高中物理第二章交变电流6变压器课件-62张 62页

　 6. 变　压　器 　 一、变压器的结构与原理 1. 结构 : 由一个铁芯及两组线圈组成。与电源连接的线 圈称为 _______, 也叫初级线圈 ; 与负载连接的线圈称为 _______, 也叫次级线圈。 原线圈 副线圈 2. 原理 : 当变压器的原线圈加上交变电压时 , 原线圈中 的交变电流在铁芯中激发交变的磁通量 , 交变的磁通量 穿过原线圈 , 也穿过副线圈 , 在原、副线圈中都产生 ___ _________, 当副线圈闭合时 , 在副线圈中就会有交流电通过 , 电能从原线圈通过 _____ 传输给副线圈。 感 应电动势 磁场 二、变压器的电压与匝数的关系 1. 电压与匝数的关系 : 理想变压器原、副线圈两端的电 压跟它们的匝数成正比 , 即 = ____ 。 2. 两类变压器 : (1) 降压变压器 : 副线圈的电压比原线圈电压 ___ 的变压 器。 (2) 升压变压器 : 副线圈的电压比原线圈电压 ___ 的变压 器。 3. 理想变压器 : 忽略原、副线圈的电阻及一切 _______ ___ 的变压器。 低 高 能量损 失 三、电流与匝数的关系 1. 推导 : 理想变压器本身不消耗能量 , 则有 I 1 U 1 t=I 2 U 2 t, 故 = = ____ 。 2. 变压器线圈的特点 : 电压较高的线圈匝数较多 , 电流 较小 , 导线 _____, 电压较低的线圈匝数 _____, 电流较大 , 导线较粗。 较细 较少 四、电压互感器和电流互感器 1. 电压互感器 : (1) 特点 :_____ 变压器。 (2) 连接方式 : 初级并联在高压交流电路上 , 次级与交 流 _______ 相连。 降压 电压表 2. 电流互感器 : (1) 特点 :_____ 变压器。 (2) 连接方式 : 原线圈串联在被测量交流电路中 , 副线圈 与 ___________ 相连。 升压 交流电流表 【 思考辨析 】 (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) 电压互感器和电流互感器的副线圈都应接地。 ( 　　 ) (5) 电压互感器原线圈应串联在待测电路中。 ( 　　 ) (6) 电流互感器的原线圈应并联在待测电路中。 ( 　　 ) 提示 : (1)× 。任何实际的变压器都会有能量损失 , 所以理想变压器是不存在的。 (2)√ 。理想变压器没有能量损失 , 所以输入功率和输出功率相等。 (3)× 。变压器的输出电压由输入电压和原、副线圈的匝数比决定 , 与交变电流的频率无关。 (4)√ 。为了安全 , 电压互感器和电流互感器的副线圈都应接地。 (5)× 。电压互感器原线圈应并联在待测高压电路中。 (6)× 。电流互感器原线圈应串联在待测大电流电路中。 一　理想变压器的变压和变流 【 典例 】 (2017· 北京高考 ) 如图所示 , 理想变压器的原 线圈接在 u=220 sin100πt(V) 的交流电源上 , 副线圈 接有 R=55 Ω 的负载电阻 , 原、副线圈匝数之比为 2∶1, 电流表、电压表均为理想电表。下列说法正确的是 A. 原线圈的输入功率为 220 W B. 电流表的读数为 1 A C. 电压表的读数为 110 V D. 副线圈输出交流电的周期为 50 s 【 解析 】 选 B 。原线圈接在 u=220 sin100πt(V) 的交流电源上 , 所以原线圈电压的有效值为 U 1 =220 V, 由变压器的电压关系 = , 可得副线圈电压为 U 2 =110 V, 电压表的示数为交流电的有效值 110 V,C 错 误 ; 副线圈的电流为 I 2 = =2 A, 由变压器的电流关系 = , 可得通过原线圈的电流为 1 A,B 正确 ; 原线圈 的输入功率为 P=U 1 I 1 =220 W,A 错误 ; 交流电的周期为 T= =0.02 s,D 错误。 【 核心归纳 】 1. 理想变压器的特点 : (1) 原、副线圈的电阻不计 , 不产生热量。 (2) 变压器的铁芯不漏磁。 (3) 在铁芯内产生的感应电流及产生的热量不计。 理想变压器是一个没有能量损失的理想化模型。 2. 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 U 1 =E 1 , 副线圈两端的电压 U 2 =E 2 , 所以 = 。当有 n 组线圈时 , 则有 : = = …… 3. 功率关系 : 对于理想变压器 , 不考虑能量损失 ,P 入 = P 出 。 4. 