2018-2019学年高中物理-第二章-交变电流-6-变压器-教科版选修3-2

第二章交变电流6．变压器学习目标知识脉络1．了解变压器的构造．2．理解变压器的工作原理．3．理解理想变压器以及电压和匝数、电流和匝数之间的关系．(重点、难点)4．应用理想变压器解决实际问题．(难点)[自主预习·探新知][知识梳理]一、变压器的结构与原理1．变压器的结构变压器由闭合铁芯和绕在铁芯上的线圈组成，变压器的模型与符号如图2­6­1所示．图2­6­1(1)原线圈：与_____相连接的线圈，也叫初级线圈．(2)副线圈：与______相连接的线圈，也叫次级线圈．电源负载2．变压器的原理：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_______中激发交变的________，交变的________穿过原线圈也穿过副线圈，在原、副线圈中产生___________．3．能量传递电能从原线圈通过_______传输给副线圈．铁芯磁通量磁通量感应电动势磁场二、理想变压器的原副线圈中物理量之间的关系1．电压关系：理想变压器的电压跟它们的匝数成_____．公式：U1U2＝___.当n1n2时，则有U1U2，叫______变压器．当n1n2时，则有U1U2，叫______变压器．2．电流关系(1)输入功率与输出功率的关系：对于理想变压器，则U1I1_____U2I2，即P入____P出．(2)电流与匝数的关系：I2I1＝____.正比n1n2降压升压＝＝n1n2三、电压互感器和电流互感器1．电压互感器用来把高电压变成_________．副线圈比原线圈匝数少，如图2­6­2甲所示，根据已知的变压比可以计算出原线路中的电压．低电压2．电流互感器用来把大电流变成_________，副线圈比原线圈匝数多，如图2­6­2乙，根据已知的变流比可以计算出原线路中的电流．甲乙图2­6­2小电流3．两种互感器的比较(1)两种互感器的连接方式：电压互感器原线圈______在被测的高压线路上，电流互感器原线圈_______在被测的电路中．(2)两种互感器的特点：电压互感器是一种____压变压器，原线圈匝数多，电流互感器是一种____压变压器，副线圈匝数多．(3)使用互感器时，一定要将互感器的外壳和副线圈______．此外，电流互感器在使用时绝对不允许副线圈________．并联串联降升接地开路[基础自测]1．思考判断(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)学校中用的变压器工作时没有能量损失．()(3)理想变压器不仅可以改变交变电流的电压和电流，还可以改变交变电流的功率和频率．()(4)电压互感器是一种降压变压器．()(5)电压互感器的原线圈应串联在被测电路中．()(6)在使用互感器时，互感器的外壳和副线圈应接地．()√××√×√2．一电器中的变压器可视为理想变压器，它将220V交变电流改变为110V．已知变压器原线圈匝数为800，则副线圈匝数为()【导学号：24622075】A．200B．400C．1600D．3200B[根据理想变压器原、副线圈电压与匝数的关系U1U2＝n1n2，得n2＝n1U2U1＝800×110220＝400，选项B正确．]3．在变电所，经常要用交流电表去监测电网上的强电流，使用的仪器是电流互感器．下图中，能正确反映其工作原理的是()A[电流互感器应是测电流的，应串联在火线上，故C、D选项错误；同时，由I1n1＝I2n2知要使I2I1，须n2n1，故A选项正确，B选项错误．][合作探究·攻重难]理想变压器基本关系的理解与应用1.电压制约当变压器原、副线圈的匝数比n1n2一定时，输入电压U1决定输出电压U2，即U2＝n2U1n1.2．功率制约P出决定P入，P出增大，P入增大；P出减小，P入减小；P出为0，P入为0.3．电流制约当变压器原、副线圈的匝数比n1n2一定，且输入电压U1确定时，副线圈中的输出电流I2决定原线圈中的电流I1，即I1＝n2I2n1.