人教版高中物理选择性必修二 3.3 变压器 学案

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3.3 变压器 学案
一、自主预习
1. 变压器的构造：变压器是由__________和绕在铁芯上的__________。
2．原线圈：与交流电源连接的线圈，也叫__________线圈。
课堂探究
情景设问
生产生活中有各种变压器，有的把低压升为高压，有的把高压降为低压。变压器是如何改变电压的呢？
新知探究
考点一：变压器的原理
1.观察：生活中的用电器
我国居民用电均为220v交流电，是如何让这些用电器正常工作的呢？
认识生活中的变压器
观察变压器结构
铁芯：绝缘硅钢片叠合而成
原线圈：与交流电源相连的线圈叫做原线圈也叫初级线圈
副线圈：与负载相连的线圈叫做副线圈也叫次级线圈
2.示意图
(1)原线圈(初级线圈)其匝数用n1表示原线圈两端的电压叫变压器的输入电压U1
(2副线圈(次级线圈)其匝数用n2表示副线圈两端的电压叫变压器的输出电压U2
观察变压器结构
思考：我们发现变压器原副线圈不相通，那么给原线圈接直变电源，副线圈接一个小灯泡，通电后，小灯泡会发光吗，为什么？如果将原线圈改接为交流电源，小灯泡会发光吗？
变压器的工作原理：
互感现象中的能量传输关系：变压器能输送电能是利用了电磁感应。
理想变压器：我们把没有能量损失的变压器叫作理想变压器。理想变压器也是一个理想化模型。
线圈中铁芯的功能：闭合铁芯可以将更多的磁感线限制在其内，形成一个闭合的磁路。尽量减小磁场能的散失。
原副线圈中的功率关系：副线圈的输出功率等于原线圈的输入功率。P出=P入
说明：1.变压器的输入功率由输出功率决定。即：按需分配
2.如果负载中有多个副线圈输出时，输入功率等于副线圈上输出功率之和。即：P入=P出1+P出2+.....
原副线圈中的频率关系：在原线圈中接上周期性变化的电流在副线圈中激发出同频率的交流电。变压器不会改变交变电流原线圈中的频率大小。f1=f
考点二：电压与匝数的关系　
电压关系
一、实验目的
探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系。
二、实验原理
如图所示变压器是由原线圈、副线圈和铁芯组成的。电流通过原线圈时在铁芯中产生磁场，由于电流的大小、方向在不断变化，铁芯中的磁场也不断变化，变化的磁场在副线圈中产生感应电动势，副线圈就存在输出电压。
三、实验器材
可变匝数的变压器(铁芯)、多用电表、220V交流电源、导线若干。
四、实验步骤
1．要先估计被测电压的大致范围，再选择恰当的量程，若不知道被测电压的大致范围，则应选择交流电的最大量程进行测量。
2．把两个线圈穿在铁芯上，闭合铁芯。
3．改变副线圈的匝数用交流电压表测量输出电压。U1=220V n1=1600匝
实验结论：误差允许范围内 =
五、注意事项
1．要事先推测副线圈两端电压的可能值。
2．通电时不要用手接触裸露的导线、接线柱。
3．为了多用电表的安全，使用交流电压挡测电压时，先用最大量程挡测试，大致确定电压后再选择适当的挡位进行测量。
四、电流关系：理想变压器输入功率等于输出功率P入= P出
即: U1I1=U2I2 == 此公式只适用于一个副线圈的变压器
思考与讨论：我们知道导线可以输送电能，变压器上的原、副线圈之间并没有导线直接连接，却
将电能从原线圈的电路输送到副线圈的电路。在变压器中能量是如何转化的？
解析：在原线圈上由变化的电流激发了一个变化的磁场，即电场的能量转变成磁场的能量；通过铁芯使这个变化的磁场几乎全部穿过了副线圈，于是在副线圈上产生了感应电流，磁场的能量化成了电场的能量。
三、典例精讲
例题展示
例1如图所示为某住宅区的应急供电系统，由交流发电机和副线圈匝数可调的理想降压变压器组成。发电机中矩形线圈所围的面积为S，匝数为N，电阻不计，它可绕水平轴OO′在磁感应强度为B的水平匀强磁场中以角速度ω匀速转动。矩形线圈通过滑环连接降压变压器，滑动触头P上下移动时可改变输出电压，R0表示输电线的电阻。以线圈平面在中性面为计时起点，下列判断正确的是（　　）
A．若发电机线圈某时刻处于图示位置，变压器原线圈的电流瞬时值为零
B．发电机线圈感应电动势的瞬时值表达式为e=NBSωcosωt
C．当滑动触头P向下移动时，变压器原线圈两端的电压不变
D．当用户数目增多时，电路中的电流变小，用户得到的电压变小
例2如图所示，手摇发电机产生正弦式交流电，通过一台理想变压器向定值电阻R供电。理想电压表和电流表的示数分别为U和I．当发电机转速增大，使发电机的输出电压变为原来的2倍，正确的是（　　）
A．电压表的示数仍为U
B．电流表A的示数仍为I
C．通过电阻R的电流的频率增大
D．电阻R消耗的功率变为原来的2倍