电流关系 : 由功率关系 , 当只有一个副线圈 时 ,I 1 U 1 =I 2 U 2 , 得 = = 。当有多个副线圈 时 ,I 1 U 1 =I 2 U 2 +I 3 U 3 +… 得 I 1 n 1 =I 2 n 2 +I 3 n 3 +… 【 特别提醒 】 (1) 变压器只对变化的电流起作用 , 对恒定电流不起作用。 (2) 变压器的两个线圈之间通过磁场联系在一起 , 两个线圈间是绝缘的。 (3) 变压器不能改变交变电流的频率。 (4) 理想变压器本身不消耗能量。 (5) 理想变压器基本关系中的 U 1 、 U 2 、 I 1 、 I 2 均为有效值。 【 过关训练 】 1. (2016· 全国卷 Ⅰ) 一含有理想变压器 的电路如图所示 , 图中电阻 R 1 、 R 2 和 R 3 的 阻值分别为 3 Ω 、 1 Ω 和 4Ω, 为理想交流电流表 ,U 为正弦交流电压源 , 输出电压的有效值恒定。当开关 S 断开时 , 电流表的示数为 I; 当 S 闭合时 , 电流表的示数为 4I 。该变压器原、副线圈匝数比为 A.2 　　　　　 B.3 　　　　　 C.4 　　　　　 D.5 【 解析 】 选 B 。设变压器原、副线圈匝数分别为 n 1 、 n 2 , 当开关 S 断开时 , 电流表的示数为 I, 副线圈电流为 I, 因此有 (U-IR 1 )I=( ) 2 I 2 (R 2 +R 3 ); 当 S 闭合时 , 电流表 的示数为 4I, 同理有 (U-4IR 1 )×4I=( ) 2 (4I) 2 R 2 , 联立 解得原、副线圈匝数比为 3, 故选 B 。 2. ( 多选 ) 如图所示 , 一理想变压器原、 副线圈的匝数分别为 n 1 、 n 2 。原线圈通 过一理想电流表 接正弦交流电源 , 一 个二极管和阻值为 R 的负载电阻串联后接到副线圈的两 端。假设该二极管的正向电阻为零 , 反向电阻为无穷 大。用交流电压表测得 a 、 b 端和 c 、 d 端的电压分别为 U ab 和 U cd , 则 ( 　　 ) A.U ab ∶U cd =n 1 ∶n 2 B. 增大负载电阻的阻值 R, 电流表的读数变小 C. 负载电阻的阻值越小 ,cd 间的电压 U cd 越大 D. 将二极管短路 , 电流表的读数加倍 【 解析 】 选 B 、 D 。若变压器原线圈电压为 U ab , 则副线 圈电压为 U 2 = U ab 。由于二极管的单向导电性使得 U cd = U 2 , 故 = ,A 错误 ; 增大负载电阻的阻值 R, 则 变压器副线圈电流减小 , 原线圈电流也减小 , 即电流表 的读数变小 ,B 正确 ;cd 间的电压由变压器的原线圈电压 决定 , 与负载电阻无关 ,C 错误 ; 将二极管短路时 ,U cd =U 2 , 副线圈电流会加倍 , 所以原线圈电流也加倍 , 故 D 正确。 【 补偿训练 】 1. 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 。设灯泡正常发光时的电流为 I, 由题意可 知 , 通过原线圈的电流 I 1 =I, 通过副线圈的电流 I 2 =2I, 根据变压器的电流关系 = = 。故 B 项正确。 2. 图甲为一理想变压器 , 负载电路中 R=5 Ω, 若原线圈两端输入电压 u 是如图乙所示的正弦式交流电 , 电压表示数为 10 V, 则 ( 　　 ) A. 输入电压 u=100 sin50πt V B. 电流表示数为 0.2 A C. 变压器原、副线圈匝数比为 5∶1 D. 若输入电压稳定 ,R 阻值减小 , 则输入电功率减小 【 解析 】 选 B 。由图乙可知输入的交变电流的周期是 0.02 s, 所以角速度为 100π, 故选项 A 错误 ; 输入交变电 流的电压峰值是 100 V, 则有效值是 100 V, 变压器 原、副线圈匝数比为 10∶1, 选项 C 错误 ; 由 I 2 = , U 1 I 1 =U 2 I 2 得 I 2 =2 A,I 1 =0.2 A, 选项 B 正确 ; 若输入电压稳 定 ,R 阻值减小 , 则通过 R 的电流增大 , 即输出功率增大 , 输入功率也一定增大 , 选项 D 错误。 二　理想变压器的制约关系和动态分析 【 典例 】 (2018· 天津高考 ) 教学用发电 机能够产生正弦式交变电流。利用该发 电机 ( 内阻可忽略 ) 通过理想变压器向定值电阻 R 供电 , 电路如图所示 , 理想交流电流表 A 、理想交流电压表 V 的 读数分别为 I 、 U,R 消耗的功率为 P 。若发电机线圈的转 速变为原来的 , 则 ( 　　 ) A.R 消耗的功率变为 P B. 