3.2变压器为什么能改变电压

3．2变压器为什么能改变电压学习目标：1.知道变压器的构造，了解变压器的工作原理．2．理解理想变压器原、副线圈中电压与匝数的关系，能应用它分析解决有关问题．3．探究理想变压器原、副线圈中电流与匝数的关系，能应用它分析解决有关问题．4．知道常见的变压器及其应用．重点难点：1.变压器的原理．2．推导变压器原、副线圈电流与匝数的关系．课前自主学案一、变压器的构造和工作原理1．变压器的构造闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈，与电源相连的线圈叫________，也叫初级线圈．与负载相连的线圈叫__________，也叫次级线圈．两个线圈都是由绝缘导线绕制而成的，铁芯由涂有绝缘漆的硅钢片叠合而成，是用来改变交流电压的装置(单相变压器的构造示意图及电路图中的符号分别如图3－2－1甲、乙所示)．原线圈副线圈图3－2－12．工作原理变压器的变压原理是___________．如图3－2－2所示，当原线圈上加交流电压U1时，原线圈中就有交变电流，它在铁芯中产生交变的磁通量，在原、副线圈中都要产生感应电动势．如果副线圈是闭合的，则副线圈将产生交变的__________，它也在铁芯中产生交变磁通量，在原、副线圈中同样要引起感应电动势．由于这种互相感应的互感现象，原、副线圈间虽然不相连，电能却可以通过磁场从原线圈传递到副线圈．其能量转换方式为：原线圈电能→________→副线圈电能．电磁感应感应电流磁场能图3－2－2思考感悟1．变压器能否改变直流(恒定电流)电压？提示：不能．变压器是依据电磁感应工作的，因此只能工作在交流电路中，如果变压器接入直流电路，原线圈中的电流不变，在铁芯中不引起磁通量的变化，没有互感现象出现，变压器起不到变压作用．二、探究变压器原、副线圈电压、电流与匝数的关系1．理想变压器没有漏磁(磁通量全部集中在铁芯内)和发热损失(原、副线圈及铁芯上的电流的热效应不计)的变压器，即没有能量损失的变压器叫做理想变压器．2．功率关系由于理想变压器没有各种能量损失，所以变压器输出功率______输入功率，即：__________．3．电压、电流关系等于P出＝P入(1)单组副线圈理想变压器的规律①电压变化规律为：U1U2＝_____.②电流变化规律为：I1I2＝______.(2)多组副线圈理想变压器的规律①由法拉第电磁感应定律，并考虑到线圈无电阻等，有U1∶U2∶U3∶…＝n1∶n2∶n3∶…②由能量守恒定律，并考虑到变压器自身无能量损耗，又有P入＝P出，即I1U1＝I2U2＋I3U3＋…n1n2n2n1思考感悟2．怎样设计变压器可以实现“大电压”和“小电压”之间的相互转变？提示：根据电压关系知：当n2n1时，U2U1—升压变压器；当n2n1时，U2U1—降压变压器，按需要调整匝数就可以啦！三、常见的变压器1．电力变压器：用于________，有升压变压器和降压变压器，功率通常________．2．自耦变压器：只有一个线圈，金属触头沿线圈刮去了绝缘漆的一边滑动，就改变了______________．如调压变压器就是一种自耦变压器，如图3－2－3.电力网较大副线圈匝数图3－2－33．互感器(1)电压互感器：用来把高电压变成低电压，副线圈比原线圈_______，它的_______并联在高压电路上，副线圈接入交流电压表，如图3－2－4甲．(2)电流互感器：用来把大电流变成小电流，副线圈比原线圈___________，原线圈______在被测电路中，副线圈接入交流电流表，如图3－2－4乙．匝数少原线圈匝数多串联图3－2－44．电源变压器：不同用电器需要不同的电压，用电源变压器将________交流电压变到用电器所需的电压．220V思考感悟3．根据两种互感器的作用特点，你能推知它们的匝数之间的关系吗？提示：电压互感器是降压变压器，据U1U2＝n1n2知，n1n2；电流互感器是升压变压器，根据I3I4＝n4n3知，n3n4.