一理想变压器的原、副线圈的匝数比为3∶1，在原、副线圈的回路中分别接有阻值相同的电阻，原线圈一侧接在电压在220V的正弦交流电源上，如图2­6­3所示．设副线圈回路中电阻两端的电压为U，原、副线圈回路中电阻消耗的功率的比值为k，则()图2­6­3A．U＝66V，k＝19B．U＝22V，k＝19C．U＝66V，k＝13D．U＝22V，k＝13思路点拨：解答本题应注意以下两点：①变压器的输入电压不等于电源电压220V．②原、副线圈中的电阻相同．A[设原、副线圈中的电流分别为I1、I2，则I1I2＝n2n1＝13，故k＝I21RI22R＝19.设原线圈两端的电压为U1，则U1U＝n1n2＝31，故U1＝3U，而原线圈回路中电阻分担的电压为13U，故U3＋3U＝220V，解得U＝66V．选项A正确．]公式U1U2＝n1n2及I1I2＝n2n1中的电压和电流一般指有效值，但也可以是最大值，但必须要对应.[针对训练]1．如图2­6­4所示，理想变压器原、副线圈匝数比为20∶1，两个标有“12V6W”字样的小灯泡并联在副线圈的两端．当两灯泡都正常工作时，原线圈电路中电压表和电流表(可视为理想电表)的示数分别是()图2­6­4A．120V,0.10AB．240V,0.025AC．120V,0.05AD．240V,0.05AD[灯泡正常工作，副线圈两端的电压U2＝12V，副线圈中的电流I2＝2×612A＝1A，根据匝数比得原线圈中的电流I1＝120I2＝0.05A，原线圈两端的电压U1＝20U2＝240V，选项D正确．]2．用220V的正弦交流电通过理想变压器对一负载供电，变压器输出电压是110V，通过负载的电流图像如图2­6­5所示，则()图2­6­5A．变压器输入功率约为3.9WB．输出电压的最大值是110VC．变压器原、副线圈匝数比是1∶2D．负载电流的函数表达式i＝0.05sin100πt＋π2AA[根据理想变压器的输入功率等于输出功率，则P入＝P出＝P负＝110×0.052W≈3.9W，故A选项正确；由于题干中变压器输出电压的数值是有效值，则变压器的输出电压的最大值应是1102V，故B选项错误；根据理想变压器的变压比关系式U1U2＝n1n2可得，变压器原副线圈匝数比n1n2＝U1U2＝21，故C选项错误；根据题图可得，负载电流的函数表达式为i＝Imsin2πTt＋0，解得i＝0.05sin100πtA．故D选项错误．]理想变压器的动态分析变压器的动态电路分析，一是要符合变压器的基本规律(电压、电流、功率关系)；二是要遵循电路规律．首先确定是哪些量在变，哪些量不变，然后根据相应的规律判断，具体问题具体分析．一般分为以下两种情况：(1)原、副线圈匝数比n1n2不变．分析原、副线圈的电压U1、U2，电流I1、I2，输出和输入功率P2、P1随负载电阻变化而变化的情况．将变压器接到交流电源上，原线圈的输入电压为U1，副线圈两端电压U2U2＝n2n1U1为定值，流过副线圈的电流I2I2＝U2R随负载电阻的减小而增大，变压器输出功率P2(P2＝U2I2)也随着增大，不计变压器损失的能量，则变压器输入功率P1(P1＝P2)也增大，流过原线圈的电流I1I1＝P1U1也增大．进行动态分析的顺序是U1→U2＝n2n1U1→I2＝U2R→P2＝I2U2――――→能量守恒P1＝P2→I1＝P1U1.(2)负载不变．上述物理量随原、副线圈匝数比的变化而变化的情况．一般情况下，如果原线圈输入电压U1和匝数n1不变，当副线圈匝数n2增大时，副线圈两端电压U2U2＝n2n1U1增大，流过副线圈的电流I2I2＝U2R增大，变压器输出功率P2(P2＝U2I2)增大，则变压器的输入功率P1增大，流过原线圈的电流I1增大，反之，变化情况则相反．(多选)如图2­6­6所示，理想变压器的原线圈连接一只理想交流电流表，副线圈匝数可以通过滑动触头Q来调节，在副线圈两端连接了定值电阻R0和滑动变阻器R，P为滑动变阻器的滑片．