《2017-2018學(xué)年高中物理 第二章 交變電流 6 變壓器學(xué)案 教科版選修3-2》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2017-2018學(xué)年高中物理 第二章 交變電流 6 變壓器學(xué)案 教科版選修3-2（14頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 6 變壓器 [目標(biāo)定位]　1.了解變壓器的構(gòu)造及幾種常見的變壓器，理解變壓器的工作原理.2.掌握理想變壓器的功率關(guān)系.3.理解變壓器的變壓規(guī)律和變流規(guī)律，并運(yùn)用此規(guī)律解決實(shí)際問題. 一、變壓器的結(jié)構(gòu)與原理 1.變壓器的結(jié)構(gòu)：如圖1所示，為變壓器的示意圖和在電路圖中的符號. 圖1 (1)變壓器的構(gòu)造：閉合鐵芯、原線圈(匝數(shù)用n1表示)、副線圈(匝數(shù)用n2表示).輸入電壓是U1，輸出電壓是U2，兩個(gè)線圈都繞在閉合鐵芯上. (2)原線圈：與交流電源相連接的線圈，又叫做初級線圈. (3)副線圈：與負(fù)載相連的另一個(gè)線圈，又叫做次級線圈. 2.變壓器的工作基礎(chǔ)是互感現(xiàn)象，由于互

2、感作用，穿過原、副線圈的磁通量相等，磁通量的變化率相等，若原線圈匝數(shù)為n1，則U1＝n1，副線圈匝數(shù)為n2，則U2＝n2，所以＝. 3.原、副線圈的地位 (1)原線圈在其所處回路中充當(dāng)負(fù)載. (2)副線圈在其所處回路中充當(dāng)電源. 4.變壓器不改變(填“改變”或“不改變”)交流電的頻率. 深度思考 (1)把兩個(gè)沒有導(dǎo)線相連的線圈套在同一個(gè)閉合鐵芯上，一個(gè)線圈連接到交流電源的兩端，另一個(gè)線圈連接到小燈泡上(如圖2所示)，小燈泡能發(fā)光嗎？為什么？ (2)若把交流電源改為蓄電池，小燈泡發(fā)光嗎？ 圖2 答案　(1)能.當(dāng)左邊線圈加上交流電壓時(shí)，左邊線圈中就有交變電流，它在鐵芯中產(chǎn)生

3、周期性變化的磁通量，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律知，在左、右線圈中都要產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，右線圈作為電源給小燈泡供電，小燈泡就會(huì)發(fā)光. (2)不發(fā)光. 例1　理想變壓器正常工作時(shí)，原、副線圈中一定相同的物理量是(　　) A.每匝線圈中磁通量的變化率 B.交變電流的頻率 C.原線圈的輸入功率和副線圈的輸出功率 D.原線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢和副線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢 答案　ABC 變壓器能改變交變電壓、交變電流，但不能改變功率和交變電流的頻率. 二、理想變壓器的規(guī)律 1.理想變壓器的特點(diǎn) (1)變壓器鐵芯內(nèi)無漏磁；無發(fā)熱損失. (2)原副線圈不計(jì)內(nèi)阻，即也無能量損失. 2.

4、理想變壓器的功率關(guān)系 從能量守恒看，理想變壓器的輸入功率等于輸出功率，即P入＝P出. 3.變壓器的變壓關(guān)系 (1)只有一個(gè)副線圈：＝. (2)有多個(gè)副線圈：＝＝＝…… 4.電流關(guān)系 (1)只有一個(gè)副線圈時(shí)，由U1I1＝U2I2，得：n1I1＝n2I2，即＝ (2)當(dāng)有多個(gè)副線圈時(shí)，由I1U1＝I2U2＋I(xiàn)3U3＋……得：n1I1＝n2I2＋n3I3＋…… 5.電壓、電流、功率的制約關(guān)系 (1)電壓制約：輸入電壓U1決定輸出電壓U2.(填“U1”或“U2”) (2)功率制約：P出決定P入，這體現(xiàn)了能量守恒的特點(diǎn).(填“P出”或“P入”) (3)電流制約：輸出電流I2決定輸入

5、電流I1.(填“I1”或“I2”) 深度思考 變壓器為什么不能改變交流電的頻率？ 答案　因?yàn)樵⒏本€圈中的磁通量變化情況相同，所以變壓器不能改變交流電的頻率. 例2　如圖3所示，理想變壓器原、副線圈匝數(shù)比n1∶n2＝2∶1，和均為理想電表，燈泡電阻RL＝6Ω，AB兩端電壓u1＝12sin100πt (V).下列說法正確的是(　　) 圖3 A.電流頻率為100Hz B.的讀數(shù)為24V C.的讀數(shù)為0.5A D.變壓器輸入功率為6W 解析　根據(jù)u1＝12sin100πt (V)及U＝知U1＝12V，f＝＝50Hz，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；根據(jù)＝得U2＝U1＝×12V＝6V，即的讀數(shù)