四、核心素养专练
核心素养专练
1. 用一理想变压器向一负载R供电，如图所示，当增大负载电阻R时，原线圈中的电流I1和副线圈中的电流I2之间的变化关系是(　　)
A．I2增大，I1也增大 B．I2增大，I1却减小
C．I2减小，I1也减小 D．I2减小，I1却增大
2. 如甲图所示为恒压电源给硫化镉光敏电阻R供电时，流过此电阻的电流和所受光照强度的关系图象。根据这一特性，某同学设计一个台灯的自动控制电路如乙图所示，T为一自耦式变压器。下列说法正确的是（　　）
A．在其他条件不变的情况下，如果光照变强，则灯泡的亮度减小
B．在其他条件不变的情况下，如果光照变强，则灯泡的亮度增加
C．在其他条件不变的情况下，将自耦式变压器的滑片P适当下滑，则灯泡的亮度增加
D．在其他条件不变的情况下，适当增大滑动变阻器R1的阻值，则灯泡的亮度增加
3. 如图，理想变压器的原线圈接在电压恒定的交流电源上，副线圈上接有两个阻值相等的定值电阻，电压表和电流表均为理想电表。断开开关时，两表示数分别为20V和0.2A，闭合开关时，两表示数分别为（　　）
A．20V，0.4A B．40V，0.4A C．40V，0.2A D．10V，0.4A
4. 某发电机通过理想变压器给定值电阻R提供正弦交流电，电路如图，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n倍，则（　　）
A．R消耗的功率变为nP
B．电压表V的读数为nU
C．电流表A的读数仍为I
D．通过R的交变电流频率不变
五、参考答案
参考答案
自主预习
1. 闭合铁芯；两个线圈
2. 初级
典例精讲
例1. A、当线圈与磁场平行时，切割磁感线的速度最大，产生的感应电流最大，故A错误；
B、根据交变电流的产生规律可知，从中性面开始计时，发电机线圈感应电动势的瞬时值表达式为：e=NBSωsinωt，故B错误；
C、当滑动触头P向下移动时，副线圈匝数减小，副线圈的输出电压变小，但变压器原线圈两端的电压不变，故C正确；
D、当用户数目增多时，电路总电阻变小，根据欧姆定律可知，副线圈电路中的电流变大，输电线上损失电压变大，用户得到的电压变小，故D错误。
故选：C。
例2. A、线圈在匀强磁场中匀速转动，产生正弦式交变电流，原线圈两端的电压等于发电机的输出电压，当发电机的转速增大，输出电压变为原来的2倍，则根据理想变压器的变压比可知，副线圈的输出电压变为原来的2倍，即电压表示数为2U，故A错误；
B、副线圈中，根据欧姆定律可知，输出电压变为原来的2倍，则输出电流变为原来的2倍，根据变流比可知，输入电流变为原来的2倍，即电流表A的示数为2I，故B错误；
C、根据转速与频率的关系可知，f=n，当转速增大，则发电机的电流的频率增大，理想变压器不会改变电流的频率，则通过电阻R的电流的频率增大，故C正确；
D、根据功率公式可知，电阻R消耗的功率：P=U2/R，当电压表示数变为2倍，则电阻R消耗的功率变为原来的4倍，故D错误。
故选：C。
核心素养专练
1．因为原线圈电压U1及原、副线圈匝数不变，故U2不变，当R增大时，电流I2减小，由＝知I1也减小，选项C正确。
答案　C
2． AB、分析甲图可知，光照强度增强，流过电阻的电流增大，说明光敏电阻阻值减小。在其他条件不变的情况下，如果光照变强，光敏电阻阻值减小，灯泡两端电压减小，则灯泡的亮度减小，故A正确，B错误。
C、在其他条件不变的情况下，将自耦式变压器的滑片P适当下滑，则副线圈匝数减小，输出电压减小，灯泡的亮度减小，故C错误。
D、在其他条件不变的情况下，适当增大滑动变阻器R1的阻值，则通过灯泡的电流减小，灯泡亮度降低，故D错误。
故选：A。
3．断开开关，两表示数为20V和0.2A，则电阻R=U/I=100Ω，副线圈两端的电压为20V，闭合开关后，副线圈两端电压不变，电压表示数仍为20V，
两电阻并联，总电阻为50Ω，则副线圈电流I=U/R总 =0.4A，故闭合开关后，两表示数为20V和0.4A，故A正确，BCD错误。
故选：A。
4．B、发电机线圈的转速变为原来n倍，发电机线圈的角速度变为原来n倍，据Em=NBSω可得，发电机产生交流电电动势的最大值变为原来n倍，原线圈两端电压变为原来n倍。据U1：U2=n1：n2可得，副线圈两端电压变为原来n倍，电压表V的读数为nU，故B正确。
A、R消耗的功率PR=U22/R ，副线圈两端电压变为原来n倍，则R消耗的功率变为n2P，故A错误。
C、流过R的电流I2＝U2/R，副线圈两端电压变为原来n倍，则流过R的电流I2变为原来的n倍；再据I1：I2=n2：n1，原线圈中电流变为原来n倍，电流表A的读数为nI，故C错误。
D、发电机线圈的转速变为原来n倍，发电机产生交流电的频率变为原来的n倍，通过R的交变电流频率变为原来的n倍，故D错误。
故选：B。