高考物理一輪復(fù)習(xí) 專題45 理想變壓器遠(yuǎn)距離輸電（講）（含解析）1

專題45 理想變壓器遠(yuǎn)距離輸電（講）1交變電流的產(chǎn)生及其各物理量的變化規(guī)律，應(yīng)用交流電的圖象解決問題2利用有效值的定義，對交變電流的有效值進(jìn)行計(jì)算3理想變壓器原、副線圈中電流、電壓、功率之間的關(guān)系應(yīng)用，變壓器動態(tài)變化的分析方法4遠(yuǎn)距離輸電的原理和相關(guān)計(jì)算5傳感器的簡單使用，能夠解決與科技、社會緊密結(jié)合的問題6高考對本章知識的考查主要體現(xiàn)在“三突出”：突出考查交變電流的產(chǎn)生過程；突出考查交變電流的圖象和交變電流的四值；突出考查變壓器，對變壓器的原理理解的同時(shí)，還要掌握變壓器的靜態(tài)計(jì)算和動態(tài)分析，遠(yuǎn)距離輸電也要重視。對本專題知識點(diǎn)高考每年必考命題頻率較高的知識點(diǎn) 有交變電流的變化規(guī)律（包括圖象）、最大值與有效值等，以選擇題的形式出現(xiàn)。變壓器的原理，電壓比、電流比及功率關(guān)系是考查的重點(diǎn)；將本章知識與電磁感應(yīng)等結(jié)合的力、電綜合題，或考查與本章知識有關(guān)的實(shí)際應(yīng)用。1理解變壓器的原理，會用功率關(guān)系、電壓比、電流比進(jìn)行有關(guān)的計(jì)算2能夠?qū)ψ儔浩鬟M(jìn)行動態(tài)分析3會分析計(jì)算遠(yuǎn)距離輸電問題一、理想變壓器1工作原理互感現(xiàn)象2基本關(guān)系式（1）功率關(guān)系：P入P出（2）電壓關(guān)系：只有一個(gè)副線圈時(shí)，；有多個(gè)副線圈時(shí)，（3）電流關(guān)系：只有一個(gè)副線圈時(shí)，由P入P出及PUI推出有多個(gè)副線圈時(shí)，U1I1U2I2U3I33幾種常用的變壓器（1）自耦變壓器調(diào)壓變壓器（2）互感器4理想變壓器的理解（1）沒有能量損失；（2）沒有磁通量損失二、遠(yuǎn)距離輸電1輸電過程（如圖所示）2輸送電流（1）I；（2）I3輸電導(dǎo)線上的能量損失：主要是由輸電線的電阻發(fā)熱產(chǎn)生的，表達(dá)式為QI2Rt4電壓損失（1）UUU；（2）UIR5功率損失（1）PPP；（2）PI2R（）2R6降低輸電損耗的兩個(gè)途徑（1）減小輸電線的電阻，由電阻定律R可知，在輸電距離一定的情況下，為了減小電阻，應(yīng)采用電阻率小的材料，也可以增加導(dǎo)線的橫截面積（2）減小輸電導(dǎo)線中的輸電電流，由PUI可知，當(dāng)輸送功率一定時(shí)，提高輸電電壓，可以減小輸電電流考點(diǎn)一理想變壓器原、副線圈基本關(guān)系的應(yīng)用1基本關(guān)系（1）P入P出；（2），有多個(gè)副線圈時(shí)，仍然成立（3），電流與匝數(shù)成反比，只對一個(gè)副線圈的變壓器適用有多個(gè)副線圈時(shí)，由輸入功率和輸出功率相等確定電流關(guān)系（4）原、副線圈的每一匝的磁通量都相同，磁通量變化率也相同，頻率也就相同2制約關(guān)系（1）電壓：副線圈電壓U2由原線圈電壓U1和匝數(shù)比決定（2）功率：原線圈的輸入功率P1由副線圈的輸出功率P2決定（3）電流：原線圈電