2020版高考物理总复习 第十一章 第2节 变压器 电能的输送课件

第2节变压器电能的输送基础过关考点研析素养提升基础知识一、理想变压器1.理想变压器的构造和原理(如图所示)(1)主要构造:由、和组成.原线圈基础过关紧扣教材·自主落实(2)工作原理:电磁感应的现象.副线圈闭合铁芯互感注意:理想变压器是一个理想化模型.2.理想变压器的基本关系式(1)功率关系:.P入=P出(2)电压关系:12UU=12nn,若n1n2,为变压器;若n1n2,为变压器.降压升压(3)电流关系:12II=21nn.3.有多个(n个)副线圈的变压器P入=,据P=UI可推出,U1I1=.P出U2I2+U3I3+…+UnIn4.几种常见的变压器(1)自耦变压器——调压变压器.自耦变压器原理如图所示:若AX为输入端,触头a向上移动时,副线圈匝数N2,输出电压.增加升高(2)互感器互感器：拔高成低.流互感器：把大流成小流.电压电压变电压电电变电二、远距离输电1.输电过程(如图所示)2.电压损失(1)ΔU=U-U′.(2)ΔU=.IR3.功率损失(1)ΔP=P-P′.(2)ΔP==(PU)2R=2UR.I2R4.输送电流(1)I=PU.(2)I=UUR.自主探究分析人教版教材选修3-2P45图5.5-2.(1)利用图中所给条件,输电线上功率损失为多少?答案:P=I2r.(2)分析输电过程中降低输电损耗有哪些途径?答案:有两个途径,一是减小输电线的电阻;二是减小输电导线中的电流.(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.()过关巧练×1.思考判断(2)理想变压器能改变交变电压、交变电流,但不改变功率,即输入功率总等于输出功率.()(3)变压器副线圈并联更多的用电器时,原线圈的输入电流随之增大.()(4)变压器只对变化的电流起作用,对恒定电流不起作用.()(5)正常工作的变压器当副线圈与用电器断开时,副线圈两端无电压.()√√√×2.[人教版选修3-2·P44·T2改编]有些机床为了安全,照明电灯用的电压是36V,这个电压是把380V的电压降压后得到的.如果变压器的原线圈是1140匝,副线圈是()A.1081匝B.1800匝C.108匝D.8010匝C解析:由12UU=12nn得n2=21UUn1=36380×1140=108.故选C.A3.[人教版选修3-2·P50·T3改编]从发电站输出的功率为220kW,输电线的总电阻为0.05Ω,用110V和11kV两种电压输电.两种情况下输电线上由电阻造成的电压损失之比为()A.100∶1B.1∶100C.1∶10D.10∶1解析:线路中输送电流I=PU,输电线上损失电压ΔU=Ir,12UU=12IrIr=12PUPU=21UU=11000110=1001.故选A.考点一理想变压器的原理和基本关系1.变压器的工作原理考点研析核心探究·重难突破电压副线圈电压U2由原线圈电压U1和匝数比决定,U2=U121nn,与负载多少无关功率原线圈的输入功率P入由副线圈的输出功率P出决定,P入=P出制约关系电流原线圈电流I1由副线圈电流I2和匝数比决定I2=I112nn2.理想变压器的制约关系【典例1】(2017·北京卷,16)如图所示,理想变压器的原线圈接在u=2202sin100πt(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()A.原线圈的输入功率为2202WB.电流表的读数为1AC.电压表的读数为1102VD.副线圈输出交流电的周期为50sB解析:变压器的电压之比等于匝数之比,原线圈两端电压的有效值为220V,所以副线圈两端电压的有效值为110V,则电压表的读数为110V,选项C错误;变压器的输入功率和输出功率相等,P1=P2=22UR=211055W=220W,选项A错误;由P1=U1I1,得I1=11PU=220220A=1A,则电流表的读数为1A,选项B正确;变压器不会改变交变电流的周期和频率,所以副线圈中输出交流电的周期为T=2π100πs=0.02s,选项D错误.