6、為6V，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；又I2＝＝A＝1A，即的讀數(shù)為1A，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；根據(jù)P1＝P2及P2＝＝W＝6W，選項(xiàng)D正確. 答案　D (1)電壓表、電流表示數(shù)均為有效值. (2)理想變壓器P入＝P出. (3)變壓器不改變頻率，即原、副線圈電流頻率相等. 針對訓(xùn)練　如圖4所示，將額定電壓為60V的用電器，通過一理想變壓器接在正弦交變電源上.閉合開關(guān)S后，用電器正常工作，交流電壓表和交流電流表(均為理想電表)的示數(shù)分別為220V和2.2A.以下判斷正確的是(　　) 圖4 A.變壓器輸入功率為484W B.通過原線圈的電流的有效值為0.6A C.通過副線圈的電流的最大值為2

7、.2A D.變壓器原、副線圈匝數(shù)比n1∶n2＝11∶3 答案　BD 解析　變壓器的輸入功率P1＝P2＝I2U2＝2.2×60W＝132W，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；由＝得＝＝，選項(xiàng)D正確；由＝得I1＝I2＝×2.2A＝0.6A，選項(xiàng)B正確；根據(jù)I＝得通過副線圈的電流的最大值I2m＝I2＝A，選項(xiàng)C錯(cuò)誤. 例3　如圖5所示，理想變壓器三個(gè)線圈的匝數(shù)之比為n1∶n2∶n3＝10∶5∶1，其中n1接到220V的交流電源上，n2和n3分別與電阻R2、R3組成閉合回路.已知通過電阻R3的電流I3＝2A，電阻R2＝110Ω，求通過電阻R2的電流I2和通過原線圈的電流I1. 圖5 解析　由變壓器原、副線圈

8、電壓比等于其匝數(shù)比可得，加在R2上的電壓 U2＝U1＝×220V＝110V 通過電阻R2的電流I2＝＝A＝1A 加在R3上的電壓U3＝U1＝×220V＝22V 根據(jù)輸出功率等于輸入功率得： U1I1＝U2I2＋U3I3 代入數(shù)據(jù)解得通過原線圈的電流為： I1＝0.7A. 答案　1A　0.7A 含多個(gè)副線圈的變壓器，電壓仍與匝數(shù)成正比，但電流關(guān)系只能通過功率關(guān)系來判斷. 三、電壓互感器和電流互感器 1.電壓互感器 (1)構(gòu)造：小型降壓變壓器，如圖6甲所示. (2)接法：原線圈并聯(lián)在高壓電路中，副線圈接電壓表；為了安全，外殼和副線圈應(yīng)接地. (3)作用：將高

9、電壓變?yōu)榈碗妷?，通過測量低電壓，計(jì)算出高壓電路的電壓. 圖6 2.電流互感器 (1)構(gòu)造：小型升壓變壓器，如圖乙所示. (2)接法：原線圈串聯(lián)在被測電路中，副線圈接電流表.為了安全，外殼和副線圈應(yīng)接地. (3)作用：將大電流變成小電流，通過測量小電流，計(jì)算出被測電路中的大電流. 例4　普通的交流電流表不能直接接在高壓輸電線路上測量電流，通常要通過電流互感器來連接，如圖7所示，圖中電流互感器ab一側(cè)線圈的匝數(shù)較少，工作時(shí)電流為Iab，cd一側(cè)線圈的匝數(shù)較多，工作時(shí)電流為Icd，為了使電流表能正常工作，則(　　) 圖7 A.ab接MN、cd接PQ，Iab＜Icd

10、B.ab接MN、cd接PQ，Iab＞Icd C.ab接PQ、cd接MN，Iab＜Icd D.ab接PQ、cd接MN，Iab＞Icd 解析　根據(jù)單一副線圈的理想變壓器原理，電流比值等于匝數(shù)比的倒數(shù)，可得ab接MN、cd接PQ，Iab＞Icd，故B正確. 答案　B (1)電壓互感器U1>U2，n1>n2； (2)電流互感器I1>I2，n1