流I1由副線圈電流I2和匝數(shù)比決定3兩種特殊的變壓器模型（1）自耦變壓器高中物理中研究的變壓器本身就是一種忽略了能量損失的理想模型，自耦變壓器（又稱調(diào)壓器），它只有一個(gè)線圈，其中的一部分作為另一個(gè)線圈，當(dāng)交流電源接不同的端點(diǎn)時(shí)，它可以升壓也可以降壓，變壓器的基本關(guān)系對自耦變壓器均適用（2）互感器分為：電壓互感器和電流互感器，比較如下：電壓互感器電流互感器原理圖原線圈的連接并聯(lián)在高壓電路中串聯(lián)在待測高流電路中副線圈的連接連接電壓表連接電流表互感器的作用將高電壓變?yōu)榈碗妷簩⒋箅娏髯兂尚‰娏骼玫墓絀1n1I2n2重點(diǎn)歸納1、關(guān)于理想變壓器的四點(diǎn)說明（1）變壓器不能改變直流電壓（2）變壓器只能改變交變電流的電壓和電流，不能改變交變電流的頻率（3）理想變壓器本身不消耗能量（4）理想變壓器基本關(guān)系中的U1、U2、I1、I2均為有效值2解決變壓器問題的三種思路（1）電壓：變壓器原、副線圈的電壓之比為；當(dāng)變壓器有多個(gè)副線圈時(shí)，（2）功率：理想變壓器的輸入、輸出功率為P入P出，當(dāng)變壓器有多個(gè)副線圈時(shí)，P1P2P3（3）電流：由知，對只有一個(gè)副線圈的變壓器有，當(dāng)變壓器有多個(gè)副線圈時(shí)有n1I1n2I2n3I3典型案例（多選）如圖所示，發(fā)電機(jī)中線圈的匝數(shù)為N，線圈的面積為S，線圈做勻速圓周運(yùn)動的角速度為，勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，電流表和電壓表為理想電表，定值電阻的阻值為R，當(dāng)P在圖示位置時(shí)，變壓器的匝數(shù)比為，一開始線圈與磁場垂直，下列判斷正確的是： （ ）A電壓表的讀數(shù)為2NBSB電流表的讀數(shù)為C線圈由圖示位置旋轉(zhuǎn)四分之一周，通過電流表的電荷量為DP向上移動時(shí)，電壓表的示數(shù)表小，電流表示數(shù)變大【答案】BC匝數(shù)與電流反比，電流表的示數(shù)為：，故B正確；交流發(fā)電機(jī)內(nèi)電阻不計(jì)，故變壓器輸入電壓不變，根據(jù)理想變壓器的變壓比公式：，當(dāng)P位置向上移動，輸出電壓變小，故電流變小，功率變小，故輸入電流也變小，故電流表讀數(shù)變小，矩形線圈從圖示位置經(jīng)過時(shí)間時(shí)為，故通過電流表的電荷量為：，故D錯(cuò)誤C正確。【名師點(diǎn)睛】對于變壓器需要掌握公式、，以及知道副線圈的電流以及功率決定了原線圈中的電流和功率，理想變壓器是理想化模型，一是不計(jì)線圈內(nèi)阻；二是沒有出現(xiàn)漏磁現(xiàn)象同時(shí)當(dāng)電路中有變壓器時(shí)，只要將變壓器的有效值求出，則就相當(dāng)于一個(gè)新的恒定電源，其值就是剛才的有效值針對練習(xí)1如圖所示，面積為，內(nèi)阻不計(jì)的100匝矩形線圈ABCD，繞垂直于磁場的軸勻速轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動的角速度為，勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為。