在原线圈上加一电压为U的正弦交流电，则()图2­6­6A．保持Q的位置不动，将P向上滑动时，电流表读数变大B．保持Q的位置不动，将P向上滑动时，电流表读数变小C．保持P的位置不动，将Q向上滑动时，电流表读数变大D．保持P的位置不动，将Q向上滑动时，电流表读数变小思路点拨：①保持Q的位置不动，则原、副线圈匝数比不变．②保持P的位置不动，则负载电阻不变．BC[保持Q的位置不动，则U2不变，将P向上滑动时，R接入电路的电阻变大，根据I2＝U2R0＋R知，I2变小，由I1I2＝n2n1得I1也变小，即电流表读数变小，选项A错误，选项B正确；保持P的位置不动，将Q向上滑动时，U2变大，则根据P2＝U22R0＋R知副线圈输出功率变大，由P1＝P2知，变压器原线圈输入功率P1变大，而P1＝I1U，输入电压U一定，I1变大，即电流表读数变大，选项C正确，选项D错误．]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→I2→P出→P入→I1.(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n1、n2→U2→I2→P出→P入→I1.[针对训练]3.如图2­6­7所示，接在家庭电路上的理想降压变压器给小灯泡L供电，如果将原、副线圈减少相同匝数，其他条件不变，则()图2­6­7A．小灯泡变亮B．小灯泡变暗C．原、副线圈两端电压的比值不变D．通过原、副线圈电流的比值不变B[由于家庭电路上理想变压器为降压变压器，故n1n2，当原、副线圈减少相同的匝数时，其变压比n1′n2′变大，根据U1U2＝n1′n2′，U1一定，U2变小，故小灯泡变暗，选项A错误，选项B正确；由U1U2＝n1′n2′知，原、副线圈电压的比值变大，选项C错误；根据I1I2＝n2′n1′，则通过原、副线圈电流的比值变化，选项D错误．]4．(多选)如图2­6­8所示为一理想变压器．S为单刀双掷开关，P为滑动变阻器的滑片，U1为变压器原线圈两端的电压，I1为原线圈中的电流，则()图2­6­8A．保持U1及P的位置不变，S由a合到b上时，I1将减小B．保持P的位置及U1不变，S由b合到a上时，R消耗的功率减小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，I2增大BD[S由a合到b时，n1减小而U1不变，由U1U2＝n1n2可知，副线圈上的电压增大，负载R的电流I2增大，P2增大，又由于P1＝P2＝U1I1，故I1增大，A项错误；同理S由b合到a时，P2减小，B项正确；P上滑时，负载电阻R增大，而U1、U2均不变，由I2＝U2R可知I2减小，又由于n1、n2均不变，由I1I2＝n2n1可知I1将减小，故C项错误；当U1增大时，由U1U2＝n1n2可知U2也增大，I2＝U2R增大，再由I1I2＝n2n1可知I1增大，故D项正确．]几种常见的变压器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2­6­9所示．图2­6­92．互感器交流电压表和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．(多选)如图2­6­10所示，L1和L2是远距离输电的两根高压线，在靠近用户端的某处用电压互感器和电流互感器监测输电参数，在用电高峰期，用户接入电路的用电器逐渐增多的时候()图2­6­10A．甲电表的示数变小B．甲电表的示数变大C．乙电表的示数变小D．乙电表的示数变大AD[由图可知：甲是电压表，乙是电流表，所以甲是电压互感器，乙是电流互感器；在用电高峰期，用户接入电路的用电器逐渐增多的时候，副线圈总电阻变小，副线圈总电流变大，所以输电导线电流变大，输电导线电阻R不变，由U＝IR可知，电压损失变大，根据高压线上输出电压变小，根据匝数比等于电压之比，所以甲电表的示数变小，故A正确，