电压表 V 的读数变为 U C. 电流表 A 的读数变为 2I D. 通过 R 的交变电流频率不变 【 解析 】 选 B 。根据 ω=2πn 可知转速变为原来的 , 则角速度变为原来的 , 根据 E m =nBSω 可知电动机产 生的最大电动势为原来的 , 根据 U= 可知发电机的 输出电压有效值变为原来的 , 即原线圈的输出电压 变为原来的 , 根据 = 可知副线圈的输入电压变 为原来的 , 即电压表示数变为原来的 , 根据 P= 可知 R 消耗的电功率变为 P,A 错误 ,B 正确 ; 副线圈中 的电流为 I 2 = , 即变为原来的 , 根据 = 可知 原线圈中的电流也变为原来的 ,C 错误 ; 转速减小为 原来的 , 则频率变为原来的 ,D 错误。 【 核心归纳 】 1. 电压制约 : 当变压器原、副线圈的匝数比 ( ) 一定 时 , 输出电压 U 2 由输入电压 U 1 决定 , 即 U 2 = 。 2. 电流制约 : 当变压器原、副线圈的匝数比 ( ) 一定 , 且输入电压 U 1 确定时 , 原线圈中的电流 I 1 由副线圈中的 输出电流 I 2 决定 , 即 I 1 = 。 3. 负载制约 : (1) 变压器副线圈中的功率 P 2 由用户负载决定 ,P 2 = P 负 1 +P 负 2 +… (2) 变压器副线圈中的电流 I 2 由用户负载及电压 U 2 确 定 ,I 2 = 。 (3) 总功率 P 入 =P 线 +P 2 , 即变压器的输入功率是由输出功 率决定的。 4. 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 R→I 2 → P 2 →P 1 →I 1 。 (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 n 1 、 n 2 →U 2 →I 2 →P 2 →P 1 →I 1 。 5. 理想变压器动态问题的处理方法 : (1) 抓住三个决定原则 : 输入电压 U 1 决定输出电压 U 2 ; 输出电流 I 2 决定输入电流 I 1 ; 输出功率 P 2 决定输入功率 P 1 。 (2) 把副线圈当作电源 , 研究副线圈电路电阻变化。 (3) 根据闭合电路的欧姆定律 , 判定副线圈电流的变化、功率的变化。 (4) 根据理想变压器的变压规律、变流规律和功率规律判定原线圈电流的变化及输入功率的变化。 【 过关训练 】 1.( 多选 ) 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 U 1 不变 , 闭合开关 S, 下列说法正确的是 ( 　　 ) A.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 B 、 D 。由于 U 1 保持不变 , 根据变压器的变压 比可知 , 副线圈的输出电压 U 2 不变 ,B 正确 ;P 向下滑动时 , 灯泡 L 两端的电压不变 , 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 变小 , 根据 P 2 = 可知 , 变压器的输出功率变 大 ,D 正确 ; 由 P 1 =U 1 I 1 =P 2 可知 , 变压器的输入电流增大 ,C 错误。 2. ( 天津高考 ) 如图所示 , 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 A. 当滑动变阻器的滑动触头 P 向上滑动时 ,R 1 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 V 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 A 1 示数变大 D. 若闭合开关 S, 则电流表 A 1 示数变大 ,A 2 示数变大 【 解析 】 选 B 。当滑动变阻器的滑动触头 P 向上滑动 时 ,R 的阻值变大 , 变压器的次级线圈电压不变 , 则次级 电流减小 , 则 R 1 消耗的功率及两端电压均变小 , 电压表 的示数等于变压器次级电压减去 R 1 两端的电压 , 故电压 表的示数变大 , 选项 A 错误 ,B 正确 ; 由于当滑动变阻器的 滑动触头 P 向上滑动时 , 次级电流减小 , 故初级电流也减 小 , 电流表 A 1 示数变小 , 选项 C 错误 ; 若闭合开关 S, 则变压器的次级电阻减小 , 次级电流变大 ,R 1 的电压变大 , 则电压表 V 示数减小 , 则 R 2 两端电压减小 , 电流表 A 2 读数减小 , 次级电流变大 , 则初级电流变大 , 则电流表 A 1 示数变大 , 选项 D 错误。 