高中人教版物理选修3-2：5.4变压器课件

课件49张PPT。4　变　压　器1.电磁感应：穿过闭合回路的_______发生变化，回路中就产生感应电动势和感应电流。
2.法拉第电磁感应定律的公式：E=______。
3.交流电路中电压的瞬时值表达式：u=________。
4.正弦交变电流电压的有效值与最大值之间的关系：
U=_____。磁通量Umsinωt一、变压器的原理
1.构造：由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成，与电源连
接的线圈叫作_______，与负载连接的线圈叫作_______。
2.原理：互感现象是变压器的工作基础。原线圈中电流的大
小、方向不断变化，在铁芯中激发的磁场也不断变化，变化的
磁场在副线圈中产生___________，能够输出电压和电流。原线圈副线圈感应电动势二、电压与匝数的关系
1.电压与匝数的关系：原、副线圈的电压之比等于两个线圈的
_____之比，即 =____。
2.两类变压器：副线圈的电压比原线圈电压低的变压器叫_____
变压器；副线圈的电压比原线圈电压高的变压器叫_____变压
器。
3.理想变压器：没有_________的变压器。匝数降压升压能量损失【思考辨析】
1.判断正误：
（1）变压器的原、副线圈是用导线连接在一起的。（　　）
（2）变压器只能改变交变电流的电压。（　　）
（3）理想变压器原、副线圈的电压之比等于两个线圈的匝数之比。（　　）
（4）理想变压器是一个理想化模型。（　　）
（5）学校中用的变压器工作时没有能量损失。（　　）提示：（1）×。变压器的原、副线圈是互相绝缘的。
（2）√。变压器只能改变交变电流的电压。
（3）√。实验和理论分析都表明，原、副线圈的电压之比等于两个线圈的匝数之比。
（4）√。理想变压器和我们以前学过的质点、点电荷一样也是一个理想化模型。
（5）×。实际生活中使用的变压器工作时都有能量损失。2.问题思考：
（1）如果将变压器的原线圈接到直流电源上，在副线圈上还能输出电压吗？
提示：不能。变压器的工作原理是互感现象，在原线圈上接直流电源，在铁芯中不会形成变化的磁场，所以在副线圈上不会有感应电动势产生。（2）变压器线圈两端的电压与匝数有什么关系？
提示：原线圈两端的电压由输入电压决定，与匝数无关，副线圈两端的电压在输入电压和原线圈的匝数一定的情况下，随副线圈的匝数的增加而增大，即副线圈匝数越多，其两端的电压越大。一 理想变压器的变压及变流
1.理想变压器的特点：
（1）原、副线圈的电阻不计，不产生热量。
（2）变压器的铁芯无漏磁，原、副线圈磁通量无差别。
（3）变压器自身的能量损耗不计，原线圈的输入功率等于副线圈的输出功率。2.电压关系：由于不计原、副线圈的电阻，所以 。当有n组线圈时，则有：
3.功率关系：对于理想变压器，不考虑能量损失，P入=P出。
4.电流关系：由功率关系，当只有一个副线圈时，I1U1=I2U2，得 当有多个副线圈时，I1U1=I2U2+I3U3+…得I1n1=I2n2+I3n3+…【特别提醒】（1）变压器只对变化的电流起作用，对恒定电流不起作用；
（2）变压器的两个线圈之间通过磁场联系在一起，两个线圈间是绝缘的；
（3）变压器不能改变交变电流的周期和频率；
（4）原、副线圈的感抗均趋于无穷大，从而空载电流趋于0。【典例1】（多选）（2013·哈尔滨高二检测）某型号家用交
流稳压器中，变压器的原、副线圈都带有滑动触头，如图所
示，当变压器输入电压发生变化时，可通过向上、向下调节
P1、P2的位置，使输出电压稳定在220 V。现发现输出电压低
