2021版高考物理一轮复习 第十一章 交变电流 传感器 2 第二节 变压器 远距离输电课件

第十一章交变电流传感器第二节变压器远距离输电【基础梳理】提示：原线圈副线圈闭合铁芯互感P出＝P入U1U2＝n1n2n1I1＝n2I2＋n3I3＋…把高电压变成低电压把大电流变成小电流升压变压器降压变压器P－P′I2RΔU2RPUU－U′R【自我诊断】1．判一判(1)变压器不但能改变交变电流的电压，还能改变交变电流的频率．()(2)理想变压器的基本关系式中，电压和电流可以均为有效值．()(3)变压器只能使交变电流的电压减小．()(4)高压输电的目的是增大输电的电流．()(5)在输送电压一定时，输送的电功率越大，输送过程中损失的功率越小．()(6)变压器原线圈中的电流由副线圈中的电流决定．()×√×××√2．做一做(1)(多选)关于理想变压器的工作原理，以下说法正确的是()A．通过正弦式交变电流的原线圈产生的磁通量不变B．穿过原、副线圈的磁通量在任何时候都相等C．穿过副线圈磁通量的变化使得副线圈产生感应电动势D．原线圈中的电流通过铁芯流到了副线圈提示：选BC.由于是交变电流，交变电流的磁场不断变化，磁通量也在变化，A错误；因理想变压器无漏磁，故B正确；由变压器工作原理知C正确；原线圈中的电能转化为磁场能又转化为电能，故D错误．(2)(多选)(2020·河北衡水中学模拟)在远距离输电时，输送的电功率为P，输电电压为U，所用输电导线的电阻率为ρ，横截面积为S，两地的距离为L，输电线上损耗的电功率为P1，用户得到的电功率为P2.下列关于P1和P2的表达式中正确的是()A．P2＝P1－2PρLU2SB．P2＝P－U2S2ρLC．P1＝2P2ρLU2SD．P1＝U2SρL提示：选AC.输电线上的电流I＝PU，输电导线的电阻R＝ρ·2LS，输电线上损耗的电功率为：P1＝I2R＝2P2ρLU2S，用户得到的电功率为：P2＝P1－2PρLU2S，故A、C正确．理想变压器原理和基本关系【知识提炼】1．变压器的工作原理2．理想变压器中的相互作用关系理想变压器①没有能量损失(铜损、铁损)②没有磁通量损失(磁通量全部集中在铁芯中)基本关系功率关系P入＝P出电压关系原、副线圈的电压比等于匝数比，与负载情况、副线圈个数无关基本关系电流关系只有一个副线圈时，电流和匝数成反比；有多个副线圈时，由输入功率和输出功率相等确定电流关系频率关系原、副线圈中电流的频率相等制约关系电压副线圈电压U2由原线圈电压U1和匝数比决定功率原线圈的输入功率P1由副线圈的输出功率P2决定电流原线圈电流I1由副线圈电流I2和匝数比决定3.几种常用的变压器(1)自耦变压器——调压变压器，如图甲、乙所示．(2)互感器电压互感器：把高电压变成低电压，如图丙所示.电流互感器：把大电流变成小电流，如图丁所示.【典题例析】一含有理想变压器的电路如图所示，图中电阻R1、R2和R3的阻值分别为3Ω、1Ω和4Ω，A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、副线圈匝数比值为()A．2B．3C．4D．5[解析]设理想变压器原、副线圈匝数比值为k，根据题述，当开关S断开时，电流表示数为I，则由闭合电路欧姆定律得，U＝IR1＋U1.由变压公式U1U2＝k及功率关系U1I＝U2I2，可得I2I＝k，即副线圈输出电流为I2＝kI，U2＝I2(R2＋R3)＝kI(R2＋R3)．当开关S闭合时，电流表示数为4I，则有U＝4IR1＋U′1.由变压器公式U′1U′2＝k及功率关系U′1·4I＝U′2I′2，可得I′24I＝k，即副线圈输出电流为I′2＝4kI，U′2＝I′2R2＝4kIR2；联立解得k＝3，B正确．[答案]B【迁移题组】迁移1变压器原、副线圈的制约关系分析1．(2018·高考天津卷)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12，则()A．