11、等 C.穿過副線圈磁通量的變化使得副線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢 D.原線圈中的電流通過鐵芯流到了副線圈 答案　C 解析　通有正弦交變電流的原線圈產(chǎn)生的磁場是變化的，由于面積S不變，故磁通量Φ變化，A錯(cuò)誤；因理想變壓器無漏磁，故B錯(cuò)誤；由互感現(xiàn)象知C正確；原線圈中的電能轉(zhuǎn)化為磁場能又轉(zhuǎn)化為電能，原、副線圈通過磁場聯(lián)系在一起，故D錯(cuò)誤. 2.(理想變壓器基本規(guī)律的應(yīng)用)如圖8所示為一理想變壓器，原、副線圈匝數(shù)比為20∶1，兩個(gè)標(biāo)有“12V,6W”的燈泡并聯(lián)在副線圈的兩端.當(dāng)兩燈泡都正常工作時(shí)，原線圈電路中電壓表和電流表(可視為理想電表)的示數(shù)分別是(　　) 圖8 A.120V,0.10A

12、 B.240V,0.025A C.120V,0.05A D.240V,0.05A 答案　D 解析　兩燈泡正常工作，副線圈電壓U2＝12V，副線圈電流I2＝2×A＝1A，根據(jù)匝數(shù)比得原線圈電流I1＝I2＝0.05A，原線圈電壓U1＝20U2＝240V，選項(xiàng)D正確. 3．(理想變壓器基本規(guī)律的應(yīng)用)(多選)如圖9所示，一理想變壓器的原線圈A、B兩端接入電壓為u＝3sin 314t V的交變電流．原線圈匝數(shù)n1＝100匝，副線圈匝數(shù)n2＝200匝，則(　　) 圖9 A．將擊穿電壓為6 V的電容器接在C、D兩端，能正常工作 B．把電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接在C、D兩端，打點(diǎn)周期為0.02 s

13、 C．把額定電壓為6 V的小燈泡接在C、D兩端，小燈泡能正常工作 D．把交流電壓表接在C、D兩端時(shí)，電壓表讀數(shù)為8.48 V 答案　BC 解析　交變電流的周期T＝＝0.02 s，有效值U1＝3 V，變壓器不改變交變電流的頻率，故B正確；由＝，得U2＝U1＝6 V，變壓器輸出電壓的峰值為6 V，故大于電容器的擊穿電壓，A、D錯(cuò)誤，C正確． 4.(互感器的應(yīng)用)如圖10所示，L1和L2是高壓輸電線，甲、乙是兩只互感器，若已知n1∶n2＝1000∶1，n3∶n4＝1∶100，圖中電壓表示數(shù)為220V，電流表示數(shù)為10A，則高壓輸電線的送電功率為(　　) 圖10 A.2.2×103W

14、B.2.2×10－2W C.2.2×108W D.2.2×104W 答案　C 解析　由電流互感器知高壓輸電線中電流I＝1000A，由電壓互感器知高壓輸電線的電壓U＝220×103V，則高壓輸電線的送電功率P＝UI＝2.2×108W. 題組一　變壓器原理分析 1．(多選)如圖1，理想變壓器原、副線圈分別接有額定電壓相同的燈泡a和b.當(dāng)輸入電壓U為燈泡額定電壓的10倍時(shí)，兩燈泡均能正常發(fā)光．下列說法正確的是(　　) 圖1 A．原、副線圈匝數(shù)比為9∶1 B．原、副線圈匝數(shù)比為1∶9 C．此時(shí)a和b的電功率之比為9∶1 D．此時(shí)a和b的電功率之比為1∶9 答案　A

15、D 解析　設(shè)燈泡的額定電壓為U0，兩燈均能正常發(fā)光，所以原線圈輸出端電壓為U1＝9U0，副線圈兩端電壓為U2＝U0，故＝，根據(jù)＝＝，A正確，B錯(cuò)誤；根據(jù)公式＝可得，＝，由于小燈泡兩端的電壓相等，所以根據(jù)公式P＝UI可得，燈泡a和b的電功率之比為1∶9，C錯(cuò)誤，D正確． 2.如圖2甲、乙所示的電路中，當(dāng)A、B接有效值為10V的交流電壓時(shí)，C、D間電壓的有效值為4V；當(dāng)M、N接10V直流電壓時(shí)，P、Q間的電壓也為4V.現(xiàn)把C、D接4V交流電壓，P、Q接4V直流電壓，下列表示A、B間和M、N間電壓的是(　　) 圖2 A.10V,10V B.10V,4V C.4V,10V D.10V,0