核心要点突破一、理想变压器基本规律探究1．实验探究电压与匝数关系(1)按图3－2－5所示电路连接电路图3－2－5(2)原线圈接低压交流电源6V，保持原线圈匝数n1不变，分别取副线圈匝数n2＝12n1，n1,2n1，用多用电表交流电压挡分别测出副线圈两端的电压，记入表格．(3)原线圈接低压交流电源6V，保持副线圈匝数n2不变，分别取原线圈匝数n1＝12n2，n2,2n2，用多用电表交流电压挡分别测出副线圈两端的电压，记入表格.实验次数123456原线圈匝数n1n1n1n112n2n22n2副线圈匝数n212n1n12n1n2n2n2副线圈输出电压U2结论(4)总结实验现象，得出结论，在实验误差允许的范围内，电压与匝数的关系是：原、副线圈两端的电压跟匝数成正比，U1U2＝n1n2.2．理想变压器的基本关系(1)输入功率等于输出功率P入＝P出，U1I1＝U2I2.(2)原、副线圈两端的电压跟匝数成正比，U1U2＝n1n2.(3)原、副线圈中的电流跟匝数成反比，I1I2＝n2n1(仅限一个副线圈)．(4)原、副线圈的交变电流的周期T和频率f相同．即时应用1.理想变压器原、副线圈匝数之比为10∶1，在原线圈中通以50Hz的正弦交流电，则下列说法正确的是()A．原、副线圈两端的电压之比为10∶1B．原、副线圈中通过的电流之比为10∶1C．原、副线圈的输入、输出功率之比为10∶1D．原、副线圈中交流电的频率之比为10∶1解析：选A.由变压器的变压比和变流比公式U1U2＝n1n2、I1I2＝n2n1，可知变压器既可以改变电压又可以改变电流，但对于理想变压器来说，其效率为100%，即P入＝P出，所以理想变压器不能改变功率；另外，理想变压器输入周期性的正弦交流电时，磁通量也随着周期性地发生变化，因此输出端将得到相同周期和频率的交流电，即理想变压器不能改变交流电的周期和频率．故正确选项为A.二、理想变压器的三种决定关系当理想变压器的原、副线圈的匝数不变时，如果变压器的负载发生变化，要确定其他物理量变化，可依据下列原则：1．输入电压U1决定输出电压U2输出电压U2＝n2n1U1，当U1不变时，不论负载电阻R变化与否，U2不会改变．2．输出电流I2决定输入电流I1在输入电压U1一定的情况下，输出电压U2也被完全确定．当负载电阻R增大时，I2减小，则I1相应减小，当负载电阻R减小时，I2增大，则I1相应增大，在使用变压器时，不能使变压器次级短路．3．输出功率P2决定输入功率P1理想变压器的输出功率与输入功率相等，即P2＝P1.在输入电压U1一定的情况下，当负载电阻增大时，I2减小，则变压器输出功率P2＝I2U2减小，输入功率P1也将相应减小；当负载电阻R减小时，I2增大，变压器的输出功率P2＝I2U2增大，则输入功率P1也将增大．特别提醒：(1)对于变压器，是用多少电能就输入多少电能，而不是输入多少电能就用多少电能．(2)对于电流关系：I1I2＝n2n1适用于只有一个原线圈、一个副线圈的变压器，若有多个副线圈，则有n1I1＝n2I2＋n3I3＋…＋nnIn.即时应用2.对于理想变压器，下列说法中正确的是()A．原线圈的输入功率随着副线圈的输出功率的增大而增大B．原线圈的输入电流随着副线圈的输出电流的增大而增大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ABC.输入功率始终等于输出功率，当变压器的匝数比确定时，输入电流与输出电流的比值也就确定，所以输入电流随着输出电流的增大而增大，并且输入电流由输出电流决定，A、B正确．原线圈的电压是输入电压，是由输入设备或发电机决定的，与变压器无关，不随副线圈的输出电流的变化而变化，故C对、D错．课堂讲练例1如图3－2－6所示，理想变压器原、副线圈匝数之比为2∶1，并且原、副线圈上分别接有相同的灯泡A、B，已知电源电压为U，试求灯泡B两端的电压．