2019-2020年高中物理第二章交變電流第六節(jié)變壓器學(xué)案粵教版.doc

2019-2020年高中物理第二章交變電流第六節(jié)變壓器學(xué)案粵教版學(xué)習(xí)目標(biāo)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.掌握理想變壓器的電壓與匝數(shù)的關(guān)系并能用它解決相關(guān)問題.3.掌握理想變壓器的功率關(guān)系，并能推導(dǎo)出原、副線圈的電流關(guān)系一、變壓器的原理及電壓與匝數(shù)的關(guān)系導(dǎo)學(xué)探究如圖1所示，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(原線圈)通過開關(guān)可以連接到交流電源的兩端，另一個(gè)線圈(副線圈)連到小燈泡上連接電路，接通電源，小燈泡能發(fā)光圖1(1)兩個(gè)線圈并沒有連接，小燈泡為什么會(huì)發(fā)光？(2)小燈泡兩端的電壓與學(xué)生電源的輸出電壓相等嗎？答案(1)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)生周期性變化的磁場，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律知，在右線圈中會(huì)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)左、右線圈中每一圈上磁通量的變化率都相同，若左邊匝數(shù)為n1，則U1E1n1.若右邊匝數(shù)為n2，則U2E2n2，故有；若忽略左邊線圈的電阻則有U1U電源，這樣看來只要n1n2，小燈泡兩端的電壓與學(xué)生電源的輸出電壓就不相等知識(shí)梳理變壓器的工作原理及電壓與匝數(shù)的關(guān)系：(1)互感現(xiàn)象是變壓器工作的基礎(chǔ)因此變壓器只對(duì)變化的電流起作用，對(duì)恒定電流不起作用(后兩空填“變化”或“恒定”)(2)變壓器中的電壓與匝數(shù)的關(guān)系：只有一個(gè)副線圈：.當(dāng)n2>n1時(shí)，U2>U1為升壓變壓器；當(dāng)n2<n1時(shí)，U2<U1為降壓變壓器有多個(gè)副線圈：即學(xué)即用判斷下列說法的正誤(1)理想變壓器原、副線圈的電壓之比等于兩個(gè)線圈的匝數(shù)之比()(2)輸入交變電流的頻率越高，輸出交變電流的電壓就越高()(3)我們在使用質(zhì)量好的變壓器工作時(shí)沒有能量損失()(4)理想變壓器不能改變交變電流的頻率()答案(1)(2)(3)(4)二、理想變壓器原、副線圈的功率關(guān)系和電流關(guān)系導(dǎo)學(xué)探究閱讀教材回答下列三個(gè)問題：(1)什么是理想變壓器？理想變壓器原、副線圈中的功率有什么關(guān)系？(2)根據(jù)能量守恒推導(dǎo)只有一個(gè)副線圈時(shí)原、副線圈中的電流與匝數(shù)的關(guān)系(3)根據(jù)能量守恒推導(dǎo)有多個(gè)副線圈時(shí)原、副線圈中的電流與匝數(shù)的關(guān)系答案(1)理想變壓器的理想化條件一般指的是：忽略原、副線圈內(nèi)阻上的分壓，忽略原、副線圈磁通量的差別，忽略變壓器自身的能量損耗所以理想變壓器的輸入功率等于輸出功率，即P入P出(2)由能量守恒有P入P出，即U1I1U2I2.所以.(3)若有多個(gè)副線圈，則P1P2P3，即U1I1U2I2U3I3將U1U2U3n1n2n3代入得n1I1n2I2n3I3知識(shí)梳理變壓器原、副線圈中功率關(guān)系和電流關(guān)系：(1)功率關(guān)系：P入P出，即U1I1U2I2.(2)電流關(guān)系：只有一個(gè)副線圈時(shí)，.有多個(gè)副線圈時(shí)：n1I1n2I2n3I3即學(xué)即用一臺(tái)理想降壓變壓器從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401，則變壓器原線圈中的電流為_，副線圈中的輸出電壓為_，輸出功率為_答案5A250V50kW解析由，得I1I2200A5A；由，得U2V250V；由理想變壓器功率關(guān)系，得P入P出U1I1U2I2250200W50kW.