2019年高中物理第4章第2节变压器讲义（含解析）鲁科版 9页

变压器1．变压器的结构和特点(1)结构：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。铁芯由涂有绝缘漆的硅钢片叠合而成。(2)特点：原线圈与交流电源相连，副线圈与负载相连。为什么变压器中的硅钢片不是用整个的？解析：大块的导体在磁场中运动或处在变化的磁场中时，都要产生感应电动势，形成涡流，造成较大的涡流损耗。为了减小涡流损耗，常将铁芯用许多铁磁导体薄片(例如硅钢片)叠成，这些薄片表面涂有绝缘漆或绝缘的氧化物。由于这种薄片材料的电阻较大，这样就可以显著地减小涡流损耗。2．变压器的工作原理及变压规律(1)互感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，当副线圈两端连接负载并闭合时，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，在原线圈中产生互相感应的现象。(2)工作原理电磁感应是变压器的工作原理，即互感现象是变压器工作的基础。(3)理想变压器电压、电流与匝数的关系理想变压器特点铁芯无漏磁，原、副线圈无电阻电压与匝数关系＝电流与匝数关系＝功率关系P1＝P2为什么变压器不能变恒定电流？解析：要产生感应电动势，磁通量必须发生变化。若原线圈中通以恒定电流，则在铁芯中产生恒定的磁通量，副线圈中虽有磁通量通过，但磁通量不变化，因此副线圈中不能产生n感应电动势，当然就不能变压了。3．常见变压器(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：绕阻当原线圈接电源，绕组的一部分当副线圈接负载，如图甲所示；②升压器：绕组当副线圈接负载，绕组的一部分当原线圈接电源，如图乙所示。如何区分变压器的两个线圈中哪一个是高压线圈，哪一个是低压线圈？解析：变压器中的高压线圈一般匝数多、电流小，导线较细；而低压线圈匝数少、电流大，导线较粗。1．理想变压器理想变压器是实际变压器的近似。理想变压器有三个特点：(1)铁芯封闭性好，无漏磁现象，即穿过原、副线圈两绕组每匝的磁通量Φ都一样，每匝线圈中所产生感应电动势相等。(2)线圈绕组的电阻不计，无能损现象。(3)铁芯中的电流不计，铁芯不发热，无能损现象。2．工作原理及电压关系(1)原理：由于原、副线圈的互感现象，穿过理想变压器原、副线圈的磁通量始终相同，因而这两个线圈中每匝有相同的磁通量的变化率，即在原、副线圈上每匝产生的感应电动势相等。(2)电压关系：原、副线圈中产生的感应电动势E1、E2跟其匝数n1、n2成正比。E1＝n1，E2＝n2，所以＝。由于线圈内阻不计，则原线圈两端电压U1＝E1，副线圈两端电压U2＝E2，于是有＝。3．理想变压器的基本关系n(1)输入功率等于输出功率，即P入＝P出，U1I1＝U2I2。(2)原、副线圈两端的电压跟匝数成正比，即＝。(3)原、副线圈中的电流跟匝数成反比(仅限一个副线圈)，即＝。(4)原、副线圈的交变电流的周期T和频率f相同。[典例1]　如图所示，一理想变压器原、副线圈的匝数比为1∶2；副线圈电路中接有灯泡，灯泡的额定电压为220V，额定功率为22W；原线圈电路中接有电压表和电流表。现闭合开关，灯泡正常发光。若用U和I分别表示此时电压表和电流表的读数，则(　　)A．U＝110V，I＝0.2AB．U＝110V，I＝0.05AC．U＝110V，I＝0.2AD．U＝110V，I＝0.2A[思路探究][解析]　交流电压表、电流表测得的是交变电流的有效值，由灯泡正常发光可知，变压器的输出电压为220V，而变压器的输入与输出电压之比等于原、副线圈的匝数比，故变压器的输入电压为110V，电压表的示数为110V；又因为变压器的输入功率等于输出功率，因此可知变压器的输入电流为0.2A，A正确。