于220 V，欲通过调节P1、P2的位置使输出电压稳定在220 V，
下列措施可行的是（　　）A.保持P1不动，将P2向上移
B.保持P2不动，将P1向下移
C.将P1向上移，同时P2向下移
D.将P1向下移，同时P2向上移
【解题探究】（1）P1向下移，原线圈匝数_____，P1向上移，原线圈匝数_____。
（2）电压与原、副线圈匝数的关系：_______，只有n1增加时，U2_____；只有n2增加时，U2_____。减少增多变小变大【标准解答】选A、B、D。设变压器的输入电压为U1，输出电
压为U2，原、副线圈匝数分别为n1、n2；现输出电压低于
220V，要调高U2，根据变压器的工作原理， ，则U2=
U1，增大U2的方法：可以增大n2，A正确，也可以减小n1，
B正确，还可以增大n2的同时减小n1，D正确。【变式训练】（2013·西城区高二检测）如图所示，理想变压器原、副线圈的匝数比为2∶1，电阻R=55.0 Ω，原线圈两端接一正弦式交变电流，电压u随时间t变化的规律为
u= sin20πt（V），时间t的单位是s。那么，通过电阻R的电流有效值和频率分别为（ ）
A.1.0 A、20 Hz B. A、20 Hz
C. A、10 Hz D.1.0 A、10 Hz【解析】选D。原线圈电压有效值为110 V，副线圈电压有效值为55 V，通过电阻R的电流有效值为1.0 A，频率为10 Hz，选项D正确。【变式备选】如图所示，原、副线圈匝数比为2∶1的理想变压器正常工作时（　　）
A.原、副线圈磁通量之比为1∶2
B.原、副线圈电流之比为1∶2
C.输入功率和输出功率之比为1∶2
D.原、副线圈电压之比为1∶2【解析】选B。理想变压器原、副线圈的磁通量总相等，A错；
电流之比等于原、副线圈匝数之比 ，B对；输入功率总
等于输出功率，C错；电压与匝数满足 ，D错。 二 理想变压器中各量的制约关系和动态分析
1.变压器工作时的制约关系：
（1）电压制约：当变压器原、副线圈的匝数比（ ）一定时，输入电压U1决定输出电压U2，即U2=
（2）功率制约：P出决定P入，P出增大，P入增大；P出减小，P入减小，P出为0，P入为0。
（3）电流制约：当变压器原、副线圈的匝数比（ ）一定，且输入电压U1确定时，副线圈中的输出电流I2决定原线圈中的电流I1，即I1= 2.对理想变压器进行动态分析的两种常见情况：
（1）原、副线圈匝数比不变，分析各物理量随负载电阻变化而变化的情况，进行动态分析的顺序是R→I2→P出→P入→I1；
（2）负载电阻不变，分析各物理量随匝数比的变化而变化的情况，进行动态分析的顺序是n1、n2→U2→I2→P出→P入→I1。【特别提醒】（1）电压的制约关系反映了感应电动势的因果关系；
（2）功率和电流的制约关系，体现了能量守恒的特点；
（3）含有理想变压器的动态电路分析，变压器的副线圈可以看作负载的无阻电源，与副线圈组成的电路可以参照直流电路动态分析的方法。【典例2】（2013·福州高二检测）用电
高峰期，电灯往往会变暗，其原理可简
化为如下物理问题。如图所示，理想变压
器的副线圈上，通过输电线连接两只相同的灯泡L1和L2，输电线的等效电阻为R，原线圈输入有效值恒定的交流电压，当开关S闭合时，以下说法中正确的是（　　）
A.原线圈中电流减小 B.副线圈输出电压减小
C.R两端的电压增大 D.原线圈输入功率减小【解题探究】（1）开关S闭合后，副线圈电路中的总电阻
_____，总功率_____，总电流_____。
（2）开关S闭合后，副线圈和灯泡L1两端的电压怎样变化？
