2019-2020學年高中物理 第5章 4 變壓器學案 新人教版選修3-2

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1、4　變壓器 [學習目標]　1.了解變壓器的構(gòu)造及幾種常見的變壓器．　2.理解互感現(xiàn)象和變壓器的工作原理．(重點)　3.掌握理想變壓器的電壓與匝數(shù)的關(guān)系及應(yīng)用．(重點)　4.掌握理想變壓器的功率關(guān)系，并導出原、副線圈中的電流關(guān)系及應(yīng)用．(難點) 一、變壓器的原理 1．變壓器的構(gòu)造 由閉合鐵芯和繞在鐵芯上的兩個線圈組成，如圖所示． (1)原線圈：與交流電源連接的線圈，也叫初級線圈． (2)副線圈：與負載連接的線圈，也叫次級線圈． 2．原理：互感現(xiàn)象是變壓器的工作基礎(chǔ)．原線圈中電流的大小、方向不斷變化，在鐵芯中激發(fā)的磁場也不斷變化，變化的磁場在副線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢． 3

2、．作用：改變交變電流的電壓，不改變交變電流的周期和頻率． 4．注意 (1)變壓器不改變交變電流的周期和頻率． (2)變壓器只對變化的電流起作用，對恒定電流不起作用． (3)變壓器的兩個線圈之間通過磁場聯(lián)系在一起，兩個線圈間是絕緣的． 二、 電壓與匝數(shù)的關(guān)系 1．理想變壓器 (1)定義：沒有能量損失的變壓器． (2)特點 ①變壓器鐵芯內(nèi)無漏磁． ②原、副線圈不計內(nèi)阻，即不產(chǎn)生焦耳熱． ③鐵芯中不產(chǎn)生渦流． 2．原、副線圈的電壓關(guān)系 (1)對理想變壓器，原、副線圈中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)由于不計原、副線圈

3、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＝.當有多組線圈時，則有＝＝＝… 3．兩類變壓器 (1)降壓變壓器：副線圈的電壓比原線圈電壓低的變壓器． (2)升壓變壓器：副線圈的電壓比原線圈電壓高的變壓器． 1．思考判斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”) (1)變壓器只能改變交變電流的電壓，不能改變直流電的電壓． (√) (2)實際生活中，不存在原線圈與副線圈匝數(shù)相等的變壓器． (√) (3)理想變壓器不僅可以改變交變電流的電壓和電流，還可以改變交變電流的功率和頻率． (×) (4)理想變壓器是客觀存在的． (×) (5)＝適用于任何理

4、想變壓器． (√) 2．理想變壓器原、副線圈匝數(shù)比為10∶1，下列說法中正確的是(　　) 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，但穿過每匝線圈的磁通量并不相等 C．原、副線圈每一匝產(chǎn)生的電動勢瞬時值之比為10∶1 D．正常工作時，原、副線圈的輸入、輸出功率之比為1∶1 D　[對理想變壓器，無磁通量損失，因而穿過兩個線圈的磁通量相同，磁通量變化率相同，因而每匝線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢相等，才導致電壓與匝數(shù)成正比，選項A、B、C錯誤；理想變壓器可以忽略各種損耗，故輸入功率等于輸出功率，選項D正確．] 3．如圖所示，理想變壓器原、副線圈的

5、匝數(shù)比為n1∶n2＝4∶1，當導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(　　) A．3 mA　　　　　　　 B．0 C．48 mA D．與負載R的值有關(guān) B　[導體棒向左勻速切割磁感線時，在線圈n1中通過的是恒定電流，不能引起穿過副線圈的磁通量變化，在副線圈上無感應(yīng)電動勢出現(xiàn)，所以A2中無電流通過．] 理想變壓器的基本關(guān)系 1.電壓關(guān)系 U1∶U2∶U3∶…＝n1∶n2∶n3∶…或＝＝＝… 2．功率關(guān)系 輸入功率等于輸出功率，即P入＝P出，U1I1＝U2I2. 3．電流關(guān)系 由功率關(guān)系可知，當只有一

6、個副線圈時，＝＝； 當有多個副線圈時，I1U1＝I2U2＋I3U3＋…，I1n1＝I2n2＋I3n3＋… 4．原、副線圈的交變電流的周期T和頻率f相同． 【例1】　如圖所示，理想變壓器原、副線圈匝數(shù)比n1∶n2＝2∶1，和均為理想電表，燈泡電阻RL＝6 Ω，AB兩端電壓u1＝12sin 100πt(V)．下列說法正確的是(　　) A．電流頻率為100 Hz B.的讀數(shù)為24 V C.的讀數(shù)為0.5 A D．變壓器輸入功率為6 W D　[根據(jù)u1＝12sin 100πt(V)及U＝知U1＝12 V，f＝＝50 Hz，選項A錯誤；根據(jù)＝得U2＝U1＝×12 V＝6 V，即的讀數(shù)