16、 答案　B 解析　題圖甲是一個(gè)自耦變壓器，當(dāng)A、B作為輸入端，C、D作為輸出端時(shí)，是一個(gè)降壓變壓器，兩邊的電壓之比等于兩邊線圈的匝數(shù)之比.當(dāng)C、D作為輸入端，A、B作為輸出端時(shí)，是一個(gè)升壓變壓器，電壓比也等于匝數(shù)比，所以C、D接4V交流電壓時(shí)，A、B間將得到10V交流電壓.題圖乙是一個(gè)分壓電路，當(dāng)M、N作為輸入端時(shí)，上下兩個(gè)電阻上的電壓跟它們電阻的大小成正比.但是當(dāng)把電壓加在P、Q兩端時(shí)，電流只經(jīng)過下面那個(gè)電阻，上面的電阻中沒有電流通過，M、P兩端也就沒有電勢差，即M、P兩點(diǎn)的電勢相等.所以當(dāng)P、Q接4V直流電壓時(shí)，M、N兩端的電壓也是4V.如果M、N或P、Q換成接交流電壓，上述關(guān)系仍然成

17、立，因?yàn)榻涣麟娫诩冸娮桦娐分袣W姆定律仍然適用. 題組二　變壓器基本規(guī)律的應(yīng)用 3.如圖3所示，一輸入電壓為220V、輸出電壓為36V的變壓器副線圈燒壞.為獲知此變壓器原、副線圈匝數(shù)，某同學(xué)拆下燒壞的副線圈，用絕緣導(dǎo)線在鐵芯上新繞了5匝線圈，然后將原線圈接到220V交流電源上，測得新繞線圈兩端的電壓為1V，按理想變壓器分析，該變壓器燒壞前的原、副線圈匝數(shù)分別為(　　) 圖3 A.1100,360 B.1100,180 C.2200,180 D.2200,360 答案　B 解析　由U1∶U2∶U3＝n1∶n2∶n3，可得n1＝n3＝1100匝，n2＝n1＝180匝，B選項(xiàng)正確.

18、 4.一臺(tái)理想變壓器從10kV的線路中降壓并提供200A的負(fù)載電流.已知兩個(gè)線圈的匝數(shù)比為40∶1，則變壓器原線圈的電流、輸出電壓及輸出功率是(　　) A.5A,250V,50kW B.5A,10kV,50kW C.200A,250V,50kW D.200A,10kV,2×103kW 答案　A 解析　設(shè)原線圈的輸入電壓、電流、輸入功率分別為U1、I1、P1，副線圈輸出電壓、電流、輸出功率分別為U2、I2、P2，原、副線圈匝數(shù)分別為n1、n2. 由＝知I1＝I2＝×200A＝5A. 由＝知U2＝U1＝×10×103V＝250V， 輸出功率P出＝U2I2＝250×200W＝50k

19、W. 5.(多選)如圖4所示是霓虹燈的供電電路圖，變壓器可視為理想變壓器.已知變壓器原線圈與副線圈的匝數(shù)比＝，加在原線圈兩端的電壓為u1＝220sin (100πt) V.霓虹燈正常工作的電阻R＝440kΩ，I1、I2表示原、副線圈中的電流.下列判斷正確的是(　　) 圖4 A.副線圈兩端電壓為6220V，副線圈中的電流為14.1mA B.副線圈兩端電壓為4400V，副線圈中的電流為10mA C.I1＜I2 D.I1＞I2 答案　BD 解析　原線圈兩端電壓的有效值U1＝＝V＝220V，由變壓比＝知，U2＝＝4400V，副線圈中的電流I2＝＝A＝0.01A＝10mA，原、副線圈

20、中的電流跟匝數(shù)成反比，故I1＞I2. 6.如圖5所示，理想變壓器的原線圈接入u＝11000sin(100πt)V的交變電壓，副線圈通過電阻r＝6Ω的導(dǎo)線對“220V，880W”的用電器RL供電，該電器正常工作，由此可知(　　) 圖5 A.原、副線圈的匝數(shù)比為50∶1 B.交變電壓的頻率為100Hz C.副線圈中電流的有效值為4A D.變壓器的輸入功率為880W 答案　C 解析　因?yàn)橛秒娖髡９ぷ?，可知用電器RL上的電壓是220 V，電流為4 A，C正確；副線圈電壓為244 V，所以原副線圈匝數(shù)比＝＝≈45∶1，A錯(cuò)誤；變壓器不改變交變電流的頻率，原線圈電壓頻率為50 Hz，