[答案]　A1．如图所示，理想变压器原线圈与一10V的交流电源相连，副线圈并联两个小灯泡a和b。小灯泡a的额定功率为0.3W，正常发光时电阻为30Ω。已知两灯泡均正常发光，流过原线圈的电流为0.09A，可计算出原、副线圈的匝数比为________。流过灯泡bn的电流为________A。解析：根据P＝和P＝I2R得灯泡a两端的电压U2＝＝V＝3V，通过灯泡a的电流Ia＝＝A＝0.1A，根据＝得原、副线圈匝数之比＝＝，根据＝，得副线圈上的电流I2＝I1＝×0.09A＝0.3A，根据I2＝Ia＋Ib，得流过灯泡b的电流为Ib＝I2－Ia＝0.2A。答案：10∶3　0.21．电压制约输入电压U1决定输出电压U2。当变压器原、副线圈的匝数比一定时，输出电压U2由输入电压U1决定，即U2＝。2．电流制约输出电流I2决定输入电流I1。当变压器原、副线圈的匝数比一定，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＝。而变压器副线圈中的电流I2由用户负载及电压U2确定，I2＝。3．功率制约输出功率P2决定输入功率P1。变压器副线圈中的功率P2由用户负载决定，P2＝P负1＋P负2＋…，P2增大，P1增大；P2减小，P1减小；P2为零，P1为零。[典例2]　如图所示，为一理想变压器，S为单刀双掷开关，P为滑动变阻器触头，U1为加在原线圈两端的电压，I1为原线圈中的电流强度，则以下说法错误的是(　　)nA．保持U1及P的位置不变，S由a合到b时，I1将增大B．保持P的位置及U1不变，S由b合到a时，R消耗的功率将减小C．保持U1不变，S合在a处，使P上滑，I1将增大D．保持P的位置不变，S合在a处，若U1增大，I1将增大[思路探究][解析]　S由a合到b时，n1减小，由＝可知U2增大，P2＝，P2随之增大，而P2＝P1，又P1＝U1I1，从而I1增大，A正确；S由b合到a时，与上述情况相反，P2应减小，B正确；P上滑时，R增大，因P2＝，所以P2减小，又P1＝P2，P1＝U1I1，从而I1减小，C错误；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正确。[答案]　C[总结提能]两类理想变压器各动态分析问题应用各物理量之间的制约关系对理想变压器电路进行动态分析的常见情况有两种：(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R→I2→P2→P1→I1。(2)负载电阻不变，分析各物理量随原、副线圈匝数比的变化而变化的情况，进行动态分析的顺序是n1、n2→U2→I2→P2→P1→I1。2．[多选](广东高考)如图所示的电路中，P为滑动变阻器的滑片，保持理想变压器的输入电压U1不变，闭合电键S，下列说法正确的是(　　)nA．P向下滑动时，灯L变亮B．P向下滑动时，变压器的输出电压不变C．P向上滑动时，变压器的输入电流变小D．P向上滑动时，变压器的输出功率变大解析：选BD　由于U1保持不变，根据变压器的变压比可知，副线圈的输出电压U2不变，B正确；P向下滑动时，灯泡L两端的电压为U2，保持不变，灯泡的亮度不变，A错误；P向上滑动时，滑动变阻器接入电路的电阻变小，副线圈电路的总电阻R总变小，根据P2＝可知，变压器的输出功率变大，由P1＝U1I1＝P2可知，变压器的输入电流增大，C错误，D正确。