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3.2变压器为什么能改变电压-3.3电能的开发与利用 学案(2020年沪科版高中物理选修3-2)

1、3.2 变压器为什么能改变电压变压器为什么能改变电压 3.3 电能的开发与利用电能的开发与利用 学科素养与目标要求 物理观念:1.了解变压器的构造及几种常见的变压器.2.理解变压器的工作原理,并能运用电 磁感应的规律进行解释.3.了解我国电能开发与利用的现状及前景. 科学思维:1.理想化方法构建变压器模型.2.掌握理想变压器的电压与匝数的关系,并能用它 解决相关问题.3.掌握理想变压器的功率关系,并能推导出原、副线圈的电流关系. 科学探究:了解探究变压器线圈两端电压与匝数关系的实验方法,经历探究过程,分析现象 得出探究结果. 一、变压器的原理及电压与匝数的关系 把两个没有导线相连的线圈套在同一

2、个闭合铁心上, 一个线圈通过开关连到交流电源的两端, 另一个线圈连到小灯泡上(如图 1 所示).连接电路,接通电源,小灯泡能发光. 图 1 (1)电源和小灯泡并没有连接,小灯泡为什么会发光? (2)小灯泡两端电压与学生电源两端的输出电压相等吗?如果不相等与什么因素有关? (3)若将原线圈接到恒定的直流电源上,小灯泡亮不亮?分析讨论原因. 答案 (1)当左边线圈加上交变电压时,左边线圈中就有交变电流,它在铁心中产生周期性变 化的磁场,根据法拉第电磁感应定律知,在左、右线圈中都要产生感应电动势,右线圈作为 电源给小灯泡供电,小灯泡就会发光. (2)左、 右线圈中每一匝线圈上磁通量的变化率 t 都相

3、同, 若左边线圈匝数为 n1, 则E1n1 t ; 若右边线圈匝数为 n2,则 E2n2 t ,故有E1 E2 n1 n2;若忽略左边线圈的电阻,则有 E1E 电源, 这样看来小灯泡两端电压与左侧交流电源电动势及两线圈匝数比n1 n2都有关系. (3)不亮.因为在副线圈中不会产生感应电动势,副线圈两端没有电压,所以小灯泡不亮. 要点总结 1.变压器的构造:闭合铁心、与交流电源相连接的线圈叫原线圈(匝数用 n1表示,又叫做初级 线圈)、与负载相连的另一个线圈叫副线圈(匝数用 n2表示,又叫做次级线圈),两个线圈都绕 在闭合铁心上. 2.变压器的工作原理是电磁感应.因此变压器只对变化的电流起作用,

4、对恒定电流不起作 用.(后两空选填“变化”或“恒定”) 3.变压器中的电压关系 (1)只有一个副线圈:U1 U2 n1 n2. (2)有多个副线圈:U1 n1 U2 n2 U3 n3 4.变压器不能(填“能”或“不能”)改变交变电流的频率. 5.原、副线圈的地位 (1)原线圈在其所处回路中充当负载. (2)副线圈在其所处回路中充当电源. 特别提醒:变压器能改变交变电压、交变电流,但不能改变恒定电压、恒定电流. 例1 (多选)如图2 所示的理想变压器, 原、 副线圈的匝数比n1n212, U1220 2sin t (V), n11 100 匝,以下说法中正确的是( ) 图 2 A.穿过原、副线圈

5、的磁通量的变化率之比为 12 B.穿过原、副线圈磁通量的变化率的最大值相等,均为 2 5 V C.原、副线圈每一匝产生的电动势有效值相等,均为 0.2 V D.原、副线圈电压的最大值之比为 12 答案 BCD 解析 对于理想变压器,由于没有磁通量损耗,所以穿过两个线圈的磁通量大小相等,磁通 量的变化率相同,A 错误.根据 E1n1 t 得磁通量的变化率的最大值为每一匝线圈产生的电 动势的最大值,即( t )max220 2 1 100 V 2 5 V,所以每一匝产生的电动势的有效值为 0.2 V, B、C 正确.由于匝数比为 12,所以原、副线圈电压最大值之比也为 12,D 正确. 二、理想变

6、压器中的功率及电流关系 1.什么是理想变压器?理想变压器输入与输出功率有什么关系? 答案 理想变压器的理想化条件一般指的是:忽略原、副线圈内阻上的分压,忽略原、副线 圈磁通量的差别,忽略变压器自身的能量损耗.所以理想变压器的输入功率等于输出功率,即 P入P出. 2.若只有一个副线圈时,原、副线圈中的电流与匝数有什么关系? 答案 由能量守恒定律知 P入P出,即 U1I1U2I2. 所以I1 I2 U2 U1 n2 n1. 3.若有多个副线圈时,电流与匝数间的关系是什么? 答案 若有多个副线圈 P1P2P3, 即 U1I1U2I2U3I3 将 U1U2U3n1n2n3代入得 n1I1n2I2n3I

7、3 要点总结 1.理想变压器的特点: (1)变压器铁心内无漏磁;无发热损失. (2)原、副线圈不计内阻,即无能量损失. 实际变压器(特别是大型变压器)一般可以看成理想变压器. 2.功率关系:P入P出. 3.电流关系: (1)若只有一个副线圈时 I1U1I2U2,即I1 I2 n2 n1. (2)若有多个副线圈时 I1U1I2U2I3U3 得 I1n1I2n2I3n3. 例 2 (多选)如图 3 所示, 一理想变压器的原线圈匝数为 n11 100 匝, 接电压 U1220 V 的 交变电流,副线圈接“20 V 10 W”的灯泡,灯泡正常发光,可知( ) 图 3 A.副线圈的匝数 n2200 匝