21、副線圈電壓頻率還是50 Hz，B錯(cuò)誤；變壓器輸入功率等于輸出功率，輸出功率為976 W，所以輸入功率也為976 W，D錯(cuò)誤. 7.(多選)如圖6所示，Q是熔斷電流為1A的保險(xiǎn)絲，R為用電器，理想變壓器的原、副線圈的匝數(shù)比為n1∶n2＝2∶1.原線圈的電壓為u＝220sin (100πt) V.要使保險(xiǎn)絲不熔斷，則(　　) 圖6 A.副線圈電流最大值不超過2A B.副線圈中電流有效值不超過2A C.R的阻值一定不能小于55Ω D.R的阻值一定不能小于77Ω 答案　BC 解析　保險(xiǎn)絲的原理是電流的熱效應(yīng)，應(yīng)該用電流的有效值.由＝得：U2＝U1＝×220V＝110V.由＝得：I2

22、＝I1＝×1A＝2A.所以Rmin＝＝55Ω，故B、C正確. 8.一理想變壓器原、副線圈匝數(shù)比n1∶n2＝11∶5.原線圈與正弦交變電源連接，輸入電壓u隨時(shí)間t變化的圖像如圖7所示，副線圈僅接入一個(gè)10Ω的電阻.則(　　) 圖7 A.流過電阻的電流是20A B.與電阻并聯(lián)的電壓表的示數(shù)是100V C.經(jīng)過1min電阻發(fā)出的熱量是6×103J D.變壓器的輸入功率是1×103W 答案　D 解析　設(shè)輸入電壓為U1，輸出電壓為U2，由＝知U2＝100V，I2＝＝A＝10A，故選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤；1min內(nèi)電阻產(chǎn)生的熱量Q＝IRt＝102×10×60J＝6×104J，故選項(xiàng)C錯(cuò)誤；P入

23、＝P出＝＝1×103W，故選項(xiàng)D正確. 9．一含有理想變壓器的電路如圖8所示，圖中電阻R1、R2和R3的阻值分別為3 Ω、1 Ω和4 Ω，為理想交流電流表，U為正弦交流電壓源，輸出電壓的有效值恒定．當(dāng)開關(guān)S斷開時(shí)，電流表的示數(shù)為I；當(dāng)S閉合時(shí)，電流表的示數(shù)為4I.該變壓器原、副線圈匝數(shù)比為(　　) 圖8 A．2 B．3 C．4 D．5 答案　B 解析　開關(guān)斷開時(shí)，電路如圖甲所示，原、副線圈的電流比＝，通過R2的電流I2＝，副線圈的輸出電壓U2＝I2(R2＋R3)＝，由＝可得原線圈兩端的電壓U1＝5I2，則U＝U1＋I(xiàn)R1＝5I2＋3I；開關(guān)閉合時(shí)，電

24、路如圖乙所示，原、副線圈的電流比＝，通過R2的電流I2′＝，副線圈的輸出電壓U2′＝I2′R2＝，由＝可得原線圈兩端的電壓U1′＝4I2，則U＝U1′＋4IR1＝4I2＋12I，聯(lián)立解得＝3，選項(xiàng)B正確． 　 甲　　　　　　　　　　乙 題組三　幾種變壓器的使用 10.一自耦變壓器如圖9所示，環(huán)形鐵芯上只繞有一個(gè)線圈，將其接在a、b間作為原線圈．通過滑動(dòng)觸頭取該線圈的一部分，接在c、d間作為副線圈，在a、b間輸入電壓為U1的交變電流時(shí)，c、d間的輸出電壓為U2，在將滑動(dòng)觸頭從M點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)到N點(diǎn)的過程中(　　) 圖9 A．U2>U1，U2降低 B．U2>U1，U2升高

25、C．U2n2知U2

26、感器，把大電流經(jīng)過變壓器變?yōu)樾‰娏髟贉y量，所以n3＜n4，b為交流電流表. 12.如圖11所示，一臺(tái)有兩個(gè)副線圈的變壓器，原線圈匝數(shù)n1＝1100匝.接入電壓U1＝220V的交流電路中. 圖11 (1)要求在兩個(gè)副線圈上分別得到電壓U2＝6V，U3＝110V，它們的匝數(shù)n2、n3分別為多少？ (2)若在兩副線圈上分別接上“6V,20W”、“110V，60W”的兩個(gè)用電器，原線圈的輸入電流為多少？ 答案　(1)30匝　550匝　(2)A 解析　(1)根據(jù)原、副線圈間電壓與匝數(shù)的關(guān)系： 由＝得n2＝n1＝×1100匝＝30匝 n3＝n1＝×1100匝＝550匝. (2)設(shè)原線圈輸入電流為I1，由P入＝P出得 U1I1＝U2I2＋U3I3＝P2＋P3 所以I1＝＝A＝A. 14