2020年物理高考大一轮复习 第11章 交变电流 传感器 第32讲 变压器的原理 电能的输送课件

第十一章交变电流传感器高考总复习·物理第32讲变压器的原理电能的输送高考总复习·物理板块一板块二板块三课时达标目录板块一︿︿[知识梳理]1．变压器构造：如图所示，变压器主要由___________、_________和_________组成．闭合铁芯原线圈副线圈2．理想变压器的基本关系式(1)功率关系：__________.(2)电压关系：__________.(3)电流关系：__________.P入＝P出U1U2＝n1n2I1I2＝n2n13．远距离输电过程(如图所示)4．远距离输电电压损失：ΔU＝_________＝_____.5．远距离输电功率损失：ΔP＝_________＝_____.U－U′IRP－P′I2R[基础小练]判断下列说法是否正确(1)理想变压器的基本关系式中，电压和电流均为有效值．()(2)变压器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)变压器空载时，即变压器当副线圈与用电器断开时，副线圈两端无电压．()(4)变压器负载改变时，原线圈的电压也随之改变()√√××(5)变压器副线圈并联更多的用电器时，原线圈输入的电流随之减小．()(6)高压输电是通过减小输电电流来减少电路的发热损耗．()(7)在输送电压一定时，输送的电功率越大，输电过程中的电能损失越大．()(8)增大输电导线的横截面积有利于减少输电过程中的电能损失，故远距离输电以增大导线横截面积为减小电能损失的主要方式．()×√√×板块二︿︿[考法精讲]考法一理想变压器的工作原理和基本量的关系基本关系(1)无漏磁，故原、副线圈中的Φ、ΔΦΔt相同．(2)线圈无电阻，因此无电压降，U＝E＝nΔΦΔt.(3)根据Un＝ΔΦΔt得，套在同一铁芯上的线圈，无论是原线圈，还是副线圈，该比例都成立，则有U1n1＝U2n2＝U3n3＝….(4)无电能损失，因此P入＝P出，无论副线圈一个还是多个，总有U1I1＝U2I2＋U3I3＋…，将电压关系代入可得n1I1＝n2I2＋n3I3＋….(5)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．(6)理想变压器基本关系中的U1、U2、I1、I2均为有效值．【自主练1】(2019·潍坊高三一模)(多选)如图所示，匀强磁场的磁感应强度为22πT，矩形线圈面积为0.08m2，匝数为10，电阻不计，通过电刷与理想变压器原线圈相连．当线圈绕垂直磁场的轴OO′以50πrad/s的角速度转动，副线圈两端交流电压表的示数为16V，则()A．在图示位置时矩形线圈产生的电动势为0VB．矩形线圈产生的交流电周期为0.02sC．矩形线圈产生的电动势有效值为802VD．变压器原、副线圈匝数之比为5∶1答案AD解析在图示位置时，磁通量最大，矩形线圈产生的电动势为0V，故选项A正确；矩形线圈产生的交流电周期为T＝2πω＝2π50πs＝0.04s，故选项B错误；矩形线圈产生的电动势最大值为Emax＝NBSω＝10×22π×0.08×50π＝802V，矩形线圈产生的电动势有效值为E＝Emax2＝80V，故选项C错误；变压器原、副线圈匝数之比为n1n2＝U1U2＝8016＝5∶1，故选项D正确．【自主练2】(2019·青岛城阳区期末)将如图甲所示的不完整正弦交流电接在图乙理想变压器的a、b端．理想变压器的原、副线圈匝数之比为5∶1，所接电表均为理想表，副线圈回路中两个电阻阻值均为R＝11Ω，开关处于断开状态．下列说法正确的是()A．电流表的示数为0.4AB．电压表的示数为22VC．a、b端的输入功率为88WD．闭合开关K后，电压表示数将变为11V答案C解析输入电压的有效值U1＝22022V＝1102V，据原、副线圈的电压比等于匝数比U1U2＝n1n2＝51，得U2＝222V，选项B错误；负载消耗的功率P2＝U22R＝222211W＝88W；对于理想变压器，输入功率等于输出功率，所以a、b端的输入功率为88W，选项C正确；输入功率P1＝U1I1，I1＝0.42A，选项A错误；闭合开关K后，由于匝数比不变，电压表示数不变，选项D错误．