【针对训练】(2019·山东德州检测)(多选)对于一个理想变压器而言,在它正常工作时关于其说法正确的是()A.副线圈中的电动势是因为电磁感应而产生的B.输送的电能经变压器先转化为磁场能,再转化为电能C.输送的电能经变压器先转化为电场能,再转化为电能D.输送的电能经变压器的铁芯直接传输过去AB解析:变压器的原理是原线圈的电流发生变化,从而引起副线圈中磁通量变化,产生电动势,故A正确;变压器电能的输送是电能经变压器先转化为磁场能,再转化为电能输送到副线圈电路中,故B正确,C,D错误.考点二理想变压器的动态分析①U1不变,根据12UU=12nn,输入电压U1决定输出电压U2,不论负载电阻R如何变化,U2不变.1.变压器动态分析的两种情况(1)匝数比不变、负载发生变化的情况(如图)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.③I2变化引起P2变化,P1=P2,故P1发生变化.(2)负载电阻不变、匝数发生变化的情况(如图)①U1不变,12nn发生变化,故U2变化.②R不变,U2改变,故I2发生变化.③根据P2=22UR,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.2.分析动态问题的思维程序可表示为U1U2I2I1【典例2】如图所示,电路中理想变压器原、副线圈接入电路的匝数可通过单刀双掷开关改变,为理想交流电流表.在变压器原线圈a,b两端加上一峰值不变的正弦式交变电压.下列分析正确的是()DA.只将S1从1拨向2时,电流表示数变小B.只将S2从3拨向4时,电流表示数变大C.只将R的滑片上移,R1的电功率变大D.只将R的滑片上移,R2的电功率减小解析:根据电压与匝数成正比知U2=211nUn,根据电流与匝数成反比知I1=221nIn,只将S1从1拨向2时,原线圈上电压不变但匝数减少,所以副线圈上的电压增大,负载上的功率增大,所以电流表示数变大,A错误;只将S2从3拨向4时,副线圈的匝数减少,副线圈上的电压减小,负载上的功率减小,所以电流表示数变小,B错误;只将R的滑片上移,副线圈输出电压不变,R1的电功率不变,故C错误;只将R的滑片上移,接入电路的有效电阻变大,所以串联电路(R和R2)的电阻增大,流过串联电路的电流变小,所以电阻R2的电功率变小,D正确.【针对训练】(多选)如图所示,一个理想变压器原线圈输入正弦式交变电流,副线圈回路中定值电阻R0的阻值小于滑动变阻器R的总阻值,则在滑片P由a移向b的过程中()A.副线圈中交变电流频率减小B.原线圈中电流减小C.变压器的输入功率增大D.滑动变阻器R消耗的功率先增大后减小BD解析:变压器会改变电压,但频率不变,A错误;由于原线圈的输入电压不变,变压器的匝数比也不变,所以副线圈的输出电压不变,当滑片P由a移向b,即可变电阻的滑片向下移动时,电阻R增大,副线圈的电流I2减小,所以原线圈的电流I1也要减小,由于副线圈的电压不变,根据P=2UR可得,当电阻增大时,输出的功率P2将减小,所以原线圈的输入功率P1也将减小,所以B正确,C错误;根据功率表达式,则滑动变阻器R消耗的功率为P=U220URR-(20URR)2R0=222002URRRR,由于定值电阻R0的阻值小于滑动变阻器R的总阻值,所以此功率随着电阻的增大,先增大后减小,故D正确.考点三远距离输电1.输电过程的三个回路(如图所示)2.回路间的联系(1)理想的升压变压器联系着回路1和回路2,由变压器原理可得:线圈1(匝数为n1)和线圈2(匝数为n2)中各个量间的关系是12UU=12nn,1II线=21nn,P1=P2.(2)理想的降压变压器联系着回路2和回路3,由变压器原理可得:线圈3(匝数为n3)和线圈4(匝数为n4)中各个量间的关系是34UU=34nn,4II线=43nn,P3=P4.3.