2024鲁科版高中物理选择性必修第二册同步练习--第3节　科学探究_变压器

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2024鲁科版高中物理选择性必修第二册同步
第3节　科学探究:变压器
基础过关练
　　　　　　　　　　　　　　　
题组一　理想变压器的原理
1.关于变压器,下列说法正确的是 (　　)
A.变压器的工作原理是电磁感应
B.一切变压器的工作原理都是互感现象
C.在不超过变压器额定电压的前提下,无论变压器的原线圈中接入何种电流,变压器都能持续正常工作
D.在不超过变压器额定电压的前提下,当变压器的原线圈中接入交变电流时,变压器能持续正常工作
2.理想变压器原、副线圈一定相同的物理量有　 (　　)
A.电流的频率　　　　B.功率
C.磁通量的变化率　　　　D.电流的峰值
题组二　理想变压器中各物理量间的关系
3.(2023广东广州统考)如图甲所示的黑光灯先利用紫色光引诱害虫飞近,后利用高压电网罩来击杀害虫。图乙是黑光灯高压电网罩的工作电路示意图,变压器将有效值为220 V的交变电压变成高压,当高压电网罩的电压峰值达到3 110 V时,可击杀害虫,则变压器的匝数比n1∶n2为 (　　)
甲
乙
A.1∶10　　　　B.1∶20
C.22∶311　　　　D.311∶22
4.如图所示,理想变压器原线圈的匝数为n1,副线圈的匝数为n2,原线圈的两端a、b接正弦式交流电源,电压表的示数为220 V,负载电阻R=44 Ω,电流表A1的示数为0.2 A,电表均为理想电表。下列判断正确的是 (　　)
A.原线圈和副线圈的匝数比为2∶1
B.原线圈和副线圈的匝数比为5∶1
C.电流表A2的示数为0.1 A
D.电流表A2的示数为0.4 A
5.(2023山西期中)图甲是某品牌的手机无线充电器,其工作原理图可简化为图乙。给基座线圈接上220 V、50 Hz的交流电,受电线圈通过一个二极管可给手机电池充电。已知快速充电时受电线圈两端的电压为11 V,设充电过程中基座线圈的磁场全部穿过受电线圈而无能量损失。下列说法正确的是 (　　)
甲
乙
A.受电线圈能够给手机电池充电是利用了自感现象
B.基座线圈和受电线圈的匝数比为10∶1
C.受电线圈两端电压的峰值为22 V
D.当受电线圈的输出功率为40 W时,基座线圈的电流为 A
6.(2022山东济南期末)用变压器向电阻箱供电的电路如图所示,理想变压器原、副线圈匝数比为10∶1。理想交流电流表、理想交流电压表的读数分别为I、U。保持变压器输入电压不变,则下列说法正确的是 (　　)
A.变压器输入电压为U
B.电阻箱阻值为
C.R消耗的功率为10UI
D.若电阻箱阻值变为原来的2倍,则电压表读数变为2U
题组三　几种常见的变压器
7.(2022江苏扬州期末)如图所示,R为用于热处理的电阻炉,正常工作电压为220 V交流电,通电后R在升温过程中电阻阻值增大,利用自耦变压器可使R升温过程中的热功率与正常工作时基本相同,通电后刚开始的一段时间内,应将变压器的滑片P (　　)
A.从a缓慢调至b
B.从b缓慢调至a
C.从b缓慢调至c
D.从c缓慢调至b
8.如图所示,L1、L2是高压输电线,图中两电表示数分别是220 V和10 A,已知甲图中原、副线圈匝数比为100∶1,乙图中原、副线圈匝数比为1∶10,则 (　　)
A.甲图中的电表是电压表,输电电压为22 000 V
B.甲图是电流互感器,输电电流是100 A
C.乙图中的电表是电压表,输电电压为22 000 V
D.乙图是电流互感器,输电电流是100 A
题组四　探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
9.(2023河北邯郸月考)在“探究变压器线圈两端的电压和匝数的关系”实验中,可拆变压器如图所示。
(1)为实现探究目的,保持原线圈输入的电压一定,通过改变原、副线圈匝数,测量副线圈上的电压。这个探究过程采用的科学探究方法是　　　　。
A.控制变量法　　　　B.等效替代法
