2019-2020年高中物理 5.5 變壓器學(xué)案 新人教版選修3-2.doc
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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(fù)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)變壓器的工作基礎(chǔ)是互感現(xiàn)象想一想(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?圖2答案能當(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)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)只有一個副線圈:.(2)有多個副線圈:.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,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(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電流關(guān)系(1)只有一個副線圈時,有U1I1U2I2,得:n1I1n2I2,即.(2)當(dāng)有多個副線圈時,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(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)閉合開關(guān),燈泡正常發(fā)光若用U和I分別表示此時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針對訓(xùn)練用220 V的正弦交流電通過理想變壓器對一負(fù)載供電,變壓器輸出電壓是110 V,通過負(fù)載的電流隨時間變化的圖象如圖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;變壓器原、副線圈匝數(shù)之比是21,C錯;負(fù)載電流的函數(shù)表達式是i0.05sin(100t) A,D錯圖5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電阻R3的電流I32 A,電阻R2110 ,求通過電阻R2的電流I2和通過原線圈的電流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)解得通過原線圈的電流為:I10.7 A.答案1 A0.7 A三、幾種常見的變壓器1自耦變壓器如圖6所示,鐵芯上只繞一個線圈,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^測量低電壓,計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,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,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.(時間:60分鐘)題組一變壓器原理分析1對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)體棒在勻強磁場中向左做勻速直線運動切割磁感線時,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,在原線圈n1中通過的是恒定電流,不能引起穿過副線圈n2的磁通量變化,在副線圈n2上無感應(yīng)電動勢出現(xiàn),所以A2中無電流通過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,副線圈通過電阻r6 的導(dǎo)線對“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244 V,所以原副線圈匝數(shù)比45,A錯誤;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錯誤6如圖5所示,將額定電壓為60 V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通過原線圈的電流的有效值為0.6 AC通過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A錯誤;由得,選項D正確;由得I1I22.2 A0.6 A,選項B正確;根據(jù)I得通過副線圈的電流的最大值I2mI22.2 A,選項C錯誤7一臺理想變壓器從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0.2 A的保險絲,為保證保險絲不被燒斷,則()圖6A負(fù)載功率不能超過44 WB副線圈電流最大值不能超過1 AC副線圈電流有效值不能超過1 AD副線圈電流有效值不能超過0.2 A答案AC解析由P入P出可知P入U1I144 W又由,得U244 V,故I2不能大于1 A,負(fù)載功率不能超過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隨時間t變化的圖象如圖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20 AB與電阻并聯(lián)的電壓表的示數(shù)是100 VC經(jīng)過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A、B錯誤;1 min內(nèi)電阻產(chǎn)生的熱量QIRt1021060 J6104 J,故選項C錯誤;P入P出1103 W,故選項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,負(fù)載R上的功率為2.0 kW.設(shè)此時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,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B正確11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10所示,一臺有兩個副線圈的變壓器,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.- 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