一、理想變壓器基本關(guān)系的應(yīng)用1電壓制約：當(dāng)變壓器原、副線圈的匝數(shù)比一定時(shí)，輸入電壓U1決定輸出電壓U2，即U2.2功率制約：P出決定P入，P出增大，P入增大；P出減小，P入減小；P出為0，P入為0.3電流制約：當(dāng)變壓器原、副線圈的匝數(shù)比一定，且輸入電壓U1確定時(shí)，副線圈中的輸出電流I2決定原線圈中的電流I1，即I1.例1如圖2所示，理想變壓器原、副線圈匝數(shù)比為201，兩個(gè)標(biāo)有“12V6W”的小燈泡并聯(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2A120V,0.10AB240V,0.025AC120V,0.05AD240V,0.05A答案D解析燈泡正常工作，副線圈兩端的電壓U212 V，副線圈中的電流I22 A1 A，根據(jù)匝數(shù)比得原線圈中的電流I1I20.05 A，原線圈兩端的電壓U120U2240 V，選項(xiàng)D正確二、理想變壓器的動(dòng)態(tài)分析例2(多選)如圖3所示，理想變壓器的原線圈連接一只理想交流電流表，副線圈匝數(shù)可以通過滑動(dòng)觸頭Q來調(diào)節(jié)，在副線圈兩端連接了定值電阻R0和滑動(dòng)變阻器R，P為滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)觸頭在原線圈上加一電壓為U的正弦交流電，則()圖3A保持Q的位置不動(dòng)，將P向上滑動(dòng)時(shí)，電流表讀數(shù)變大B保持Q的位置不動(dòng)，將P向上滑動(dòng)時(shí)，電流表讀數(shù)變小C保持P的位置不動(dòng)，將Q向上滑動(dòng)時(shí)，電流表讀數(shù)變大D保持P的位置不動(dòng)，將Q向上滑動(dòng)時(shí)，電流表讀數(shù)變小答案BC解析Q位置不動(dòng)，副線圈電壓U2不變，當(dāng)P上滑時(shí)，R增大，由P可知總功率減小，原線圈電壓U1不變，由PU1I1可知原線圈電流I1減小，故A錯(cuò)誤，B正確；當(dāng)P位置不動(dòng)，Q上滑時(shí)，由知U2增大，同理分析知原線圈電流I1增大，故C正確，D錯(cuò)誤對(duì)理想變壓器進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析的兩種常見情況：(1)原、副線圈匝數(shù)比不變，分析各物理量隨負(fù)載電阻變化而變化的情況，進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析的順序是RI2P出P入I1.(2)負(fù)載電阻不變，分析各物理量隨匝數(shù)比的變化而變化的情況，進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析的順序是n1、n2U2I2P出P入I1.三、幾種常見的變壓器1自耦變壓器鐵芯上只繞有一個(gè)線圈，如果把整個(gè)線圈作為原線圈，副線圈只取線圈的一部分，就可以降低電壓，反之則可以升高電壓，如圖4所示圖42互感器交流電壓表和電流表都有一定的量度范圍，不能直接測量高電壓和大電流互感器是利用變壓器的原理來測量高電壓或大電流的儀器(1)電壓互感器：實(shí)質(zhì)是降壓變壓器，可以把高電壓變成低電壓(如圖5所示)圖5(2)電流互感器：實(shí)質(zhì)是升壓變壓器，可以把大電流變成小電流(如圖6所示)圖6例3(多選)圖7甲、乙是配電房中的互感器和電表的接線圖，下列說法中正確的是()圖7A線圈匝數(shù)n1<n2，n3<n4B線圈匝數(shù)n1>n2，n3>n4C甲圖中的電表是電壓表D乙圖中的電表是電流表答案CD解析題圖甲中的原線圈并聯(lián)在電路中，為電壓互感器，是降壓變壓器，n1>n2，題圖甲中的電表為電壓表；題圖乙中的原線圈串聯(lián)在電路中，為電流互感器，是升壓變壓器，n3<n4，題圖乙中的電表為電流表，故選項(xiàng)C、D正確1電壓互感器應(yīng)并聯(lián)接入電路；電流互感器應(yīng)串聯(lián)接入電路2電壓互感器是把高電壓變成低電壓，故原線圈匝數(shù)n1大于副線圈匝數(shù)n2.3電流互感器是把大電流變成小電流，故原線圈匝數(shù)n1小于副線圈匝數(shù)n2.