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
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6 變壓器 [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(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)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U1＝n1，副線圈匝數(shù)為n2，則U2＝n2，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(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(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U1I1＝U2I2，得：n1I1＝n2I2，即＝ (2)當(dāng)有多個副線圈時，由I1U1＝I2U2＋I(xiàn)3U3＋……得：n1I1＝n2I2＋n3I3＋…… 5.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n1∶n2＝2∶1，和均為理想電表，燈泡電阻RL＝6Ω，AB兩端電壓u1＝12sin100πt (V).下列說法正確的是( ) 圖3 A.電流頻率為100Hz B.的讀數(shù)為24V C.的讀數(shù)為0.5A D.變壓器輸入功率為6W 解析 根據(jù)u1＝12sin100πt (V)及U＝知U1＝12V，f＝＝50Hz，選項A錯誤；根據(jù)＝得U2＝U1＝12V＝6V，即的讀數(shù)為6V，選項B錯誤；又I2＝＝A＝1A，即的讀數(shù)為1A，選項C錯誤；根據(jù)P1＝P2及P2＝＝W＝6W，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4 A.變壓器輸入功率為484W B.通過原線圈的電流的有效值為0.6A C.通過副線圈的電流的最大值為2.2A D.變壓器原、副線圈匝數(shù)比n1∶n2＝11∶3 答案 BD 解析 變壓器的輸入功率P1＝P2＝I2U2＝2.260W＝132W，選項A錯誤；由＝得＝＝，選項D正確；由＝得I1＝I2＝2.2A＝0.6A，選項B正確；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. 例3 如圖5所示，理想變壓器三個線圈的匝數(shù)之比為n1∶n2∶n3＝10∶5∶1，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I3＝2A，電阻R2＝110Ω，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 U2＝U1＝220V＝110V 通過電阻R2的電流I2＝＝A＝1A 加在R3上的電壓U3＝U1＝220V＝22V 根據(jù)輸出功率等于輸入功率得： U1I1＝U2I2＋U3I3 代入數(shù)據(jù)解得通過原線圈的電流為： I1＝0.7A. 答案 1A 0.7A 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)榈碗妷海ㄟ^測量低電壓，計算出高壓電路的電壓. 圖6 2.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7 A.ab接MN、cd接PQ，Iab＜Icd B.ab接MN、cd接PQ，Iab＞Icd C.ab接PQ、cd接MN，Iab＜Icd D.ab接PQ、cd接MN，Iab＞Icd 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，Iab＞Icd，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下載提示(請認(rèn)真閱讀)
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