把握一个能量守恒关系式P1=P损+P4.【注意】输送电流I线和功率损失P损:I线=22PU=UR线=33PU.P损=ΔU·I线=2UR线=2I线R线=P2-P3.【典例3】某乡村修建了一座小型水电站,发电机输出功率为9kW,输出电压为500V,输电线的总电阻为10Ω,允许线路损耗的功率为输出功率的4%.求:(1)村民和村办小企业需要220V电压时,所用升压变压器和降压变压器的原、副线圈的匝数比各为多少?(不计变压器的损耗)〚思路探究〛(1)画出输电电路图,并标上各个物理量.答案:解析:(1)输电电路图如图所示,由ΔP=4%P输出和ΔP=22IR得I2=4%PR输出=6A则U送=2PI输出=1500V升压变压器原、副线圈匝数比12nn=0UU送=5001500=13输电线上电压损失ΔU=I2R=60V故降压变压器输入电压U1=U送-ΔU=1440V故降压变压器原、副线圈匝数比12nn=12UU=1440220=7211.答案:(1)1∶372∶11(2)若不用变压器而由发电机直接输送,村民和村办小企业得到的电压和功率是多少?〚思路探究〛(2)分析升压变压器、降压变压器的功率及电压关系?答案:U送=ΔU+U1,P输出=P输送=P用+ΔP.解析:(2)若不用变压器,则输电电流I=0PU输出=18AU=U0-IR=320V,P=P输出-I2R=5760W.答案:(2)320V5760W方法技巧(1)画出电能输送的整个原理草图.(2)以变压器铁芯为界线区分各个回路,各回路独立,分析回路中的电压、电流和功率等问题.(3)各回路间通过变压器的匝数比、电压比、电流比和原、副线圈输入功率与输出功率相同的关系相联系.(4)在计算输电线上的功率损失时,思路应该是P损=I2R=2UR损=P送-P用,绝对不能用P损=2UR送.题组训练1.[仪表示数变化分析]如图,利用理想变压器进行远距离输电,发电厂的输出电压恒定,输电线路的电阻不变,当用电高峰到来时()A.输电线上损耗的功率减小B.电压表V1的示数减小,电流表A1增大C.电压表V2的示数增大,电流表A2减小D.用户功率与发电厂输出功率的比值减小D解析:当用电高峰到来时,用户消耗的功率变大,则电流表A2读数变大,输电线上的电流变大,输电线上损耗的功率、电压都变大,A错误;电流表A1的示数增大,因为发电厂的输出电压恒定,则升压变压器的输出电压也不变,即电压表V1的示数不变,B错误;输电线上的电压损失变大,降压变压器的初级电压减小,用户端电压表V2的示数减小,C错误;用户消耗的功率占发电厂输出总功率的比例PPP损=1-21IRUI=1-1UU,因为输电线上的电压损失ΔU增大,U1不变,所以用户消耗的功率占比减小,故D正确.2.[远距离输电中的计算问题](多选)如图为远距离输电示意图,升压变压器T1和降压变压器T2均为理想变压器,n1∶n2=1∶m,n3∶n4=n∶1(m,n都大于1).输电线的总电阻为2r,升压变压器T1原线圈的电压的有效值为U,T1的原线圈输入的电功率为P.下列说法正确的是()BCDA.降压变压器T2副线圈的电压为mUnB.输电线上的电流为PmUC.用电设备的数目增多,降压变压器T2原线圈的电压变小D.用电设备的数目减少,输电线上的电流减小解析:输电线上有电阻,所以降压变压器T2副线圈的电压小于mUn,选项A错误;升压变压器T2副线圈的电压为mU,所以输电线上的电流为I=PmU,选项B正确;用电设备的数目增多,输电线上的电压降变大,降压变压器T2原线圈的电压变小,选项C正确;用电设备的数目减少,输电的功率变小,输电线上的电流减小,选项D正确.核心素养模型一自耦变压器高中物理中研究的变压器本身就是一种忽略了能量损失的理想模型,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.【思维拓展】三种特殊的理想变压器模型素养提升学科素养·演练提升A【示例1】有一种调压变压器的构造如图