考法二三种特殊的变压器模型1．自耦变压器自耦变压器(又称调压器)，它只有一个线圈，其中的一部分作为另一个线圈，当交流电源接不同的端点时，它可以升压也可以降压，变压器的基本关系对自耦变压器均适用，如图所示．2．互感器分为电压互感器和电流互感器，比较如下：电压互感器电流互感器原理图原线圈的连接并联在高压电路中串联在交流电路中副线圈的连接连接电压表连接电流表互感器的作用将高电压变为低电压将大电流变成小电流利用的公式U1U2＝n1n2I1n1＝I2n2【自主练3】(2019·福州一模)如图所示是一台理想自耦变压器，在a、b之间接电压不变的正弦交流电，A为理想交流电流表．变压器调压端的滑动头P原来处于线圈中点，电阻箱的电阻为R.若将滑动头P向上移到最高处，并调节电阻箱的阻值为R′，使电流表的读数变为原来的两倍，则R′等于()A.R8B.R4C.R2D．4RA解析当P在线圈中点时，根据U1U2＝n1n2，得U2＝2U，I2＝2UR，由I1I2＝n2n1，则电流表的读数I＝2I2＝4UR；当P在线圈最高点时，则U2′＝U，I2′＝UR′，则电流表的读数I′＝I2′＝UR′，因I′＝2I，所以R′＝18R，选项A正确．【自主练4】(2019·成都诊断)一理想自耦变压器如图所示，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，副线圈两端连有一电阻R.在a、b间输入电压为U1的交变电压时，c、d间的电压为U2，在将滑动触头从图中M点逆时针旋转到N点的过程中()A．U2有可能大于U1B．U1、U2均增大C．U1不变、U2增大D．a、b间输入功率不变答案C解析根据变压器的电压关系有U1U2＝n1n2，由于n2＜n1，所以U2＜U1，选项A错误．当滑动触头从M逆时针转动时，即n2增大时，输入电压U1由发电机决定不变，电压U2＝n2n1U1应该增大，选项B错误，C正确．因负载不变，故输出功率增大，则变压器的输入功率增大，选项D错误．归纳总结电压互感器与电流互感器的三个角度区分(1)交流电表的不同：副线圈接电压表的是电压互感器，接电流表的是电流互感器．(2)匝数比的不同：副线圈匝数少的是电压互感器，变压器降压，副线圈匝数多的是电流互感器，变压器降低电流．(3)原线圈接线方式的不同：变压器原线圈两条线分别接火线和零线的是电压互感器，两条线均接火线的是电流互感器．考法三理想变压器的动态分析1．匝数比不变的情况(如图所示)(1)U1不变，根据U1U2＝n1n2，输入电压U1决定输出电压U2，不论负载电阻R如何变化，U2均不变．(2)当负载电阻发生变化时，I2变化，输出电流I2决定输入电流I1，故I1发生变化．(3)I2变化引起P2变化，P1＝P2，故P1发生变化．2．负载电阻不变的情况(如图所示)(1)U1不变，n1n2发生变化，故U2变化．(2)R不变，U2改变，故I2发生变化．(3)根据P2＝U22R，P2发生变化，再根据P1＝P2，故P1变化，P1＝U1I1，U1不变，故I1发生变化．【例题1】(2019·咸阳高三一模)如图甲所示，理想变压器原、副线圈的匝数之比为n1∶n2＝5∶1，电阻R＝20Ω，L1、L2为规格相同的两只灯泡，S1为单刀双掷开关，原线圈接正弦交变电源，输入电压u随时间t的变化关系如图乙所示，现将S1接1,S2闭合，此时L2正常发光，下列说法正确的是()A．输入电压的表达式u＝202sin50πtVB．只断开S2后，L1、L2均正常发光C．只断开S2后，原线圈的输入功率增大D．