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4.2 变压器 学案(2020年鲁科版高中物理选修3-2)

1、第第 2 节节 变压器变压器 学习目标 核心提炼 1.知道变压器的构造及几种常见的变 压器,理解变压器的工作原理。 2 个线圈原线圈、副线圈 3 个关系功率关系:P1 P2、电压关系:U1 U2 n1 n2、 电流关系:I1 I2 n2 n1 3 种常见变压器自耦变压 器、电压互感器、电流互感器 2.通过实验探究理想变压器的原、副 线圈中电压、电流与匝数的关系。 3.了解变压器在生活中的应用。 4.了解理想化模型在物理学研究中的 重要性。 一、变压器的结构 阅读教材第 6869 页,知道变压器的一般结构。 1.构造:主要由闭合的铁芯和绕在铁芯上的两个或两个以上的线圈(绕 组)组成。 2.物理量

2、:(1)与电源相连的线圈叫原线圈(初级线圈),与负载相连的 线圈叫副线圈(次级线圈)。 (2)原线圈两端的电压叫输入电压,用符号 U1表示;副线圈两端的电 压叫输出电压,用符号 U2表示。 3.分类:按输出电压的升降,变压器分为升压变压器和降压变压器。 二、变压器的工作原理 阅读教材第 6970 页,了解变压器的工作原理。 1.变压器的工作原理: 交变电流通过原线圈时在铁芯中激发交变磁场, 交变磁场在副线圈中产生感应电动势,当副线圈闭合时,副线圈中有 电流产生,它在铁芯中产生交变磁通量,这个交变磁通量也穿过原线 圈。这种在原、副线圈中由交变电流引发的相互感应现象,叫做互感 现象。互感现象是变压

3、器工作的基础。 2.理想变压器 (1)变压器线圈的电阻忽略不计。 (2)闭合铁芯的“漏磁”忽略不计。 (3)闭合铁芯中产生的涡流忽略不计。即没有能量损失的变压器叫做理 想变压器。 思考判断 (1)变压器是利用互感现象实现了电能向磁场能再到电能的转化。() (2)恒定电流接入变压器后也可发生互感现象, 也可起到变压作用。( ) (3)在理想变压器中原、副线圈的磁通量的变化率是一致的。() (4)理想变压器可以改变交变电流的频率。( ) (5)电流通过铁芯从原线圈流到副线圈。( ) 三、科学探究变压器电压与匝数的关系 阅读教材第 7072 页,理解原、副线圈的电压与匝数之间的关系。 1.电压与匝数

4、的关系:原、副线圈的电压之比,等于两个线圈的匝数 之比,即U1 U2 n1 n2。 2.两类变压器 (1)副线圈电压比原线圈电压低的变压器叫降压变压器。 (2)副线圈电压比原线圈电压高的变压器叫升压变压器。 3.功率关系: 对于理想变压器, 输入功率等于输出功率, 即 U1I1U2I2。 4.电流关系:I1 I2 n2 n1。 思考判断 (1)我们所用的比较好的变压器就是理想变压器。( ) (2)理想变压器的输入功率和输出功率相等。() (3)输入交变电流的频率越高,输出交变电流的电压就越高。( ) (4)变压器能改变所有电流的电压。( ) (5)我们可以根据变压器线圈导线的粗细判断其匝数的多

5、少。( ) 四、自耦变压器 阅读教材第 70 页,了解自耦变压器的结构与分类。 1.自耦变压器:只有 1 个绕组的变压器。 2.自耦变压器分类 (1)降压器:整个绕组当做原线圈接电源,而绕组的一部分当做副线圈 接负载。如图 1 甲所示。 图 1 (2)升压器:绕组的一部分当做原线圈接电源,整个绕组当做副线圈接 负载。如图乙所示。 思考判断 (1)自耦变压器,可以连续调节输出电压。() (2)自耦变压器的副线圈与 220 V 电源脱离,使用安全。( ) (3)自耦变压器可以改变直流电的电压。( ) 预习完成后,请把你疑惑的问题记录在下面的表格中 问题 1 问题 2 理想变压器的工作原理及规律 要

6、点归纳 1.理想变压器的特点 (1)变压器铁芯内无漏磁,无发热损失。 (2)原、副线圈不计内阻,即无能量损失。 2.电动势关系:由于互感现象,且没有漏磁,原、副线圈中每一匝线 圈都具有相同的 t , 根据法拉第电磁感应定律有 E1n1 t , E2n2 t , 所以E1 E2 n1 n2。 3.电压关系:由于不计原、副线圈的电阻,因此原线圈两端的电压 U1 E1,副线圈两端的电压 U2E2,所以U1 U2 n1 n2。当有 n 组线圈时,则 有U1 n1 U2 n2 U3 n3 4.功率关系:对于理想变压器,不考虑能量损失,有 P入P出。 5.电流关系:由功率关系,当只有一个副线圈时,有 I1

