2020版高中物理 第二章 交变电流 6 变压器课件 教科版选修3-2

6.变压器一、变压器的结构与原理1.结构:由一个铁芯及两组线圈组成。与电源连接的线圈称为_______,也叫初级线圈;与负载连接的线圈称为_______,也叫次级线圈。原线圈副线圈2.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铁芯中激发交变的磁通量,交变的磁通量穿过原线圈,也穿过副线圈,在原、副线圈中都产生____________,当副线圈闭合时,在副线圈中就会有交流电通过,电能从原线圈通过_____传输给副线圈。感应电动势磁场二、变压器的电压与匝数的关系1.电压与匝数的关系:理想变压器原、副线圈两端的电压跟它们的匝数成正比,即=____。12UU12nn2.两类变压器:(1)降压变压器:副线圈的电压比原线圈电压___的变压器。(2)升压变压器:副线圈的电压比原线圈电压___的变压器。3.理想变压器:忽略原、副线圈的电阻及一切__________的变压器。低高能量损失三、电流与匝数的关系1.推导:理想变压器本身不消耗能量,则有I1U1t=I2U2t,故==____。2.变压器线圈的特点:电压较高的线圈匝数较多,电流较小,导线_____,电压较低的线圈匝数_____,电流较大,导线较粗。l2II21UU21nn较细较少四、电压互感器和电流互感器1.电压互感器:(1)特点:_____变压器。(2)连接方式:初级并联在高压交流电路上,次级与交流_______相连。降压电压表2.电流互感器:(1)特点:_____变压器。(2)连接方式:原线圈串联在被测量交流电路中,副线圈与___________相连。升压交流电流表【思考辨析】(1)我们所用的比较好的变压器就是理想变压器。()(2)理想变压器的输入功率和输出功率相等。()(3)输入交变电流的频率越高,输出交变电流的电压就越高。()(4)电压互感器和电流互感器的副线圈都应接地。()(5)电压互感器原线圈应串联在待测电路中。()(6)电流互感器的原线圈应并联在待测电路中。()提示:(1)×。任何实际的变压器都会有能量损失,所以理想变压器是不存在的。(2)√。理想变压器没有能量损失,所以输入功率和输出功率相等。(3)×。变压器的输出电压由输入电压和原、副线圈的匝数比决定,与交变电流的频率无关。(4)√。为了安全,电压互感器和电流互感器的副线圈都应接地。(5)×。电压互感器原线圈应并联在待测高压电路中。(6)×。电流互感器原线圈应串联在待测大电流电路中。一理想变压器的变压和变流【典例】(2017·北京高考)如图所示,理想变压器的原线圈接在u=220sin100πt(V)的交流电源上,副线圈接有R=55Ω的负载电阻,原、副线圈匝数之比为2∶1,电流表、电压表均为理想电表。下列说法正确的是世纪金榜导学号()2A.原线圈的输入功率为220WB.电流表的读数为1AC.电压表的读数为110VD.副线圈输出交流电的周期为50s22【解析】选B。原线圈接在u=220sin100πt(V)的交流电源上,所以原线圈电压的有效值为U1=220V,由变压器的电压关系=,可得副线圈电压为U2=110V,电压表的示数为交流电的有效值110V,C错误;副线圈的电流为I2==2A,由变压器的电流关系=,可得通过原线圈的电流为1A,B正确;原线圈212UU12nn2UR12II21nn的输入功率为P=U1I1=220W,A错误;交流电的周期为T==0.02s,D错误。2【核心归纳】1.理想变压器的特点:(1)原、副线圈的电阻不计,不产生热量。(2)变压器的铁芯不漏磁。(3)在铁芯内产生的感应电流及产生的热量不计。理想变压器是一个没有能量损失的理想化模型。2.电压关系:由于不计原、副线圈的电阻,因此原线圈两端的电压U1=E1,副线圈两端的电压U2=E2,所以=。当有n组线圈时,则有:==……3.功率关系:对于理想变压器,不考虑能量损失,P入=P出。12UU12nn11Un22Un33Un4.电流关系:由功率关系,当只有一个副线圈时,I1U1=I2U2,得==。当有多个副线圈时,I1U1=I2U2+I3U3+…得I1n1=I2n2+I3n3+…12II21UU21nn【特别提醒】(1)变压器只对变化的电流起作用,对恒定电流不起作用。(2)变压器的两个线圈之间通过磁场联系在一起,两个线圈间是绝缘的。(3)变压器不能改变交变电流的频率。(4)理想变压器本身不消耗能量。(5)理想变压器基本关系中的U1、U2、I1、I2均为有效值。【过关训练】1.(2016·全国卷Ⅰ)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,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、副线圈匝数比为世纪金榜导学号()A.2B.3C.4D.5【解析】选B。设变压器原、副线圈匝数分别为n1、n2,当开关S断开时,电流表的示数为I,副线圈电流为I,因此有(U-IR1)I=()2I2(R2+R3);当S闭合时,电流表的示数为4I,同理有(U-4IR1)×4I=()2(4I)2R2,联立解得原、副线圈匝数比为3,故选B。12nn12nn12nn2.(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,cd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B、D。若变压器原线圈电压为Uab,则副线圈电压为U2=Uab。