7、為6 V，選項B錯誤；又I2＝＝ A＝1 A，即的讀數(shù)為1 A，選項C錯誤；根據(jù)P1＝P2及P2＝＝ W＝6 W，選項D正確．] 變壓器中提到的電壓關(guān)系、電流關(guān)系、電路中電表的示數(shù)等，指的都是交流電的有效值. 1.如圖所示，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(　　) A．變壓器輸入功率為484 W B．通過原線圈的電流的有效值為0.6 A C．通過副線圈的電流的最大值為2.2 A D．變壓器原、副線圈匝數(shù)比n2∶n1＝11∶

8、3 D　[變壓器的輸入功率P1＝P2＝I2U2＝2.2×60 W＝132 W，選項A錯誤；由＝得＝＝＝，選項D正確；由＝得I1＝I2＝×2.2 A＝8.1 A，選項B錯誤；根據(jù)I＝得通過副線圈的電流的最大值I2m＝I2＝ A，選項C錯誤．] 理想變壓器工作時的制約關(guān)系 1．電壓制約 輸入電壓U1決定輸出電壓U2.當變壓器原、副線圈的匝數(shù)比一定時，輸出電壓U2由輸入電壓U1決定，即U2＝. 2．電流制約 輸出電流I2決定輸入電流I1.當變壓器原、副線圈的匝數(shù)比一定，且輸入電壓U1確定時，原線圈中的電流I1由副線圈中的輸出電流I2決定，即I1＝.而變壓器副線圈中的電流I2由用戶

9、負載及電壓U2確定，即I2＝. 3．功率制約 輸出功率P2決定輸入功率P1.變壓器副線圈中的功率P2由用戶負載決定，即P2＝P負1＋P負2＋….P2增大，P1增大；P2減小，P1減小；P2為零，P1為零． 【例2】　如圖所示，為一理想變壓器，S為單刀雙擲開關(guān)，P為滑動變阻器觸頭，U1為加在原線圈兩端的電壓，I1為原線圈中的電流強度，則以下說法錯誤的是(　　) A．保持U1及P的位置不變，S由a合到b時，I1將增大 B．保持P的位置及U1不變， S由b合到a時，R消耗的功率將減小 C．保持U1不變， S合在a處，使P上滑，I1將增大 D．保持P的位置不變， S合在a處，若U1增大，

10、I1將增大 C　[S由a合到b時，n1減小，由＝可知U2增大，P2＝，P2隨之增大，而P2＝P1，又P1＝U1I1，從而I1增大，A正確； S由b合到a時，與上述情況相反，P2應(yīng)減小，B正確；P上滑時，R增大，因P2＝，所以P2減小，又P1＝P2，P1＝U1I1，從而I1減小，C錯誤；U1增大，由＝可知U2增大，所以P2增大，因而I2增大，由＝，所以I1也增大，D正確．] 　上例中，若保持輸送功率不變，S合在a處，使P上滑時，則U1、I1如何變化？ 提示：由P＝IR知，R增大，I2減小，故I1減?。钟蒔＝U1I1知，U1增大． 兩類理想變壓器的動態(tài)分析問題 (1)原、副線圈

11、匝數(shù)比不變，分析各物理量隨負載電阻變化而變化的情況，進行動態(tài)分析的順序是R→I2→P2→P1→I1. (2)負載電阻不變，分析各物理量隨原、副線圈匝數(shù)比的變化而變化的情況，進行動態(tài)分析的順序是n1、n2→U2→I2→P2→P1→I1. 2.(多選) 如圖所示的電路中，P為滑動變阻器的滑片，保持理想變壓器的輸入電壓U1不變，閉合開關(guān)S，下列說法正確的是(　　) A．P向下滑動時，燈L變亮 B．P向下滑動時，變壓器的輸出電壓不變 C．P向上滑動時，變壓器的輸入電流變小 D．P向上滑動時，變壓器的輸出功率變大 BD　[由于U1保持不變，由＝可知，副線圈的輸出電壓U2不變，B正確；P

12、向下滑動時，燈泡L兩端的電壓為U2，保持不變，燈泡的亮度不變，A錯誤；P向上滑動時，滑動變阻器接入電路的電阻變小，副線圈電路的總電阻R總變小，根據(jù)P2＝可知，變壓器的輸出功率變大，由P1＝U1I1＝P2可知，變壓器的輸入電流增大，C錯誤，D正確．] 變壓器和分壓器 變壓器和分壓器都能起到改變電壓的作用，但二者有著本質(zhì)區(qū)別，如圖所示． 1．變壓器是一種電感性儀器，是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的；而分壓器是一種電阻性儀器，是根據(jù)電阻串聯(lián)分壓原理工作的． 2．變壓器只能改變交流電壓，不能改變直流電壓；而分壓器既可改變交流電壓，也可改變直流電壓． 3．變壓器可以使交流電壓升高或降低；而分壓