提示：副线圈两端的电压不变，灯泡L1两端的电压减小。减小增大增大【标准解答】选C。原线圈输入电压恒定，副线圈输出电压不变，B错误；当开关S闭合后，电路中总电阻减小，总电流和总功率变大，原线圈中电流和输入功率都变大，R两端的电压增大，故C正确，A、D错误。【总结提升】理想变压器动态问题的处理方法
（1）首先抓住三个决定原则：输入电压U1决定输出电压U2；输出电流I2决定输入电流I1；输出功率P2决定输入功率P1。
（2）把副线圈当作电源，研究副线圈电路电阻变化。
（3）根据闭合电路的欧姆定律，判定副线圈电流的变化、功率的变化。
（4）根据理想变压器的变压规律、变流规律和功率规律判定原线圈电流的变化及输入功率的变化。【变式训练】（多选）（2013·大连高二检测）如图所示，M为理想变压器，电表均可视为理想电表，电源电压U不变，输电线电阻忽略不计。当变阻器滑片P向上移动时，读数发生变化的电表是（　　）
A.A1　　　B.A2　　　C.V1　　　D.V2【解析】选A、B。由于电源电压U不变，根据理想变压器工作原理可知，两电压表示数不变，C、D错误；当变阻器滑片P向上移动时，变阻器连入电路的电阻减小，右侧电路中电流增大，B正确；根据P入=P出可知，原线圈中的输入功率增大，所以电流也增大，A正确。【典例】（多选）（2013·日照一模）如图所示，一理想变压
器的原线圈匝数为n1=1000，副线圈匝数为n2=200，电阻
R=8.8Ω，原线圈接入一电压u= sin100πt（V）的交流
电源，电压表和电流表对电路的影响可忽略不计，则（　　）
A.副线圈交变电流的频率是100 Hz
B.t=1s时，电压表的示数为0
C.电流表的示数为1 A
D.变压器的输入功率为220 W【解析】选C、D。由u= sin100πt（V）可知，交流电源
的频率为50 Hz，变压器不改变交变电流的频率，选项A错误；
t=1 s时，电源电压的瞬时值为0，而电压表测的是电阻两端电
压的有效值，由 得，U2=44 V，即电压表的示数是
44 V，故选项B错误；通过电阻R的电流是5 A，电阻R消耗的电
功率为220 W，选项D正确；由 得通过电流表的电流为
1 A，选项C正确。 交变电流和变压器问题的辨析变压器是交变电流产生的延伸，此知识点可以与前面三节进行整合，关于计算变压器副线圈输出电压的技巧要注意以下三点：
（1）深刻理解交变电流的产生原理，从而进一步理解好变压器的变压原理；
（2）变压器是利用互感原理，所以变压器的输出电压的周期和频率与输入电压的周期和频率相同；
（3）分清原线圈和副线圈，利用公式 和 列出相应方程式并求解。【案例展示】（多选）为保证用户电压稳定在220V，变电所需适时进行调压，图甲为调压变压器示意图。保持输入电压u1不变，当滑动接头P上下移动时可改变输出电压。某次检测得到用户电压u2随时间t变化的曲线如图乙所示。以下选项正确的是（　　）A.u2= sin（50πt） V
B.u2= sin（100πt） V
C.为使用户电压稳定在220 V，应将P适当下移
D.为使用户电压稳定在220 V，应将P适当上移【标准解答】选B、D。由电压u2随时间t变化的曲线可知，用户电压的最大值是 V，周期是2×10-2 s，所以u2=
sin（100πt） V，A错误，B正确；根据 ，n1减小，U2增大，因此为使用户电压稳定在220 V，应将P适当上移，C错误，D正确。【易错分析】本题易错选项及错误原因分析如下：1.（多选）（基础理论辨析题）关于变压器的原理和应用，下列说法正确的是（　　）
A.变压器的原线圈和副线圈是用导线连接的
B.变压器的工作原理是互感现象