7、U1I2U2,得I1 I2 U2 U1 n2 n1。当有多个副线圈时,I1U1I2U2I3U3,得 I1n1I2n2 I3n3 6.变压器的分类 图 2 易错提醒 (1)变压器只能改变交变电流的电压不能在直流电路中使用。 (2)原、副线圈的电压、电流发生变化,而频率不变。 (3)当副线圈有多个线圈时,电压关系仍适用,而电流关系式I1 I2 n2 n1不 再适用。 精典示例 例 1 关于理想变压器的工作原理,以下说法正确的是( ) A.通有正弦交变电流的原线圈产生的磁通量不变 B.穿过原、副线圈的磁通量在任何时候都不相等 C.穿过副线圈磁通量的变化使得副线圈产生感应电动势 D.原线圈中的电流通过

8、铁芯流到了副线圈 解析 通有正弦交变电流的原线圈产生的磁场是变化的,由于面积 S 不变, 故磁通量变化, 选项 A 错误; 因铁芯是闭合的, 没有漏磁, 原、 副线圈的磁通量总相等,故选项 B 错误;由于通过副线圈的磁通量发 生变化,根据法拉第电磁感应定律,在副线圈上产生感应电动势,故 选项C正确; 原线圈中的电能转化为磁场能又转化为副线圈中的电能, 原、副线圈通过磁场联系在一起,故选项 D 错误。 答案 C 例 2 (2018 安顺高二检测)如图 3 所示,理想变压器的原线圈接在 u 220 2sin 100t(V)的交流电源上, 副线圈接有 R55 的负载电阻, 原、副线圈匝数之比为 21

9、,电流表、电压表均为理想电表。下列说 法正确的是( ) 图 3 A.原线圈的输入功率为 220 2 W B.电流表的读数为 1 A C.电压表的读数为 110 2 V D.副线圈输出交流电的周期为 50 s 解析 由题知,变压器的输入电压 U1220 2 2 V220 V,所以 U2 n2 n1U1110 V;副线圈电流 I2 U2 R 2 A,原线圈电流 I1n2 n1I21 A。本 题中电压表、电流表的读数为有效值,故选项 B 正确,C 错误;原线 圈输入功率 P1U1I1220 W,选项 A 错误;交流电的周期 T2 2 100 s0.02 s,选项 D 错误。 答案 B (1)电压表、

10、电流表示数均为有效值。 (2)理想变压器 P入P出。 (3)变压器不改变频率,即原、副线圈交变电流频率相等。 针对训练 1 如图 4 所示,理想变压器原、副线圈匝数比 n1n2 21, 和 均为理想电表,灯泡电阻 RL6 ,AB 两端电压 u1 12 2sin(100t)V。下列说法正确的是( ) 图 4 A.电流频率为 100 Hz B. 的读数为 24 V C. 的读数为 0.5 A D.变压器输入功率为 6 W 解析 根据u112 2sin(100t)V及UUm 2知U112 V, f 250 Hz, 选项 A 错误;根据U1 U2 n1 n2得 U2 n2 n1U1 1 2 12 V6

11、 V,即 的读数为 6 V,选项 B 错误;又 I2U2 RL 6 6 A1 A,即 的读数为 1 A,选项 C 错误;根据 P1P2及 P2U 2 2 RL 62 6 W6 W,选项 D 正确。 答案 D 理想变压器的动态分析 要点归纳 1.理想变压器的制约条件 (1)电压制约:当变压器原、副线圈的匝数比 n1 n2 一定时,输出电压 U2 由输入电压 U1决定,即 U2n2U1 n1 。 (2)电流制约:当变压器原、副线圈的匝数比 n1 n2 一定时,且输入电压 U1确定时,原线圈中的电流 I1由副线圈中的输出电流 I2决定,即 I1 n2I2 n1 。 (3)功率制约:变压器副线圈中的功

12、率 P2由用户负载决定,P2P负1 P负2。 功率关系 P1P2P负,即变压器的输入功率是由输出功率决定的。 2.对理想变压器进行动态分析的两种常见情况 (1)原、副线圈匝数比不变,分析各物理量随负载电阻变化而变化的情 况,进行动态分析的顺序是 RI2P2P1I1。 (2)负载电阻不变,分析各物理量随匝数比的变化而变化的情况,进行 动态分析的顺序是 n1、n2U2I2P2P1I1。 (1)理想变压器将电能由原线圈传给副线圈时总是“量出为入”,即用户 消耗多少,原线圈就提供多少,因而输出功率决定输入功率。 (2)可以把理想变压器的副线圈看作给用户供电的无阻电源,对负载电 路进行动态分析时,可以参