矩形線圈通過滑環(huán)與理想變壓器相連，觸頭P可移動，副線圈所接電阻，電表均為理想交流電表，當(dāng)線圈平面與磁場方向平行時(shí)開始計(jì)時(shí)，下列說法正確的是： （ ）A線圈中感應(yīng)電動勢的表達(dá)式為BP上移時(shí)，電流表示數(shù)減小C時(shí)刻，電壓表示數(shù)為D當(dāng)原副線圈匝數(shù)比為時(shí)，電阻上消耗的功率為【答案】D【名師點(diǎn)睛】根據(jù)線圈中感應(yīng)電動勢，結(jié)合開始計(jì)時(shí)位置，即可確定瞬時(shí)表達(dá)式，再由電壓與匝數(shù)成正比，電流與匝數(shù)成反比，變壓器的輸入功率和輸出功率相等，并知道電表是交流電的有效值，逐項(xiàng)分析即可得出結(jié)論。針對練習(xí)2如圖所示，甲、乙兩個(gè)交流電路中，電源的電壓、輸出電流均相等。若理想變壓器原、副線圈的匝數(shù)為、，則負(fù)載電阻與的比值為： （ ）A B C D【答案】C【名師點(diǎn)睛】本題主要考查了變壓器電壓與匝數(shù)的關(guān)系以及功率公式的直接應(yīng)用，難度不大，屬于基礎(chǔ)題。考點(diǎn)二理想變壓器的動態(tài)分析解決理想變壓器中有關(guān)物理量的動態(tài)分析問題的方法（1）分清不變量和變量，弄清理想變壓器中電壓、電流、功率之間的聯(lián)系和相互制約關(guān)系，利用閉合電路歐姆定律，串、并聯(lián)電路特點(diǎn)進(jìn)行分析判定（2）分析該類問題的一般思維流程是：重點(diǎn)歸納常見的理想變壓器的動態(tài)分析問題一般有兩種：匝數(shù)比不變的情況和負(fù)載電阻不變的情況（1）匝數(shù)比不變的情況U1不變，根據(jù)，輸入電壓U1決定輸出電壓U2，不論負(fù)載電阻R如何變化，U2也不變當(dāng)負(fù)載電阻發(fā)生變化時(shí)，I2變化，輸出電流I2決定輸入電流I1，故I1發(fā)生變化I2變化引起P2變化，由P1P2知P1發(fā)生變化（2）負(fù)載電阻不變的情況U1不變，發(fā)生變化，U2變化R不變，U2變化，I2發(fā)生變化根據(jù)和P1P2，可以判斷P2變化時(shí)，P1發(fā)生變化，U1不變時(shí)，I1發(fā)生變化典型案例如圖所示電路，一理想變壓器的原線圈ab間接交流電源，R0為定值電阻，R為滑動變阻器，副線圈匝數(shù)n2可調(diào)節(jié)，L為燈泡，則： （ ）A保持P位置不變，將R的滑片向下滑稍許，變壓器的輸入功率變小B保持P位置不變，將R的滑片向下滑稍許，燈泡L的亮度變亮C保持R的滑片位置不變，將P向下移動少許，變壓器的輸入功率變小D保持R的滑片位置不變，將P向下移動少許，燈泡L的亮度變亮【答案】D【名師點(diǎn)睛】本題考查變壓器的兩類動態(tài)分析問題（變匝數(shù)、變負(fù)載電阻），其解決方法與閉合電路歐姆定律相同，利用“局部-整體-局部”的分析思路進(jìn)行分析即可求解。針對練習(xí)1（多選）下圖是一種理想自耦變壓器示意圖，線圈繞在一個(gè)圓環(huán)形的鐵芯上，P是可移動的滑動觸頭A、B間接交流電壓U，輸出端連接了兩個(gè)相同的燈泡L1和L2，Q為滑動變阻器的滑動觸頭。