C.输入电压一定时，原线圈匝数越多，输出电压越大
D.没有能量损失的变压器叫作理想变压器
E.理想变压器的输入功率大于输出功率
F.理想变压器的原、副线圈的电流之比等于原、副线圈的匝数之比【解析】选B、D。变压器的原、副线圈是绝缘的，A错误；变压器的工作原理是互感现象，B正确；根据 ，原线圈匝数越多，输出电压越小，C错误；没有能量损失的变压器叫作理想变压器，D正确；理想变压器的输入功率等于输出功率，E错误；理想变压器原、副线圈的电流之比等于原、副线圈匝数之比的倒数，F错误。2.下面可以将电压升高供给家用电灯的变压器是（　　）
【解析】选C。电压升高，原线圈的匝数要少于副线圈的匝数，要接交流电，接直流电时变压器不工作，故C正确。3.一个正常工作的理想变压器的原、副线圈中，下列的哪个物理量一定相等（　　）
A.交变电流的电压 B.交变电流的电流
C.输入和输出的电功率 D.没有物理量相等
【解析】选C。变压器可以改变原、副线圈中的电压和电流，因此原、副线圈中的电压和电流一般是不相同的，所以A、B错；由于理想变压器不消耗能量，故原线圈输入功率等于副线圈输出功率，C对、D错。4.（多选）（2013·江苏高考）如图所示，理想变压器原线圈接有交流电源，当副线圈上的滑片P处于图示位置时，灯泡L能发光，要使灯泡变亮，可以采取的方法有（　　）
A.向下滑动P B.增大交流电源的电压
C.增大交流电源的频率 D.减小电容器C的电容【解析】选B、C。根据变压器的变压原理，滑片P向下滑动时，副线圈的匝数变少，则输出电压变小，灯变暗，A项错误；增大交流电源的电压时，输出电压随之增大，灯变亮，B项正确；电容器具有“通高频，阻低频”的特性，故增大交流电源的频率，使电容器通交流电的性能增强，灯变亮，C项正确；减小电容器C的电容，会使电容器通交流电的性能减弱，导致灯变暗，D项错误。5.（2013·广东高考）如图，理想变
压器原、副线圈匝数比n1∶n2=2∶1，
和 均为理想电表，灯泡电阻RL=
6 Ω，AB端电压u1= sin100πt（V）。下列说法正确的
是（ ）
A.电流频率为100 Hz B. 的读数为24 V
C. 的读数为0.5 A D.变压器输入功率为6 W【解析】选D。由AB端电压u1= sin100πt（V）知ω=100π，又ω=2πf，得频率f=50 Hz，A错误；由理想变压
器规律 ，U2=6 V，B错误；又I2= =1 A，C错误；
P2=U2I2=6 W，P1=P2，D正确。6.（2011·新课标全国卷）如图，一理
想变压器原、副线圈的匝数比为1∶2；
副线圈电路中接有灯泡，灯泡的额定电
压为220V，额定功率为22W；原线圈电路中接有电压表和电流表。现闭合开关，灯泡正常发光。若用U和I分别表示此时电压表和电流表的读数，则（　　）
A.U=110 V ， I=0.2 A
B.U=110 V ，I=0.05 A
C.U= V，I=0.2 A
D.U= V，I= A【解析】选A。在副线圈电路中，
再根据 及 ，得U1=110 V，I1=0.2 A，故B、C、D
错，A正确。7.（2013·东莞高二检测）一台理想变压器原、副线圈匝数比为10∶1，原线圈接u= sin100πt（V）的交变电压，副线圈两端用导线接规格为“6 V 12 W”的小灯。已知导线总电阻r=0.5 Ω，试求：副线圈应接几盏小灯？这些小灯应如何连接才能使这些小灯都正常发光？【解析】由 ，得副线圈两端电压的有效值
导线上的电压U线=10 V-6 V=4 V
副线圈中的输出电流
每个小灯的额定电流
应接小灯的盏数：n= =4（盏） 连接方式为并联。
答案：4盏 并联