例4一自耦變壓器如圖8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8AU2>U1，U2降低BU2>U1，U2升高CU2<U1，U2降低DU2<U1，U2升高答案C解析由，n1>n2知U2<U1；滑動(dòng)觸頭從M點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至N點(diǎn)過程，n2減小，則U2降低，C項(xiàng)正確.1(多選)如圖9所示，L1、L2是高壓輸電線，圖中兩電表示數(shù)分別是220V和10A，已知甲圖中原、副線圈匝數(shù)比為1001，乙圖中原、副線圈匝數(shù)比為110，則()圖9A甲圖中的電表是電壓表，輸電電壓為2xxVB甲圖是電流互感器，輸電電流是100AC乙圖中的電表是電壓表，輸電電壓為2xxVD乙圖是電流互感器，輸電電流是100A答案AD解析根據(jù)匝數(shù)比，有U1U2220V2xxV，故A正確；甲圖是電壓互感器，故B錯(cuò)誤；乙圖是電流互感器，電表是電流表，故C錯(cuò)誤；只有一個(gè)副線圈的變壓器，電流比等于匝數(shù)的反比，有I1I210A100A，故D正確2如圖10所示，理想變壓器原線圈輸入電壓uUmsint，副線圈電路中R0為定值電阻，R是滑動(dòng)變阻器.和是理想交流電壓表，示數(shù)分別用U1和U2表示；和是理想交流電流表，示數(shù)分別用I1和I2表示下列說法正確的是()圖10AI1和I2表示電流的平均值BU1和U2表示電壓的最大值C滑片P向下滑動(dòng)過程中，U2不變、I1變大D滑片P向下滑動(dòng)過程中，U2變小、I2變大答案C解析電路中的電壓表和電流表表示的都是有效值，選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤滑片P向下滑動(dòng)過程中，接入電路中的電阻變小，U2不變、I1變大，故C正確，D錯(cuò)誤3(多選)如圖11(a)中，理想變壓器的原、副線圈的匝數(shù)比為41，RT為阻值隨溫度升高而減小的熱敏電阻，R1為定值電阻，電壓表和電流表均為理想交流電表原線圈所接電壓u隨時(shí)間t按正弦規(guī)律變化，如圖(b)所示下列說法正確的是()圖11A變壓器輸入、輸出功率之比為41B變壓器原、副線圈中的電流強(qiáng)度之比為14Cu隨t變化的規(guī)律為u51sin (50t) VD若熱敏電阻RT的溫度升高，則電壓表的示數(shù)不變，電流表的示數(shù)變大答案BD解析由題意，變壓器是理想變壓器，故變壓器輸入、輸出功率之比為11，故A錯(cuò)誤；變壓器原、副線圈中的電流之比與匝數(shù)成反比，即，故選項(xiàng)B正確；由題圖(b)可知交流電壓最大值Um51V，周期T0.02s，可由周期求出角速度的值為100rad/s，則可得交流電壓u隨t變化的規(guī)律為u51sin (100t) V，故選項(xiàng)C錯(cuò)誤；RT處溫度升高時(shí)，阻值減小，電流表的示數(shù)變大，電壓表示數(shù)不變，故選項(xiàng)D正確一、選擇題(17題為單選題，811題為多選題)1如圖所示的四個(gè)電路，能夠?qū)崿F(xiàn)升壓的是 ()答案D解析變壓器只能對(duì)交變電流變壓，不能對(duì)直流變壓，故A、B錯(cuò)誤；由于電壓與線圈匝數(shù)成正比，所以D能實(shí)現(xiàn)升壓，C不能實(shí)現(xiàn)升壓2如圖1所示，理想變壓器原、副線圈匝數(shù)之比n1n241，當(dāng)導(dǎo)線在平行導(dǎo)軌上勻速切割磁感線時(shí)，電流表的示數(shù)是12mA，則副線圈中電流表的示數(shù)是()圖1A3mAB48mAC零D與R的阻值有關(guān)答案C解析當(dāng)導(dǎo)線在平行導(dǎo)軌上勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的電流是恒定的，不會(huì)使副線圈的磁通量變化，因而副線圈中無感應(yīng)電流，選項(xiàng)C正確3如圖2為氣流加熱裝置的示意圖，使用電阻絲加熱導(dǎo)氣管，視變壓器為理想變壓器，原線圈接入電壓有效值恒定的交流電并保持匝數(shù)不變，調(diào)節(jié)觸頭P，使輸出電壓有效值由220V降至110V調(diào)節(jié)前后()圖2A副線圈中的電流比為12B副線圈輸出功率