當(dāng)開關(guān)S閉合，P處于如圖所在的位置時(shí)，兩燈均能發(fā)光下列說法正確的是： （ ）A將P沿逆時(shí)針方向移動，兩燈均變亮BP不動，將Q向左移動，兩燈均變亮CP不動，將Q向右移動，輸入功率變大D斷開開關(guān)S，L1將變暗【答案】AB 【名師點(diǎn)睛】本題要求知道自耦變壓器的原理，結(jié)合變壓器的特點(diǎn)和歐姆定律去分析。將P沿逆時(shí)針方向移動時(shí)，變壓器的原線圈的匝數(shù)不變，副線圈的匝數(shù)增多；保持P的位置不動，即是保持變壓器的原、副線圈的匝數(shù)比不變，副線圈兩端的電壓不變；斷開開關(guān)S，相當(dāng)于L1處電阻增大。針對練習(xí)2如圖所示，為理想變壓器原線圈，其接入電路的匝數(shù)隨著滑動接觸點(diǎn)P的上下移動而變化，原線圈接在正弦式交流電源上，副線圈接有滑動變阻器，下列說法正確的是： （ ）A輸入電壓稍減小時(shí)，可以使P上滑，保持滑動變阻器功率不變B輸入電壓稍增大時(shí)，可以使Q上滑，保持滑動變阻器功率不變C保持輸入電壓及P位置不變，Q上滑，原線圈電流增大D保持輸入電壓及Q位置不變，P上滑，原線圈電流增大【答案】C【解析】根據(jù)公式：，則副線圈電壓：，當(dāng)減小，增大時(shí)導(dǎo)致副線圈電壓減小，則滑動變阻器的功率：減小，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤；當(dāng)增大，線圈匝數(shù)不變，則增大，當(dāng)Q上移，則接入電路的電阻減小，故則滑動變阻器的功率：增大，故選項(xiàng)B錯(cuò)誤；保持輸入電壓及P位置不變，則原、副線圈的電壓不變，Q上滑，則接入電路的電阻減小，則副線圈的電流增大，根據(jù)公式，可知原線圈電流增大，故選項(xiàng)C正確；保持輸入電壓及Q位置不變，P上滑，則原線圈匝數(shù)增加，則減小，故副線圈電流減小，則原線圈電流減小，故選項(xiàng)D錯(cuò)誤。【名師點(diǎn)睛】根據(jù)電壓與匝數(shù)成正比，電流與匝數(shù)成反比，變壓器的輸入功率和輸出功率相等，逐項(xiàng)分析即可得出結(jié)論?？键c(diǎn)三遠(yuǎn)距離輸電問題1遠(yuǎn)距離輸電的處理思路對高壓輸電問題，應(yīng)按“發(fā)電機(jī)升壓變壓器遠(yuǎn)距離輸電線降壓變壓器用電器”，或按從“用電器”倒推到“發(fā)電機(jī)”的順序一步一步進(jìn)行分析2遠(yuǎn)距離高壓輸電的幾個(gè)基本關(guān)系（以圖9為例）（1）功率關(guān)系：P1P2，P3P4，P2P損P3（2）電壓、電流關(guān)系：，U2UU3，I2I3I線（3）輸電電流：（4）輸電線上損耗的電功率：P損I線UIR線R線當(dāng)輸送功率一定時(shí)，輸電電壓增大到原來的n倍，輸電線上損耗的功率就減小到原來的重點(diǎn)歸納遠(yuǎn)距離輸電問題的“三二一”（1）理清三個(gè)回路（2）抓住兩個(gè)聯(lián)系理想的升壓變壓器聯(lián)系了回路1和回路2，由變壓器原理可得：線圈1（匝數(shù)為n1）和線圈2（匝數(shù)為n2）中各個(gè)量間的關(guān)系是，P1P2理想的降壓變壓器聯(lián)系了回路2和回路3，由變壓器原理可得：線圈3（匝數(shù)為n3）和線圈4（匝數(shù)為n4）中各個(gè)量間的關(guān)系是，P3P4（3）掌握一個(gè)守恒：能量守恒關(guān)系式P1P損P3典型案例夏季來臨，空調(diào)、冷風(fēng)機(jī)等大功率電器使用增多，用戶消耗的功率增大。