【 补偿训练 】 1. 如图所示 , 理想变压器的原、副线圈 的匝数比 n 1 ∶n 2 =2∶1, 原线圈接正弦式 交流电 , 副线圈接电动机 , 电动机线圈电阻为 R, 当输入 端接通电源后 , 电流表读数为 I, 电动机带动一质量为 m 的重物以速度 v 匀速上升 , 若电动机因摩擦造成的能量 损失不计 , 则图中电压表的读数为 ( 　　 ) A.4IR+ 　　 B. 　　 C.4IR 　　 D. + 【 解析 】 选 A 。电流与匝数成反比 , 副线圈的电流为 2I, 输入功率等于副线圈消耗的功率 :P=(2I) 2 R+mgv=UI, 所 以电压表的读数 U=4IR+ 。故选 A 。 2. ( 多选 ) 如图所示为一理想变压器 ,K 为单刀双掷开关 ,P 为滑动变阻器的滑动触头 ,U 1 为加在原线圈上的电压 , 则 ( 　　 ) A. 保持 U 1 及 P 的位置不变 ,K 由 a 合到 b 时 ,I 1 将增大 B. 保持 P 的位置及 U 1 不变 ,K 由 b 合到 a 时 ,R 消耗的功率将减小 C. 保持 U 1 不变 ,K 合在 a 处 , 使 P 上滑 ,I 1 将增大 D. 保持 P 的位置不变 ,K 合在 a 处 , 若 U 1 增大 ,I 1 将增大 【 解析 】 选 A 、 B 、 D 。 K 由 a 合到 b 时 ,n 1 减小而 U 1 不变 , 由 = 可知 , 副线圈上的电压增大 , 负载 R 的电流 I 2 增大 ,P 2 增大 , 又由于 P 1 =P 2 =U 1 I 1 , 故 I 1 增大 ,A 项正确 ; 同 理 K 由 b 合到 a 时 ,P 2 减小 ,B 项正确 ;P 上滑时 , 负载电阻 R 增大 , 而 U 1 、 U 2 均不变 , 由 I 2 = 可知 I 2 减小 , 又由于 n 1 、 n 2 均不变 , 由 = 可知 I 1 将减小 , 故 C 项错误 ; 当 U 1 增大时 , 由 = 可知 U 2 也增大 ,I 2 = 增大 , 再由 = 可知 I 1 增大 , 故 D 项正确。 3. 如图所示 , 理想变压器原线圈输入电压 u=U m sinωt, 副线圈电路中 R 0 为定值电阻 , R 是滑动变阻器。 和 是理想交流电压表 , 示数分 别用 U 1 和 U 2 表示 ; 和 是理想交流电流表 , 示数分 别用 I 1 和 I 2 表示。下列说法正确的是 ( 　　 ) A.I 1 和 I 2 表示电流的平均值 B.U 1 和 U 2 表示电压的最大值 C. 滑片 P 向下滑动过程中 ,U 2 不变、 I 1 变大 D. 滑片 P 向下滑动过程中 ,U 2 变小、 I 2 变大 【 解析 】 选 C 。电路中的电压表和电流表表示的都是有效值 , 选项 A 、 B 错误。滑片 P 向下滑动过程中 , 接入电路中的电阻变小 ,U 2 不变、 I 1 变大 , 故 C 正确 ,D 错误。 【 拓展例题 】 考查内容 : 变压器和分压器的比较 【 典例 】 如图甲、乙所示电路中 , 当 A 、 B 接 10 V 交变电压时 ,C 、 D 间电压为 4 V; M 、 N 接 10 V 直流电压时 ,P 、 Q 间电压也 为 4 V 。现把 C 、 D 接 4 V 交流电压 ,P 、 Q 接 4 V 直流电压 , 则 A 、 B 间和 M 、 N 间的电压分别是 ( 　　 ) A.10 V,10 V 　　　　　　 B.10 V,4 V C.4 V,10 V D.10 V,0 【 解析 】 选 B 。甲图是一个自耦变压器 , 当 A 、 B 作为输 入端 ,C 、 D 作为输出端时 , 是一个降压变压器 , 两边的电 压之比等于两边线圈的匝数之比。当 C 、 D 作为输入端 , A 、 B 作为输出端时 , 是一个升压变压器 , 电压比也等于 匝数比 , 所以 C 、 D 接 4 V 交变电压时 ,A 、 B 间将得到 10 V 交变电压。乙图是一个分压电路 , 当 M 、 N 作为输入端时 , 上下两个电阻上的电压跟它们的电阻的大小成正比。但是当把电压加在 P 、 Q 两端时 , 电流只经过下面那个电阻 , 上面的电阻中没有电流 ,M 、 P 两端也就没有电势差 , 即 M 、 P 两点的电势相等 , 所以当 P 、 Q 接 4 V 直流电压时 ,M 、 N 两端的电压也是 4 V 。