比為21C副線圈的接入匝數(shù)比為21D原線圈輸入功率比為12答案C解析在輸入電壓U1和原線圈匝數(shù)n1不變的情況下，使輸出電壓U2有效值由220V降至110V，由知，副線圈接入匝數(shù)應(yīng)該減為原來的一半，故副線圈的接入匝數(shù)之比為21，故C正確；副線圈電壓減半，電阻不變，電流也隨之減半，所以電流之比為21，故A錯(cuò)誤；由PUI知，輸出功率之比為41，故B錯(cuò)誤；副線圈輸出功率等于原線圈輸入功率，所以原線圈輸入功率之比為41，故D錯(cuò)誤4如圖3甲所示，一理想變壓器給一個(gè)小燈泡供電當(dāng)原線圈輸入如圖乙所示的交變電壓時(shí)，額定功率為10W的小燈泡恰好正常發(fā)光，已知燈泡的電阻為40，圖中電壓表為理想電表，下列說法正確的是()圖3A變壓器輸入電壓的瞬時(shí)值表達(dá)式為u220sint (V)B電壓表的示數(shù)為220VC變壓器原、副線圈的匝數(shù)比為111D變壓器的輸入功率為110W答案C解析由題圖乙可知，100rad/s，故A錯(cuò)誤；原線圈輸入電壓為220V，電壓表示數(shù)為燈泡的額定電壓U20V，故B錯(cuò)誤；由B分析，結(jié)合電壓與匝數(shù)的關(guān)系得，故C正確；變壓器的輸入功率與輸出功率相等，為10W，故D錯(cuò)誤5鉗式電流表的外形和結(jié)構(gòu)如圖4a、b所示圖b中電流表的讀數(shù)為1.2A，圖c中用同一電纜線繞了3匝，則()圖4A這種電流表能測直流電流，圖c的讀數(shù)為2.4AB這種電流表能測交變電流，圖c的讀數(shù)為0.4AC這種電流表能測交變電流，圖c的讀數(shù)為3.6AD這種電流表既能測直流電流，又能測交變電流，圖c的讀數(shù)為3.6A答案C解析鉗式電流表利用了變壓器的工作原理，因此鉗式電流表只能測交變電流根據(jù)n1I1n2I2可知，題圖b中線圈單匝時(shí)，的讀數(shù)為1.2A在題圖c中繞3匝時(shí)，的讀數(shù)應(yīng)為3.6A，故選項(xiàng)C正確6.一理想變壓器的原、副線圈的匝數(shù)比為31，在原、副線圈的回路中分別接有阻值相同的電阻，原線圈一側(cè)接在電壓為220V的正弦交流電源上，如圖5所示設(shè)副線圈回路中電阻兩端的電壓為U，原、副線圈回路中電阻消耗的功率的比值為k，則()圖5AU66V，kBU22V，kCU66V，kDU22V，k答案A解析原、副線圈電壓比等于匝數(shù)比，根據(jù)副線圈負(fù)載電阻的電壓U，可知副線圈電壓為U，原線圈電壓為3U，副線圈電流I2，根據(jù)得原線圈電流I1，原線圈輸入電壓220V3UR，整理可得U66V；原、副線圈電阻消耗的功率根據(jù)PI2R，電阻相等，I1I213，可得功率之比為P1P219，即k.根據(jù)以上分析可知選項(xiàng)A正確7如圖6所示，接在家庭電路上的理想降壓變壓器給小燈泡L供電，如果將原、副線圈減少相同匝數(shù)，其他條件不變，則()圖6A小燈泡變亮B小燈泡變暗C原、副線圈兩端電壓的比值不變D通過原、副線圈電流的比值不變答案B解析原、副線圈減少相同的匝數(shù)n后，有，可以得出，<0，則說明的比值變大，由知，選項(xiàng)C、D錯(cuò)誤；由和知，U2<U2，再由P知，小燈泡變暗，選項(xiàng)A錯(cuò)誤，B正確8如圖7所示，理想變壓器的副線圈上通過輸電線接有兩個(gè)相同的燈泡L1和L2，輸電線的等效電阻為R.開始時(shí)，開關(guān)S斷開當(dāng)開關(guān)S接通時(shí)，以下說法中正確的是 ()圖7A副線圈兩端M、N的輸出電壓減小B副線圈輸電線等效電阻R上的電壓增大C通過燈泡L1的電流減小D原線圈中的電流增大答案BCD解析由于輸入電壓不變，所以當(dāng)S接通時(shí)，理想變壓器副線圈M、N兩端輸出電壓不變，故A項(xiàng)錯(cuò)誤并聯(lián)燈泡L2，總電阻變小，由歐姆定律知，流過R的電流增大，等效電阻上的電壓URIR增大，故B項(xiàng)正確副線圈輸出電流增大，根據(jù)輸入功率等于輸出功率I1U1I2U2，得I2增大，原線圈輸入電流I1也增大，故D項(xiàng)正確UMN不變，UR變大，所以UL1變小，流過燈泡L1的電流減小，故C項(xiàng)正確9如圖8所示的電路中，P為滑動(dòng)變阻器的滑片，保持理想變壓器的輸入電壓U1不變，閉合開關(guān)S