图3－2－6【精讲精析】设灯泡A两端的电压为UA，由于灯泡A与原线圈串联，所以有U1＝U－UA，又据变压比公式U1U2＝n1n2，所以有U－UAUB＝n1n2；另据电流的变比公式I1I2＝n2n1及欧姆定律UA＝I1R，UB＝I2R，可得UB＝2UA，从而可解得UB＝25U.【答案】25U【易误警示】本题易出现的错误是将U和U1混淆，故解答本题时要注意，变压比公式U1U2＝n1n2中的U1、U2指的是什么，题中电源两端的电压U与变压器原线圈两端的电压U1不能混为一谈．变式训练1(2011年高考新课标全国卷)如图3－2－7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()图3－2－7A．U＝110V，I＝0.2AB．U＝110V，I＝0.05AC．U＝1102V，I＝0.2AD．U＝1102V，I＝0.22A解析：选A.由于灯泡正常发光，故灯泡两端电压即副线圈两端电压为U2＝220V，通过灯泡的电流即副线圈中的电流为I2＝22W220V＝0.1A．根据理想变压器电压关系U1∶U2＝n1∶n2，得U1＝110V，电流关系I1∶I2＝n2∶n1，得I1＝0.2A，则U＝U1＝110V，I＝I1＝0.2A．故选项A正确，选项B、C、D错误．例2为探究理想变压器原、副线圈电压、电流的关系，将原线圈接到电压有效值不变的正弦交流电源上，副线圈连接相同的灯泡L1、L2，电路中分别接了理想交流电压表V1、V2和理想交流电流表A1、A2，导线电阻不计，如图3－2－8所示．当开关S闭合后()图3－2－8A．A1示数变大，A1与A2示数的比值不变B．A1示数变大，A1与A2示数的比值变大C．V2示数变小，V1与V2示数的比值变大D．V2示数不变，V1与V2示数的比值不变【精讲精析】由U1U2＝n1n2可知，由于V1不变，所以副线圈的输出电压V2不变，且V1与V2示数的比值不变，故当开关S闭合后，电阻R减小，由I2＝U2R可知，电流表A2的示数变大，由I1I2＝n2n1可知，电流表A1的示数也变大，但A1与A2示数的比值不变，始终等于n2n1.故A、D正确．【答案】AD【方法总结】对理想变压器的动态分析问题，要根据题意分清变量和不变量，弄清“谁决定谁”的制约关系，即理想变压器各物理量变化的决定因素．某小型水电站的发电机输出功率为24.5kW，输出电压为350V，输电线总电阻为4Ω，为了使输电线损耗功率为发电机输出功率的5%，需在发电机处安装升压变压器，用户所需电压为220V，所以在用户处需安装降压变压器．求：(1)输电线上的电流；(2)升压变压器的原、副线圈的匝数之比；(3)降压变压器的原、副线圈的匝数之比．例3【思路点拨】【自主解答】画出电能输送电路如图3－2－9所示．图3－2－9(1)输电线上功率损失：ΔP＝5%P1＝5%×24.5kW＝1225W.又因为ΔP＝I22R线，所以输电线上的电流为：I2＝ΔPR线＝12254A＝17.5A.(2)升压变压器输出电压为：U2＝P2I2＝P1I2＝24.5×10317.5V＝1400V，升压变压器原、副线圈的匝数之比为：n1∶n2＝U1∶U2＝350∶1400＝1∶4.(3)输电线上电压损失：ΔU＝I2R线＝U2－U3，降压变压器输入电压：U3＝U2－ΔU＝U2－I2R线＝(1400－17.5×4)V＝1330V.降压变压器原、副线圈的匝数之比为：n3∶n4＝U3∶U4＝1330∶220＝133∶22.【答案】(1)17.5A(2)1∶4(3)133∶22变式训练2如图3－2－10所示为一理想变压器，原线圈的输入电压U1＝3330V，副线圈的输出电压U2＝220V，绕过铁芯的导线所接的电压表的示数U0＝2V，则：图3－2－10(1)原、副线圈的匝数各是多少？(2)当S断开时，A2的示数I2＝5A，那么A1的示数是多少？解析：(1)根据变压比n1n0＝U1U0及n2n0＝U2U0，有n1＝U1U0·n0＝33002×1匝＝1650