R消耗的功率变为12PB．电压表V的读数变为12UC．电流表A的读数变为2ID．通过R的交变电流频率不变解析：选B.交流发电机产生的感应电动势最大值Em＝NBSω，且有ω＝2πn，所以当发电机线圈转速减半后，感应电动势最大值减半，有效值减半，又理想变压器原、副线圈电压有效值之比等于原、副线圈匝数比，故电压表示数减为原来的一半，B正确；由电功率P＝U2R可知，变压器输出功率即R消耗的功率变为原来的14，A错误；由P＝UI可知，原线圈中电流减为原来的一半，C错误；交流电的频率与发电机线圈转动角速度成正比，D错误．迁移2自耦变压器的原理2.自耦变压器铁芯上只绕有一个线圈，原、副线圈都只取该线圈的某部分．一升压式自耦调压变压器的电路如图所示，其副线圈匝数可调．已知变压器线圈总匝数为1900匝；原线圈为1100匝，接在有效值为220V的交流电源上．当变压器输出电压调至最大时，负载R上的功率为2.0kW.设此时原线圈中电流有效值为I1，负载两端电压的有效值为U2，且变压器是理想的，则U2和I1分别约为()A．380V和5.3AB．380V和9.1AC．240V和5.3AD．240V和9.1A解析：选B.由U1n1＝U2n2得U2＝n2n1U1＝19001100×220V＝380V，由P1＝P2＝U1I1＝U2I2得I1＝P2U1＝2000220A≈9.1A，B正确．迁移3互感器的应用3．(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n1n2，a是电流表B．A为电压互感器，且n1n2，a是电压表C．B为电流互感器，且n3n4，b是电流表D．B为电压互感器，且n3n4，b是电压表解析：选AD.由题图可知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n2n1；在B中，有U3U4＝n3n4，要把高电压变为低电压，则有n3n4.综上所述可知，A、D正确．迁移4多个副线圈的变压器分析4.如图所示，理想变压器有两个副线圈，L1、L2是两盏规格为“8V，10W”的灯泡，L3、L4是两盏规格为“6V，12W”的灯泡，当变压器的输入电压为U1＝220V时，四盏灯泡恰好都能正常发光，如果原线圈的匝数n1＝1100匝，求：(1)副线圈n2、n3的匝数；(2)电流表的读数．解析：(1)由变压器原理可知n1∶n2∶n3＝U1∶U2∶U3，则n2＝U2U1n1＝8220×1100匝＝40匝n3＝U3U1n1＝2×6220×1100匝＝60匝．(2)由输入功率等于输出功率知I1U1＝2PL2＋2PL3，则I1＝2PL2＋2PL3U1＝2×10＋2×12220A＝0.2A.答案：(1)40匝60匝(2)0.2A1．关于理想变压器的四点说明(1)变压器不能改变直流电压．(2)变压器只能改变交变电流的电压和电流，不能改变交变电流的频率．(3)理想变压器本身不消耗能量．(4)理想变压器基本关系中的U1、U2、I1、I2均为有效值．2．多副线圈变压器对于副线圈有两个及以上的理想变压器，电压与匝数成正比是成立的，而电流与匝数成反比的规律不成立．但在任何情况下，电流关系都可以根据原线圈的输入功率等于副线圈的输出功率，即P入＝P出进行求解．变压器的动态分析【知识提炼】常见的理想变压器的动态分析问题一般有两种：匝数比不变的情况和负载电阻不变的情况．匝数比不变的情况负载电阻不变的情况匝数比不变的情况负载电阻不变的情况(1)U1不变，根据U1U2＝n1n2，输入电压U1决定输出电压U2，可以得出不论负载电阻R如何变化，U2不变(2)当负载电阻发生变化时，I2变化，根据输出电流I2决定输入电流I1，可以判断I1的变化(3)I2变化引起P2变化，根据P1＝P2，可以判断P1的变化(1)U1不变，n1n2发生变化，U2变化(2)R不变，U2变化，I2发生变化(3)根据P2＝U22R和P1＝P2，可以判断P2变化时，P1发生变化，U1不变时，I1发生变化【典题例析】如图所示电路中，变压器为理想变压器，a、b接在电压有效值不变的交流电源两端，R0为定值电阻，R为滑动变阻器．