13、照直流电路动态分析的方法。 精典示例 例 3 如图 5 所示,理想变压器原线圈接在交流电源上,图中各电表 均为理想电表。下列说法正确的是( ) 图 5 A.当滑动变阻器的滑动触头 P 向上滑动时,R1消耗的功率变大 B.当滑动变阻器的滑动触头 P 向上滑动时,电压表 示数变大 C.当滑动变阻器的滑动触头 P 向上滑动时,电流表 示数变大 D.若闭合开关 S,则电流表 示数变大, 示数变大 解析 当滑动变阻器的滑动触头 P向上滑动时, 接入电路的阻值变大, 变压器副线圈两端电压不变,副线圈中的电流减小,则 R1消耗的功率 及其两端电压均变小,故电压表的示数变大,选项 A 错误,B 正确; 当滑动

14、变阻器的滑动触头 P 向上滑动时,副线圈中的电流减小,则原 线圈中的电流也减小,电流表 示数变小,选项 C 错误;若闭合开关 S,副线圈电路中总电阻减小,副线圈中的电流变大,R1两端电压变 大,R2两端电压减小,电流表 示数减小;原线圈中的电流变大,电 流表 示数变大,选项 D 错误。 答案 B 动态问题的分析思路 针对训练 2 (多选)如图 6 所示, 理想变压器的原线圈连接一只理想交 流电流表,副线圈匝数可以通过滑动触头 Q 来调节,在副线圈两端连 接了定值电阻 R0和滑动变阻器 R,P 为滑动变阻器的滑动触头。在原 线圈上加一电压为 U 的正弦交流电,则( ) 图 6 A.保持 Q 的位

15、置不动,将 P 向上滑动时,电流表读数变大 B.保持 Q 的位置不动,将 P 向上滑动时,电流表读数变小 C.保持 P 的位置不动,将 Q 向上滑动时,电流表读数变大 D.保持 P 的位置不动,将 Q 向上滑动时,电流表读数变小 解析 Q 位置不动,副线圈电压 U2不变,当 P 上滑时,R 增大,由 P U2 2 RR0可知总功率减小,原线圈电压 U1 不变,由 PU1I1可知原线 圈电流 I1减小,故选项 A 错误,B 正确;当 P 位置不动,Q 上滑时, n2增大,由U2 U1 n2 n1知 U2 增大,同理分析知原线圈电流 I1增大,故选项 C 正确,D 错误。 答案 BC 自耦变压器与

16、互感器 要点归纳 1.自耦变压器 如图 7 甲、乙所示是自耦变压器的示意图。这种变压器的特点是铁芯 上只绕有一个线圈。如果把整个线圈作原线圈,副线圈只取线圈的一 部分,就可以降低电压;如果把线圈的一部分作原线圈,整个线圈作 副线圈,就可以升高电压。 图 7 调压变压器就是一种自耦变压器,它的构造如图丙所示。线圈 AB 绕 在一个圆环形的铁芯上,AB 之间加上输入电压 U1,移动滑动触头 P 的位置就可以调节输出电压 U2。 2.互感器 交流电压表和电流表都有一定的量度范围,不能直接测量高电压和大 电流。互感器是利用变压器的原理来测量高电压或大电流的仪器。 (1)电压互感器:实质是降压变压器,可

17、以把高电压变成低电压。(如图 8 所示) 图 8 (2)电流互感器:实质是升压变压器,可以把大电流变成小电流。(如图 9 所示) 图 9 精典示例 例 4 普通的交流电流表不能直接接在高压输电线路上测量电流,通 常要通过电流互感器来测量,如图 10 中电流互感器 ab 一侧线圈的匝 数较少,工作时电流为 Iab,cd 一侧线圈的匝数较多,工作时电流为 Icd,为了使电流表能正常工作,则( ) 图 10 A.ab 接 MN、cd 接 PQ,IabIcd B.ab 接 MN、cd 接 PQ,IabIcd C.ab 接 PQ、cd 接 MN,IabIcd D.ab 接 PQ、cd 接 MN,IabI

