng)，應(yīng)該用電流的有效值.由得：U2U1220V110V.由得：I2I11A2A.所以Rmin55，故B、C正確.8.一理想變壓器原、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隨時間t變化的圖像如圖7所示，副線圈僅接入一個10的電阻.則()圖7A.流過電阻的電流是20AB.與電阻并聯(lián)的電壓表的示數(shù)是100VC.經(jīng)過1min電阻發(fā)出的熱量是6103JD.變壓器的輸入功率是1103W答案D解析設(shè)輸入電壓為U1，輸出電壓為U2，由知U2100V，I2A10A，故選項A、B錯誤；1min內(nèi)電阻產(chǎn)生的熱量QIRt1021060J6104J，故選項C錯誤；P入P出1103W，故選項D正確.9一含有理想變壓器的電路如圖8所示，圖中電阻R1、R2和R3的阻值分別為3 、1 和4 ，為理想交流電流表，U為正弦交流電壓源，輸出電壓的有效值恒定當(dāng)開關(guān)S斷開時，電流表的示數(shù)為I；當(dāng)S閉合時，電流表的示數(shù)為4I.該變壓器原、副線圈匝數(shù)比為()圖8A2 B3 C4 D5答案B解析開關(guān)斷開時，電路如圖甲所示，原、副線圈的電流比，通過R2的電流I2，副線圈的輸出電壓U2I2(R2R3)，由可得原線圈兩端的電壓U15I2，則UU1IR15I23I；開關(guān)閉合時，電路如圖乙所示，原、副線圈的電流比，通過R2的電流I2，副線圈的輸出電壓U2I2R2，由可得原線圈兩端的電壓U14I2，則UU14IR14I212I，聯(lián)立解得3，選項B正確甲乙題組三幾種變壓器的使用10.一自耦變壓器如圖9所示，環(huán)形鐵芯上只繞有一個線圈，將其接在a、b間作為原線圈通過滑動觸頭取該線圈的一部分，接在c、d間作為副線圈，在a、b間輸入電壓為U1的交變電流時，c、d間的輸出電壓為U2，在將滑動觸頭從M點順時針轉(zhuǎn)到N點的過程中()圖9AU2>U1，U2降低 BU2>U1，U2升高CU2<U1，U2降低 DU2<U1，U2升高答案C解析由，n1>n2知U2<U1；滑動觸頭從M點順時針旋轉(zhuǎn)至N點過程，n2減小，則U2降低，C項正確11.(多選)為了監(jiān)測變電站向外輸電情況，要在變電站安裝互感器，其接線如圖10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10A.n1n2B.n3n4C.a為交流電流表，b為交流電壓表D.a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)過變壓器降壓后測量，所以n1n2，a為交流電壓表，右圖為電流互感器，把大電流經(jīng)過變壓器變?yōu)樾‰娏髟贉y量，所以n3n4，b為交流電流表.12.如圖11所示，一臺有兩個副線圈的變壓器，原線圈匝數(shù)n11100匝.接入電壓U1220V的交流電路中.圖11(1)要求在兩個副線圈上分別得到電壓U26V，U3110V，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“6V,20W”、“110V，60W”的兩個用電器，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n2n11100匝30匝n3n11100匝550匝.(2)設(shè)原線圈輸入電流為I1，由P入P出得U1I1U2I2U3I3P2P3所以I1AA.