现将变阻器的滑片从一个位置滑动到另一位置，观察到电流表A1的示数增大了0.2A，电流表A2的示数增大了0.8A，则下列说法正确的是()A．电压表V1示数增大B．电压表V2、V3示数均增大C．该变压器起升压作用D．变阻器滑片是沿c→d的方向滑动[解析]电压表V1的示数和a、b间电压的有效值相同，滑片滑动时V1示数不变，A错误；电压表V2测量的电压为副线圈两端的电压，原、副线圈匝数不变，输入电压不变，故V2示数不变，V3示数为V2示数减去R0两端电压，两线圈中电流增大，易知R0两端电压升高，故V3示数减小，B错误；理想变压器U1I1＝U2I2，则U1ΔI1＝U2ΔI2，ΔI2ΔI1，故U2＜U1，变压器为降压变压器，C错误；因I2增大，故知R减小，变阻器滑片是沿c→d的方向滑动，D正确．[答案]D【迁移题组】迁移1负载电阻变化时的动态分析1．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，R1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A1示数变大D．若闭合开关S，则电流表A1示数变大，A2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，滑动变阻器接入电路的电阻增大，变压器副线圈的总负载的等效电阻增大，R1中电流减小，R1两端电压减小，电压表示数变大，R1消耗的电功率变小，A错误，B正确；当滑动变阻器的滑动触头P向上滑动时，变压器副线圈输出电流减小，输出功率减小，根据变压器输入功率等于输出功率，变压器输入功率减小，电流表A1示数变小，C错误；若闭合开关S，变压器副线圈的总负载的等效电阻减小，则R1中电流增大，R1两端电压增大，电压表示数减小，电流表A2示数减小，电流表A1示数变大，D错误．迁移2匝数比变化时的动态分析2．如图所示，理想变压器的原、副线圈分别接理想电流表A、理想电压表V，副线圈上通过输电线接有一个灯泡L、一个电吹风M，输电线的等效电阻为R，副线圈匝数可以通过调节滑片P改变．S断开时，灯泡L正常发光，滑片P位置不动，当S闭合时，以下说法正确的是()A．电压表读数增大B．电流表读数减小C．等效电阻R两端电压增大D．为使灯泡L正常发光，滑片P应向下滑动解析：选C.S闭合时，变压器副线圈电路电流增大，两端电压不变，电压表读数不变，A错误．由于变压器输出功率增大，输入电流增大，电流表读数增大，B错误．由于输电线中电流增大，所以输电线等效电阻R两端电压增大，C正确．为使灯泡L正常发光，应该增大变压器输出电压，滑片P应向上滑动，D错误．迁移3含二极管变压器的动态分析3．(多选)如图所示，一理想变压器原、副线圈的匝数分别为n1、n2.原线圈通过一理想电流表A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Uab和Ucd，则()A．Uab∶Ucd＝n1∶n2B．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，c、d间的电压Ucd越大D．将二极管短路，电流表的读数加倍解析：选BD.经交流电压表、交流电流表测得的值分别为交变电压和交变电流的有效值，根据变压器公式UabU2＝n1n2得到输出电压，而输出电压U2不等于c、d端电压，因二极管具有单向导电性，输入电压通过变压器变压后经二极管整流后有效值发生变化，Ucd＝2U22＝2n2Uab2n1，则Uab∶Ucd＝2n1∶n2，故A错误．增大负载电阻的阻值R，Uab不变，Ucd也不变