18、cd 解析 电流互感器 ab 一侧线圈匝数比 cd 一侧线圈匝数少,根据电流 关系得 I1n1I2n2,所以 IabIcd,电流表应接在电流较小的一侧,故选 项 B 正确。 答案 B 互感器的区分技巧 电压互感器是降压变压器,据U1 U2 n1 n2,知 n1n2。 电流互感器是升压变压器,据I1 I2 n2 n1,知 n1n2。 针对训练 3 如图 11 所示为物理实验室某风扇的风速挡位变换器电 路图,它是一个可调压的理想变压器,其中接入交流电的电压有效值 U0220 V,n02 200 匝,挡位 1、2、3、4 对应的线圈匝数分别为 220 匝、500 匝、1 100 匝、2 200 匝。

19、电动机 M 的内阻 r4 ,额定 电压为 U220 V,额定功率 P110 W。下列判断正确的是( ) 图 11 A.当选择挡位 3 时,电动机两端电压为 110 V B.当挡位由 3 变换到 2 时,电动机消耗的功率增大 C.当选择挡位 2 时,电动机的热功率为 1 W D.当选择挡位 4 时,电动机的输出功率为 110 W 解析 由电压与匝数的关系 U0U3n0n3,解得 U3110 V,选项 A 正确;当挡位由 3 变换到 2 时,输出电压减小,电动机消耗的功率 减小,选项 B 错误;在额定功率的情况下,电动机的额定电流为 IP U 0.5 A,热功率 PrI2r1 W,输出功率为 PP

20、r(1101) W109 W,选项 D 错误;当没有达到额定功率时,热功率小于 1 W,选项 C 错误。 答案 A 1.(变压器的工作原理)一个正常工作的理想变压器的原、 副线圈中, 下 列物理量不一定相等的是( ) A.交流的频率 B.电流的有效值 C.电功率 D.磁通量的变化率 解析 变压器可以改变原、副线圈中的电流,因此原、副线圈中的电 流不一定有相同的有效值; 由于穿过原线圈的磁通量全部穿过副线圈, 因而原、副线圈的磁通量变化率一定相同;变压器的工作基础是互感 现象,副线圈中感应的交流频率与原线圈中交流频率一定是相同的; 理想变压器中 P入P出,故选项 B 正确。 答案 B 2.(变压

21、器的原理和规律)(多选)如图 12 所示,理想变压器原、副线圈 匝数比为 21,电池和交变电源的电动势都为 6 V,内阻均不计。下 列说法正确的是( ) 图 12 A.S 与 a 接通的瞬间,R 中无感应电流 B.S 与 a 接通稳定后,R 两端的电压为 0 C.S 与 b 接通稳定后,R 两端的电压为 3 V D.S 与 b 接通稳定后,原、副线圈中电流的频率之比为 21 解析 S 与 a 接通的瞬间,穿过原、副线圈的磁通量增加,使副线圈 中有感应电流,选项 A 错误;当 S 与 a 接通稳定后,穿过原、副线圈 的磁通量不变,副线圈两端的电压为零,选项 B 正确;S 与 b 接通稳 定后,由

22、U1 U2 n1 n2,得 U23 V,选项 C 正确;变压器不改变原、副线 圈交变电流的频率,选项 D 错误。 答案 BC 3.(变压器基本规律的应用)(多选)如图 13a 所示,左侧的调压装置可视 为理想变压器,负载电路中 R55 , 、 为理想电流表和电压表。 若原线圈接入如图 b 所示的正弦交变电压,电压表的示数为 110 V, 下列表述正确的是( ) 图 13 A.电流表的示数为 2 A B.原、副线圈匝数比为 12 C.电压表的示数为电压的有效值 D.原线圈中交变电压的频率为 100 Hz 解析 由题图 b 可知原线圈两端电压的有效值 U1220 V, 由U1 U2 n1 n2,

23、可得原、副线圈匝数之比n1 n2 U1 U2 220 11021,选项 B 错误;电流表 示数与电压表示数都为有效值,选项 C 正确;电流表示数 IU2 R 110 55 A2 A,选项 A 正确;由题图 b 可知 T0.02 s,所以交变电压 的频率为 f1 T 1 0.02 Hz50 Hz,选项 D 错误。 答案 AC 4.(自耦变压器)一自耦变压器如图 14 所示,环形铁芯上只绕有一个线 圈,将其接在 a、b 间作为原线圈。通过滑动触头取该线圈的一部分, 接在 c、 d 间作为副线圈, 在 a、 b 间输入电压为 U1的交变电流时, c、 d 间的输出电压为 U2,在将滑动触头从 M 点顺时针转到 N 点的过程 中( ) 图 14 A.U2U1,U2降低 B.U2U1,U2升高 C.U2U1,U2降低 D.U2U1,U2升高 解析 由U1 U2 n1 n2,n1n2 知 U2U1;滑动触头从 M 点顺时针旋转至 N 点过程,n2减小,则 U2降低,选项 C 正确。 答案 C