13、器不能使電壓升高． 4．對于理想變壓器，電壓與線圈匝數(shù)成正比，即Uab∶Ucd＝n1∶n2；而對于分壓器，電壓與電阻成正比，即Uef∶Ugh＝Ref∶Rgh. 5．若在cd間、gh間分別接入負載電阻R0后，對于變壓器，Ucd不隨R0的變化而變化；而對于分壓器，Ugh將隨R0的增大而增大，隨R0的減小而減小． 6．理想變壓器工作時，穿過鐵芯的磁通量是一定的，線圈兩端的電壓遵循法拉第電磁感應(yīng)定律，兩線圈中存在E1＝n1，E2＝n2.而分壓器工作時，回路電流為定值，遵循歐姆定律，即Uef＝IRef，Ugh＝IRgh. 7．理想變壓器的輸入功率隨輸出功率的變化而變化，且始終相等，即P入＝P出；

14、而分壓器空載時，輸入功率P入＝I2Ref不變． 【例3】　如圖甲、乙所示電路中，當A、B接10 V交變電壓時，C、D間電壓為4 V，M、N接10 V直流電壓時，P、Q間電壓也為4 V．現(xiàn)把C、D間接 4 V交流，P、Q間接 4 V直流，下面哪個選項可表示A、B間和M、N間的電壓(　　) A．10 V　10 V　　　　 B．10 V　4 V C．4 V　10 V D．10 V　0 B　[對于題圖甲，當A、B作為輸入端，C、D作為輸出端時，相當于一個降壓變壓器，兩邊電壓之比等于兩邊線圈的匝數(shù)之比，當C、D作為輸入端，A、B作為輸出端時，相當于一個升壓變壓器，電壓比也等于匝數(shù)比，所以

15、C、D接4 V交流時，A、B間將得到10 V交流．題圖乙是一個分壓電路，當M、N作為輸入端時，上、下兩個電阻上的電壓跟它們的電阻的大小成正比．但是當把電壓加在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，兩端也就沒有電勢差，即M、P兩點的電勢相等．所以當P、Q接4 V直流時，M、N兩端的電壓也是4 V．] 3.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．當變壓器輸出電壓調(diào)至最大時，負載R上的功率為2.0 k

16、W.設(shè)此時原線圈中電流有效值為I1，負載兩端電壓的有效值為U2，且變壓器是理想的，則U2和I1分別約為(　　) A．380 V和5.3 A　　　　 B．380 V和9.1 A C．240 V和5.3 A D．240 V和9.1 A B　[對理想變壓器，原、副線圈功率相同，故通過原線圈的電流I1＝＝ A≈9.1 A，負載兩端電壓即為副線圈電壓，由＝，即＝，可得U2＝380 V，故選項B正確．] 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、導線粗 B．低壓線圈匝數(shù)少、電流小、導線細 C．高壓線圈匝數(shù)多、電流大、導線細 D．低壓線圈匝數(shù)少、電流大、

17、導線粗 D　[電壓高的匝數(shù)多，電流小，用細線．電壓低的匝數(shù)少，電流大，用粗線．] 2．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 C　[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Φ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；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．] 3．(多選)理想變壓器正常工作時，原、副

18、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(　　) A．I1由I2決定　　　　 B．U2與負載有關(guān) C．P1由P2決定 D．以上說法都不正確 AC　[對理想變壓器的電流關(guān)系可寫成I1＝I2，即原線圈中的電流由副線圈中的電流決定；同理，由＝知，副線圈中的電壓由原線圈中的電壓決定；功率關(guān)系為：負載用多少，原線圈端就輸入多少，因此選項A、C正確，B錯誤．] 4．(多選)如圖是一個理想變壓器的示意圖，在它正常工作時關(guān)于其說法正確的是(　　) A．副線圈中的電動勢是因為電磁感應(yīng)而產(chǎn)生的 B．輸送的電能經(jīng)變壓器先轉(zhuǎn)化為磁場能，再轉(zhuǎn)化為電能 C．輸送的電能經(jīng)變壓器先轉(zhuǎn)化為電場能，再轉(zhuǎn)化為電能 D．輸送的電能經(jīng)變壓器的鐵芯直接傳輸過去 AB　[變壓器的原理是原線圈的電流發(fā)生變化，從而引起副線圈中磁通量變化，產(chǎn)生電動勢，故A正確；變壓器電能的輸送是電能經(jīng)變壓器先轉(zhuǎn)化為磁場能，再轉(zhuǎn)化為電能輸送到副線圈電路中，故B正確，C、D錯誤．] - 8 -