如圖所示，發(fā)電機(jī)的輸出電壓U1和輸電線的電阻r均不變、變壓器均為理想變壓器，則下列說法中正確的： （ ）A變壓器的輸出電壓U2增大，且U2U1B變壓器的輸出電壓U4增大，且U4U3C輸電線損耗的功率占發(fā)電機(jī)輸出功率的比例增大D輸電線損耗的功率減小【答案】C【名師點(diǎn)睛】正確解答本題需要掌握：理想變壓器的輸入功率由輸出功率決定，輸出電壓由輸入電壓決定；明確遠(yuǎn)距離輸電過程中的功率、電壓的損失與哪些因素有關(guān)，明確整個(gè)過程中的功率、電壓關(guān)系理想變壓器電壓和匝數(shù)關(guān)系。針對練習(xí)1（多選）如圖所示是發(fā)電廠通過升壓變壓器進(jìn)行高壓輸電，接近用戶端時(shí)再通過降壓變壓器降壓給用戶供電的示意圖（圖中變壓器均可視為理想變壓器，圖中電表均為理想交流電表）。設(shè)發(fā)電廠輸出的電壓一定，兩條輸電線總電阻用R0表示，變阻器R相當(dāng)于用戶用電器的總電阻。當(dāng)用電器增加時(shí)，相當(dāng)于R變小，則當(dāng)用電進(jìn)入高峰時(shí)： （ ）A電壓表V1、V2的讀數(shù)均不變，電流表A1、A2的讀數(shù)均增大B電壓表V3、V4的讀數(shù)均減小，電流表A3的讀數(shù)也減小C電流表V2、V3的讀數(shù)之差與電流表A2 的讀數(shù)的比值不變D發(fā)電廠的輸出功率增大【答案】ACD【名師點(diǎn)睛】此題是遠(yuǎn)距離輸電電路的動態(tài)分析；根據(jù)表達(dá)式知道電壓和頻率，與閉合電路中的動態(tài)分析類似，可以根據(jù)R的變化，確定出總電路的電阻的變化，進(jìn)而可以確定總電路的電流的變化的情況，再根據(jù)電壓不變，來分析其他的元件的電流和電壓的變化的情況。針對練習(xí)2（多選）如圖所示，（a）是遠(yuǎn)距離輸電線路的示意圖（b）是用戶得到的電壓隨時(shí)間變化的圖象已知降壓變壓器的匝數(shù)比為10：1不考慮降壓變壓器與用戶間導(dǎo)線的電阻則： （ ）A發(fā)電機(jī)輸出交流電的頻率是50HzB升壓變壓器的輸出電壓為2200 VC輔電繞的電流只由降壓變壓器原副線圈的匝數(shù)比決定D當(dāng)用戶用電器的總電阻增大時(shí)，輸電線上損失的功率減小【答案】AD【解析】變壓器不會改變交流電的頻率，有圖b可知周期為T=002s，故頻率為，故A正確；在降壓變壓器中，根據(jù)可得U3=2200V，有與輸電線路上有電阻，故損失一部分電壓，故升壓變壓器輸送的電壓大于2200V，故B錯(cuò)誤；輸電線的電流由輸送的功率與電壓決定的，與降壓變壓器原副線圈的匝數(shù)比無關(guān)，故C錯(cuò)誤；當(dāng)用戶用電器的總電阻增大時(shí)，用戶的功率減小，降壓變壓器的輸出功率減小，則輸入的功率減小，輸入的電流減小，輸電線上損失的功率減小，故D正確；故選AD?！久麕燑c(diǎn)睛】本題考查了有關(guān)交流電描述的基礎(chǔ)知識，要根據(jù)交流電圖象正確求解最大值、有效值、周期、頻率、角速度等物理量，同時(shí)要能正確書寫交流電的表達(dá)式；電路的動態(tài)分析中，基本與直流電路的動態(tài)分析方法一致。