，下列說法正確的是()圖8AP向下滑動(dòng)時(shí)，燈L變亮BP向下滑動(dòng)時(shí)，變壓器的輸出電壓不變CP向上滑動(dòng)時(shí)，變壓器的輸入電流變小DP向上滑動(dòng)時(shí)，變壓器的輸出功率變大答案BD解析由于理想變壓器輸入電壓U1不變，原、副線圈匝數(shù)不變，所以輸出電壓U2也不變，燈L的亮度不隨P的滑動(dòng)而改變，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤，選項(xiàng)B正確P向上滑動(dòng)時(shí)，滑動(dòng)變阻器接入電路的電阻減小，負(fù)載總電阻R總減小，由I2知，通過副線圈的電流I2增大，輸出功率P2U2I2增大，再由知輸入電流I1也增大，故選項(xiàng)C錯(cuò)誤，D正確10理想自耦變壓器的原線圈接有如圖9乙所示的正弦式交變電壓，副線圈接有可調(diào)電阻R，觸頭P與線圈始終接觸良好，下列判斷正確的是()圖9A交變電源的電壓u隨時(shí)間t變化的規(guī)律是uU0cos (100t)B若僅將觸頭P向A端滑動(dòng)，則電阻R消耗的電功率增大C若僅使電阻R增大，則原線圈的輸入電功率增大D若使電阻R增大的同時(shí)，將觸頭P向B端滑動(dòng)，則通過A處的電流一定增大答案AB解析由題圖乙可得交變電源的周期為T0.02s，最大值為U0，則電源的電壓uU0cos (t)U0cos (100t)，選項(xiàng)A正確；由，若僅將觸頭P向A端滑動(dòng)，即n2增大，則副線圈的輸出電壓U2增大，電阻R消耗的電功率P增大，選項(xiàng)B正確；若僅使電阻R增大，輸出電壓U2一定，則輸出電功率P減小，原線圈的輸入電功率減小，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；若使電阻R增大的同時(shí)，將觸頭P向B端滑動(dòng)，則輸出電壓U2減小，輸出和輸入的電功率減小，通過A處的電流I1一定減小，選項(xiàng)D錯(cuò)誤11.如圖10，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10A原、副線圈匝數(shù)比為91B原、副線圈匝數(shù)比為19C此時(shí)a和b的電功率之比為91D此時(shí)a和b的電功率之比為19答案AD解析設(shè)燈泡的額定電壓為U0，兩燈泡均能正常發(fā)光，所以原線圈輸出端電壓為U19U0，副線圈兩端電壓為U2U0，故，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PUI可得，燈泡a和b的電功率之比為19，C錯(cuò)誤，D正確二、非選擇題12.如圖11所示的變壓器原線圈1接到220V的交流電源上副線圈2的匝數(shù)n230匝，與一個(gè)“12V12W”的燈泡L連接，L能正常發(fā)光副線圈3的輸出電壓U3110V，與電阻R連接，通過R的電流為0.4A求：圖11(1)副線圈3的匝數(shù)n3；(2)原線圈1的匝數(shù)n1和電流I1.答案(1)275匝(2)550匝0.255A解析(1)變壓比公式對(duì)于兩個(gè)副線圈也適用，則有，n3匝275匝(2)，n1n230匝550匝理想變壓器的輸入功率等于輸出功率P1P2P312W0.4110W56W.原線圈中電流I1A0.255A.13如圖12所示，匝數(shù)n100的正方形線圈abcd固定在豎直平面內(nèi)，與電阻R1、理想變壓器連成電路在線圈的中心水平放置一個(gè)條形磁鐵，使磁鐵繞豎直方向的軸OO勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，使線圈內(nèi)的磁通量sin (100t) Wb.已知線圈的電阻r4，R146，R210，其余導(dǎo)線的電阻不計(jì)變壓器原、副線圈的匝數(shù)比n1n241.求：圖12(1)線圈產(chǎn)生電動(dòng)勢的最大值Em；(2)若斷開S2，閉合S1，求磁鐵從圖示位置轉(zhuǎn)過90的過程中，通過R1的電荷量q；(3)斷開S1，閉合S2，求R2消耗的功率P.答案(1)200V(2)C(3)238W解析(1)EmnBSnm，解得Em200V.(2)qt，n，解得qC.(3)E，EU1I1r，U2I2R2，I1n1I2n2，PIR2，聯(lián)立解得P238W.