8、B.副线圈中的电流 I20.5 A C.原线圈中的输入功率为 10 W D.原线圈中的电流 I10.1 A 答案 BC 解析 由于理想变压器原、副线圈两端的电压比U1 U2 n1 n2,则副线圈匝数 n2100 匝,A 错误; 理想变压器的原、副线圈的功率相等,所以原线圈的输入功率为 10 W,C 正确;由功率 P UI 可得副线圈中的电流 I20.5 A,原线圈中的电流 I1n2 n1I20.045 A,B 正确,D 错误. 三、自耦变压器和互感器 1.自耦变压器:如图 4 所示,铁心上只绕有一个线圈,低压线圈是高压线圈的一部分,既可 以作为升压变压器使用,也可以作为降压变压器使用. 图 4

9、 规律:U1 U2 n1 n2 I1 I2 n2 n1. 2.互感器 交流电压表和交流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,可以把高电压变成低电压(如图 5 所示).电压互感器应并 联接入电路. (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 6 所示).电流互感器应串 联接入电路. 图 5 图 6 例 3 (多选)图 7 甲、乙是配电房中的互感器和电表的接线图,下列说法中正确的是( ) 图 7 A.线圈匝数 n1n2,n3n2,n3n4 C.甲图中的电表是电压表,输出

10、端不可短路 D.乙图中的电表是电流表,输出端不可断路 答案 CD 解析 题图甲中的原线圈并联在电路中,为电压互感器,是降压变压器,n1n2,其中的电表 为电压表;题图乙中的原线圈串联在电路中,为电流互感器,是升压变压器,n3U1,U2降低 B.U2U1,U2升高 C.U2U1,U2降低 D.U2n2知 U2U1;滑动触头从 M 点顺时针旋转至 N 点过程,n2 减小,n1不 变,U1不变,则 U2降低,C 项正确. 四、电能的开发和利用 1.电能的优势 (1)电能与其他形式的能之间容易转换. (2)电能可以集中生产,便于输送和分配,易于控制与管理. (3)电能的转换效率高. 2.电能开发利用的

11、现状 以火力发电和水力发电为主. 3.电能开发和利用的前景 太阳能发电、核能发电、风力发电、地热发电、海浪发电、潮汐发电等. 1.(变压器的工作原理)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铁心流到了副线圈 答案 C 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, A 错误;因理想变压器无漏磁,故 B 错误;由互感现象知 C 正确;原线圈中的电能转化为磁 场能又转化为电能,原、

12、副线圈通过磁场联系在一起,故 D 错误. 2.(理想变压器基本规律的应用)(多选)如图 9 所示,理想变压器原、副线圈匝数之比为 41. 原线圈接入一电压为 uU0sin t 的交流电源,副线圈接一个 R27.5 的负载电阻.若 U0 220 2 V,100 rad/s,则下述结论正确的是( ) 图 9 A.副线圈中电压表的读数为 55 V B.副线圈中输出交变电流的周期为 1 100 s C.原线圈中电流表的读数为 0.5 A D.原线圈中的输入功率为 110 2 W 答案 AC 解析 原线圈电压有效值为 U220 V, 电压表读数为 U2220 4 V55 V, 周期 T2 1 50 s,

13、 副线圈中电流I2U2 R 2 A, 原线圈中电流 I1I2 40.5 A, 原线圈中的输入功率 PI1U110 W, 故 A、C 正确. 3.(理想变压器基本关系的应用)如图 10 所示, 理想变压器原、 副线圈匝数比 n1n221, 和均为理想电表,灯泡电阻 RL6 ,AB 两端电压 u112 2sin 100t(V).下列说法正确的 是( ) 图 10 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 答案 D 解析 根据 u112 2sin 100t (V)及 UUm 2知 U112 V,f 250 Hz,选项 A 错误;根据

14、 U1 U2 n1 n2得 U2 n2 n1U1 1 212 V6 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 P入P出及 P出U 2 2 RL 6 2 6 W6 W,选项 D 正确. 4.(互感器)(多选)如图 11 所示,L1、L2是高压输电线,图中两电表示数分别是 220 V 和 10 A, 已知甲图中原、副线圈匝数比为 1001,乙图中原、副线圈匝数比为 110,则( ) 图 11 A.甲图中的电表是电压表,输电电压为 22 000 V B.甲图是电流互感器,输电电流是 100 A C.乙图中的电表是电压表,输电电压为 22 000 V D.图示高压输送电路输入的总功率为 2.2103 kW 答案 AD 解析 题图甲中的原线圈并联在电路中,是电压互感器,电表是电压表,故 B 错误;根据U1 U2 n1 n2,有 U1 n1 n2U2 100 1 220 V22 000 V,故 A 正确;题图乙中的原线圈串联在电路中, 是电流互感器,电表是电流表,故 C 错误;只有一个副线圈的变压器,电流比等于匝数的反 比I1 I2 n4 n3,有 I1 n4 n3I2 10 1 10 A100 A, 根据PUI 得输入的总功率PU1I122 000100 W 2.2103 kW,故 D 正确.