【物理】2020届一轮复习人教版变压器学案 19页

2020 届一轮复习人教版 变压器 学案 知识内容 选考要求 课时要求 变压器 c 1.知道变压器的基本结构及符号，会区分原、副线圈. 2.了解变压器的工作原理及应用. 3.掌握理想变压器的电压与匝数的关系并能用它解决简单问题. 4.知道理想变压器的功率关系，能推导出原、副线圈的电流与匝 数的关系并能用它解决简单问题. 一、变压器的原理 1.构造：由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成，与交流电源连接的线圈叫原线圈，与负载连接的线圈 叫副线圈. 2.原理：互感现象是变压器工作的基础.原线圈中电流的大小、方向不断变化，在铁芯中激发的磁场也不断 变化，变化的磁场在副线圈中产生感应电动势. 二、电压与匝数的关系 1.理想变压器：没有能量损失的变压器叫做理想变压器，它是一个理想化模型. 2.电压与匝数的关系 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 . 3.理想变压器原、副线圈功率关系 P1＝P2(填“>”“＝”或“<”). 4.两类变压器 副线圈的电压比原线圈电压低的变压器叫降压变压器；副线圈的电压比原线圈电压高的变压器叫升压变压 器. 1.判断下列说法的正误. (1)理想变压器原、副线圈的电压之比等于两个线圈的匝数之比.( √ ) (2)输入交变电流的频率越高，输出交变电流的电压就越高.( × ) (3)我们在使用质量好的变压器工作时没有能量损失.( × ) (4)理想变压器不能改变交变电流的频率.( √ ) 2.一台理想降压变压器从 10kV 的线路中降压并提供 200A 的负载电流.已知两个线圈的匝数比为 40∶1，则 副线圈中的输出电压为________，输出功率为________，变压器原线圈中的电流为________. 答案 250V 50kW 5A 解析 由U1 U2 ＝n1 n2 ，得 U2＝U1n2 n1 ＝10×103×1 40 V＝250 V；由理想变压器功率关系，得 P 入＝P 出＝U1I1＝U2I2＝250 ×200W＝50kW，同时得 I1＝U2I2 U1 ＝250×200 10×103 A＝5A. 一、变压器的原理及电压与匝数的关系 如图所示，把两个没有导线相连的线圈套在同一个闭合铁芯上，一个线圈(原线圈)通过开关可以连接到交 流电源的两端，另一个线圈(副线圈)连到小灯泡两端.连接电路，接通电源，小灯泡能发光. (1)两个线圈并没有连接，小灯泡为什么会发光？ (2)小灯泡两端的电压与学生电源的输出电压相等吗？如果不相等，与什么因素有关？ (3)若将原线圈接在恒定的直流电源上小灯泡发光吗？为什么？ 答案 (1)当左边线圈接上交流电源时，左边线圈中就有交变电流，它在铁芯中产生周期性变化的磁场，根 据法拉第电磁感应定律知，在右边线圈中会产生感应电动势，右边线圈作为电源给小灯泡供电，小灯泡就 会发光. (2)左、右线圈中每一圈上磁通量的变化率ΔΦ Δt 都相同，若左边线圈匝数为 n1，则 U1＝E1＝n1 ΔΦ Δt .若右边匝 数为 n2，则 U2＝E2＝n2 ΔΦ Δt ，故有E1 E2 ＝n1 n2 ；若忽略左边线圈的电阻，则有 U1＝U 电源，这样看来只要 n1≠n2， 小灯泡两端的电压与学生电源的输出电压就不相等.小灯泡两端的电压，即副线圈两端的电压与原线圈两端 的电压及原、副线圈匝数比有关. (3)不发光，因为无法在副线圈中产生感应电动势. 1.变压器的原理是互感现象.当原线圈接交变电压时，在铁芯中产生周期性变化的磁场，在副线圈中会产生 感应电动势，由于原、副线圈绕在同一个闭合铁芯上，所以穿过每一匝线圈的磁通量的变化率相等，但由 于原、副线圈匝数不同，故电压不同. 说明：(1)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. (2)变压器原、副线圈中交流电的频率相等，即变压器不改变交流电的频率. 2.理想变压器电压与匝数的关系 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 . 例 1 (多选)如图 1 所示的理想变压器，原、副线圈的匝数比 n1∶n2＝1∶2，U1＝220 2sin ωt (V)，n1＝1100 匝，以下说法中正确的是( ) 图 1 A.穿过原、副线圈的磁通量的变化率之比为 1∶2 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 0.2V D.原、副线圈电压的最大值之比为 1∶2 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 E1＝n1 ΔΦ Δt 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( ΔΦ Δt )max ＝220 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 1∶2，所以原、 副线圈电压最大值之比也为 1∶2，D 正确. 二、理想变压器原、副线圈的功率关系和电流关系 阅读教材回答下列问题： (1)什么是理想变压器？理想变压器原、副线圈中的功率有什么关系？ (2)根据能量守恒推导只有一个副线圈时原、副线圈中的电流与匝数的关系. 答案 (1)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.理想变压器的输入功率等于输出功率，即 P 入＝P 出. (2)由能量守恒有 P 入＝P 出，即 U1I1＝U2I2. 所以I1 I2 ＝U2 U1 ＝n2 n1 . 1.功率关系 从能量守恒看，理想变压器的输入功率等于输出功率，即 P 入＝P 出. 2.电流关系 由 U1I1＝U2I2，得：n1I1＝n2I2，即I1 I2 ＝n2 n1 . 例 2 (多选)如图 2 所示，一理想变压器的原线圈匝数为 n1＝1100 匝，接电压有效值为 U1＝220V 的交变 电流，副线圈接“20V 10W”的灯泡，灯泡正常发光，可知( ) 图 2 A.副线圈的匝数 n2＝200 匝 B.副线圈中的电流 I2＝0.5A C.原线圈中的输入功率为 10W D.原线圈中的电流 I1＝0.1A 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 n2＝100 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 I2 ＝0.5 A，原线圈中的电流 I1＝n2 n1 I2≈0.045 A，B 正确，D 错误. 三、自耦变压器和互感器 1.自耦变压器 铁芯上只绕有一个线圈，如果把整个线圈作为原线圈，副线圈只取线圈的一部分，就可以降低电压，反之 则可以升高电压，如图 3 所示. 图 3 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 4 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 5 所示).电流互感器应串联接入电路. 图 4 图 5 例 3 (2018·江苏单科)一自耦变压器如图 6 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 6 A.U2>U1，U2 降低 B.U2>U1，U2 升高 C.U2n2 知 U2n2，n3>n4 C.甲图中的电表是电压表，输出端不可短路 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，n1>n2，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，n3