若S1换接到2后，R消耗的电功率为0.8W答案D解析周期是0.02s，ω＝2π0.02＝100πrad/s，所以输入电压u的表达式应为u＝202sin100πtV，选项A错误；只断开S2后，负载电阻变大为原来的2倍，电压不变，副线圈电流变小为原来的一半，L1、L2的功率均变为额定功率的14，选项B错误；只断开S2后，副线圈的功率减小，原线圈的输入功率等于副线圈的功率，选项C错误；若S1换接到2后，电阻R电压有效值为4V，R消耗的电功率为P＝U2R＝0.8W，选项D正确．【跟踪训练1­1】(2019·济宁高三一模)(多选)如图甲所示，理想变压器的原、副线圈共接有四个规格完全相同的小灯泡，在原线圈所在电路的A、B端输入的交流电的电压如图乙所示，四个灯泡均正常发光．下列说法正确的()A．原、副线圈的匝数比4∶1B．灯泡的额定电压为55VC．原线圈两端的电压为220VD．若副线圈再并联一规格相同的灯泡，灯泡L1有可能被烧坏答案BD解析设每只灯泡的额定电流为I，额定电压为U，因并联在副线圈两端的三只小灯泡正常发光，所以副线圈中的总电流为3I，原、副线圈电流之比为1∶3，所以原、副线圈的匝数之比为3∶1，所以原线圈电压为3U，而L1灯泡的电压也为U，所以电源的电压为4U＝220V，副线圈电压为U＝55V，原线圈电压为3U＝175V，选项A、C错误，B正确；若副线圈再并联一规格相同的灯泡，则有220－I1RI2·14R＝n1n2＝31，I1I2＝n2n1＝13，解得灯泡L1两端电压为UL1＝I1R＝67.7V55V，故灯泡L1有可能被烧坏，选项D正确．【跟踪训练1­2】(2019·江西九所重点中学高三联考)(多选)一含有理想变压器的电路如图甲所示，图中理想变压器原、副线圈匝数之比为2∶1，电阻R1和R2的阻值分别为3Ω和1Ω，电流表、电压表都是理想交流电表，a、b输入端输入的电流如图乙所示，下列说法正确的是()A．电流表的示数为62AB．电压表的示数为6VC．0～0.04s内，电阻R1产生的焦耳热为0.24JD．0.03s时，通过电阻R1的电流为6A答案AC解析设电流表的示数为I1，则I21RT＝222R·T2＋(2)2R·T2，求得I1＝62A，故选项A正确；原线圈中电流只有交流部分电流才能输出到副线圈中，故副线圈中电流交流部分的电流最大值为22A，设副线圈交流电的有效值为I2，则I22RT＝2222R·T2，求得I2＝2A，因此电压表的示数为U＝I2R＝2V，故选项B错误；在0～0.04s内，电阻R1产生的焦耳热为Q＝I22R1t＝(2)2×3×0.04J＝0.24J，故选项C正确；由图可知，在0.03s的前后，原线圈中的电流不变化，则副线圈中没有感应电流，所以通过电阻R1的瞬时电流为零，故选项D错误．【跟踪训练1­3】(2019·全国100所名校模拟)如图所示，一小型电风扇通过理想变压器接到一交流电源上，电风扇的线圈电阻为r，理想变压器原、副线圈的匝数比为n∶1，交流电源的电压瞬时值u＝Umsinωt.开关S闭合后，电风扇正常运转且消耗的电功率为P，则()A．电风扇线圈中交流电的频率为2πωB．电风扇两端的电压的有效值为Um2nC．通过电风扇的电流的有效值为Um2nrD．电风扇的输出功率为P－P2n2rU2m答案B解析交流电的频率f＝1T＝ω2π，选项A错误；原线圈电压的有效值U1＝Um2，电风扇两端的电压U2＝U1n＝Um2n，选项B正确；电风扇是非纯电阻用电器，不能使用公式I＝UR求电流，选项C错误；电风扇中的电流I＝2nPUm，线圈的发热功率Pr＝I2r，电风扇的输出功率P出＝P－Pr，由上述各式联立可得P出＝P－2P2n2rU2m，选项D错误．考法四远距离输电1．理清三个回路远距离输电电网间的基本结构，如图所示．输电过程的电路被划分为三个独立的回路，即电源回路、输送回路和用户回路．在每个回路中，变压器的原线圈是回路的用电器，而相应的副线圈是下一个回路的电源，每个回路均可应用闭合电路欧姆定律、串并联电路的规律，而变压器的电压、电流、功率关系则是联系不同回路的桥梁．2．抓任两个联系(1)理想的升压变压器联系了电源回路和输送回路，由理想变压器原理可得线圈1(匝数为n1)和线圈2(匝数为n2)中各个量间的关系是U1U2＝n1n2，I1n1