由于二极管的单向导电性使得Ucd=U2,故=,A错误;增大负载电阻的阻值R,则变压器副线圈电流减小,原线圈电流也减小,即电流表的读数变小,B正确;cd间的电压由变压器的原线圈电压决定,与负载电阻无关,C错误;将二极管短路时,Ucd=U2,副线圈电流会加倍,所以原线圈电流也加倍,故D正确。21nn12abcdUU122nn【补偿训练】1.理想变压器上接有三个完全相同的灯泡,其中一个与该变压器的原线圈串联后接入交流电源,另外两个并联后接在副线圈两端。已知三个灯泡均正常发光。该变压器原、副线圈的匝数之比为()A.1∶2B.2∶1C.2∶3D.3∶2【解析】选B。设灯泡正常发光时的电流为I,由题意可知,通过原线圈的电流I1=I,通过副线圈的电流I2=2I,根据变压器的电流关系==。故B项正确。12nn21II212.图甲为一理想变压器,负载电路中R=5Ω,若原线圈两端输入电压u是如图乙所示的正弦式交流电,电压表示数为10V,则()A.输入电压u=100sin50πtVB.电流表示数为0.2AC.变压器原、副线圈匝数比为5∶1D.若输入电压稳定,R阻值减小,则输入电功率减小2【解析】选B。由图乙可知输入的交变电流的周期是0.02s,所以角速度为100π,故选项A错误;输入交变电流的电压峰值是100V,则有效值是100V,变压器原、副线圈匝数比为10∶1,选项C错误;由I2=,U1I1=U2I2得I2=2A,I1=0.2A,选项B正确;若输入电压稳定,R阻值减小,则通过R的电流增大,即输出功率增大,输入功率也一定增大,选项D错误。22UR二理想变压器的制约关系和动态分析【典例】(2018·天津高考)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,则()12世纪金榜导学号A.R消耗的功率变为PB.电压表V的读数变为UC.电流表A的读数变为2ID.通过R的交变电流频率不变1212【解析】选B。根据ω=2πn可知转速变为原来的,则角速度变为原来的,根据Em=nBSω可知电动机产生的最大电动势为原来的,根据U=可知发电机的输出电压有效值变为原来的,即原线圈的输出电压变为原来的,根据=可知副线圈的输入电压变12121212mE21212nn12UU为原来的,即电压表示数变为原来的,根据P=可知R消耗的电功率变为P,A错误,B正确;副线圈中的电流为I2=,即变为原来的,根据=可知原线圈中的电流也变为原来的,C错误;转速减小为原来的,则频率变为原来的,D错误。12122UR141U2R1212121212nn21II【核心归纳】1.电压制约:当变压器原、副线圈的匝数比()一定时,输出电压U2由输入电压U1决定,即U2=。2.电流制约:当变压器原、副线圈的匝数比()一定,且输入电压U1确定时,原线圈中的电流I1由副线圈中的输出电流I2决定,即I1=。12nn12nn221nIn211nUn3.负载制约:(1)变压器副线圈中的功率P2由用户负载决定,P2=P负1+P负2+…(2)变压器副线圈中的电流I2由用户负载及电压U2确定,I2=。(3)总功率P入=P线+P2,即变压器的输入功率是由输出功率决定的。22PU4.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→P2→P1→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→P2→P1→I1。5.理想变压器动态问题的处理方法:(1)抓住三个决定原则:输入电压U1决定输出电压U2;输出电流I2决定输入电流I1;输出功率P2决定输入功率P1。(2)把副线圈当作电源,研究副线圈电路电阻变化。(3)根据闭合电路的欧姆定律,判定副线圈电流的变化、功率的变化。(4)根据理想变压器的变压规律、变流规律和功率规律判定原线圈电流的变化及输入功率的变化。【过关训练】1.(多选)如图所示的电路中,P为滑动变阻器的滑片,保持理想变压器的输入电压U1不变,闭合开关S,下列说法正确的是()A.P向下滑动时,灯L变亮B.P向下滑动时,变压器的输出电压不变C.P向上滑动时,变压器的输入电流变小D.P向上滑动时,变压器的输出功率变大【解析】选B、D。由于U1保持不变,根据变压器的变压比可知,副线圈的输出电压U2不变,B正确;P向下滑动时,灯泡L两端的电压不变,灯泡的亮度不变,A错误;P向上滑动时,滑动变阻器接入电路的电阻变小,副线圈电路的总电阻R变小,根据P2=可知,变压器的输出功率变大,D正确;由P1=U1I1=P2可知,变压器的输入电流增大,C错误。22UR2.(2016·天津高考)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。下列说法正确的是世纪金榜导学号()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,R的阻值变大,变压器的次级线圈电压不变,则次级电流减小,则R1消耗的功率及两端电压均变小,电压表的示数等于变压器次级电压减去R1两端的电压,故电压表的示数变大,选项A错误,B正确;由于当滑动变阻器的滑动触头P向上滑动时,次级电流减小,故初级电流也减小,电流表A1示数变小,选项C错误;若闭合开关S,则变压器的次级电阻减小,次级电流变大,R1的电压变大,则电压表V示数减小,则R2两端电压减小,电流表A2读数减小,次级电流变大,则初级电流变大,则电流表A1示数变大,选项D错误。【补偿训练】1.如图所示,理想变压器的原、副线圈的匝数比n1∶n2=2∶1,原线圈接正弦式交流电,副线圈接电动机,电动机线圈电阻为R,当输入端接通电源后,电流表读数为I,电动机带动一质量为m的重物以速度v匀速上升,若电动机因摩擦造成的能量损失不计,则图中电压表的读数为(