物理模型互　感　器模型解读类型比较项目　　　　　电压互感器电流互感器原理图原线圈的连接并联在高压电路中串联在待测高流电路中副线圈的连接连接电压表连接电流表互感器的作用将高电压变为低电压将大电流变成小电流利用的公式＝I1n1＝I2n2[典例]　如图所示，L1和L2是高压输电线，甲、乙是两只互感器，若已知n1∶n2＝1000∶1，n3∶n4＝1∶100，图中电压表示数为220V，电流表示数为10A，则高压输电线的送电功率为(　　)nA．2.2×103W　　　　　　B．2.2×10－2WC．2.2×108WD．2.2×104W[解析]　根据甲可得，高压输电线的送电电压U＝U甲＝220kV；根据乙可得，输送电流I＝I乙＝1000A；所以高压输电线的送电功率P＝UI＝220kV×1000A＝2.2×108W，C正确。[答案]　C[点评]　　区别电压互感器和电流互感器的方法[变式训练][多选]电流互感器和电压互感器如图所示，其中n1、n2、n3、n4分别为四组线圈的匝数，a、b为两只交流电表，则(　　)A．A为电流互感器，且n1＜n2，a是电流表B．A为电压互感器，且n1＞n2，a是电压表C．B为电流互感器，且n3＜n4，b是电流表D．B为电压互感器，且n3＞n4，b是电压表解析：选AD　由图可知A为电流互感器，B为电压互感器，因此a是电流表，b是电压表，在A中，有I1n1＝I2n2，要把大电流变为小电流，有n2＞n1；在B中，有＝，要把高电压变成低电压，则有n3＞n4，综上可知，A、D正确。n1．对于理想变压器，下列说法错误的是(　　)A．原线圈的输入功率随着副线圈的输出功率增大而增大B．原线圈的输入电流随着副线圈的输出电流增大而增大C．原线圈的电压不随副线圈的输出电流的变化而变化D．当副线圈的电流为零时，原线圈的电压也为零解析：选D　理想变压器的输入电压不受输出电压、输出电流的限制，输入电流和输入功率随输出电流和输出功率的增大而增大，当输出电流为零时，输入电流也为零，但输入电压不为零，D错误，A、B、C正确。2．如图所示，理想变压器原、副线圈的匝数比n1∶n2＝4∶1，原线圈两端连接光滑导轨，副线圈与电阻R相连组成闭合回路。当直导线AB在匀强磁场中沿导轨匀速地向右做切割磁感线运动时，安培表A1的读数为12mA，那么安培表A2的读数为(　　)A．0　　　　　　　　　B．3mAC．48mAD．与R大小有关解析：选A　导线AB切割磁感线产生的感应电动势为E感＝Blv，由于B、l、v三个量均不变，故感应电动势为一定值，原线圈中电流恒为12mA，变压器原、副线圈中无法发生互感现象，副线圈输出电压应为零，故安培表A2的读数为零，A正确。3．(海南高考)理想变压器上接有三个完全相同的灯泡，其中一个与该变压器的原线圈串联后接入交流电源，另外两个并联后接在副线圈两端。已知三个灯泡均正常发光。该变压器原、副线圈的匝数之比为(　　)A．1∶2　　　B．2∶1　　　C．2∶3　　　D．3∶2解析：选B　三灯泡都正常工作，则电流相等，由此可知变压器的原、副线圈的电流比＝，对于单匝输入单匝输出的变压器，由于功率相等，P1＝P2，得＝，得＝，B正确。4.(广东高考)如图所示，理想变压器原、副线圈匝数比n1∶n2＝2∶1，V和A均为理想电表，灯泡电阻RL＝6Ω，AB端电压u1＝12sin100πt(V)。下列说法正确的是(　　)nA．电流频率为100HzB.V的读数为24VC.A的读数为0.5AD．变压器输入功率为6W解析：选D　由U1＝12sin100πt(V)知，电压U1＝12V，频率f＝50Hz，A错误；由＝，得U2＝6V，B错误；I2＝＝1A，C错误；P入＝P出＝U2I2＝6W，D正确。5.如图所示，加在理想变压器原线圈上的交变电压为3300V，绕过铁芯的导线所接的电压表的示数为2V，则原、副线圈的匝数比为________。解析：设输入电压为U1、原线圈匝数为n1，输出电压为U2、副线圈匝数为n2，原、副线圈电压比等于变压器的变压比＝，把数值代入得＝。答案：1650∶1