C.演绎法　　　　D.理想实验法
(2)观察变压器的铁芯,它的结构和材料是　　　　。
A.整块硅钢铁芯　　　　 B.整块不锈钢铁芯
C.绝缘的铜片叠成　　　　D.绝缘的硅钢片叠成
(3)观察两个线圈的导线,发现粗细不同,导线粗的线圈匝数　　　　(填“多”或“少”)。
(4)为了保证安全,低压交流电源的电压不要超过　　　　。(填字母)
A.2 V　　B.12 V　　C.50 V
(5)在实际实验中将电源接在原线圈的“0”和“8”两个接线柱之间,用电表测得副线圈的“0”和“4”两个接线柱之间的电压为3.0 V,则原线圈的输入电压可能为　　　　。(填字母)
A.1.5 V　　B.6.0 V　　C.7.0 V
(6)实验中原、副线圈的电压之比与它们的匝数之比有微小差别,原因不可能为　　　　。(填字母代号)
A.原、副线圈上通过的电流的热效应
B.铁芯在交变磁场作用下发热
C.变压器铁芯漏磁
D.原线圈输入电压发生变化
能力提升练
题组一　理想变压器基本规律的应用
1.(2021湖北武汉月考)如图所示,在输电线L1和L2上接有电压互感器甲和电流互感器乙。若已知匝数比分别为n1∶n2=1 000∶1,n3∶n4=1∶100,且知图中电压表示数为220 V、电流表示数为2.0 A,则输电线L1和L2输送的电功率为 (　　)
A.4.4×10-3 W　　　　B.4.4×103 W
C.4.4×107 W　　　　D.4.4×104 W
2.(2023辽宁葫芦岛联考)如图所示,理想变压器原线圈所在电路的输入端接有电压有效值为220 V的正弦式交变电流,匝数为30的副线圈2与规格为“12 V　36 W”的灯泡L1连接,副线圈3与规格为“18 V　54 W”的灯泡L2连接,原线圈与额定电压为40 V的灯泡L连接。若电路接通时,三个灯泡均正常发光,则下列说法正确的是 (　　)
A.原线圈1两端的电压为220 V
B.原线圈1的匝数为500
C.副线圈3的匝数为50
D.通过灯泡L的电流有效值为0.5 A
3.(2022山东济宁期末)手机无线充电技术越来越纯熟,其工作原理如图所示,其中送电线圈和受电线圈匝数比为n1∶n2=5∶1,两个线圈中所接电阻的阻值均为R。当a、b间接220 V的正弦式交变电源后,受电线圈中产生交变电流给手机快速充电,这时手机两端的电压为5 V,充电电流为2 A。若把装置线圈视为理想变压器,下列说法正确的是 (　　)
A.R的值为187.5 Ω
B.快速充电时,c、d间电压U2=44.5 V
C.快速充电时,送电线圈的输入电压U1=214.5 V
D.快速充电时,送电线圈的输入功率为85 W
题组二　理想变压器的动态分析问题
4.(2022北京北师大实验中学期末)某次实验中,将理想变压器原线圈接到电压有效值不变的正弦交流电源上,副线圈连接灯泡L1和滑动变阻器R,电路中分别接入理想交流电压表V1、V2和理想交流电流表A1、A2,导线电阻不计,如图所示。在滑动变阻器的滑片P向下滑动的过程中 (　　)
A.A1示数变小,A1与A2示数的比值不变
B.A1示数变大,A1与A2示数的比值变大
C.V2示数变小,V1与V2示数的比值变大
D.V2示数不变,V1与V2示数的比值不变
5.(2021江苏南京中华中学期末)如图所示,理想变压器的原线圈接有有效值不变的交变电压,副线圈上通过输电线接有两个规格相同的灯泡L1和L2,输电线的等效电阻为R,开始时,开关S断开。电表为理想电表。当S接通时,以下说法正确的是 (　　)
A.副线圈输出电压增大
B.通过灯泡L1的电流增大
C.电流表的示数不变
D.变压器的输入功率变大
6.(2021江苏泰州姜堰中学月考)如图甲所示电路,理想变压器原线圈输入电压如图乙所示,副线圈电路中R0为定值电阻,R是滑动变阻器,C为耐压值为22 V的电容器,所有电表均为理想电表。下列说法正确的是 (　　)
A.原、副线圈中磁通量之比等于原、副线圈匝数比
B.原、副线圈匝数比大于10∶1时,可保证电容器C不被击穿
C.滑片P向下移时,电流表A1和A2示数均增大
D.滑片P向下移时,电压表V1示数不变,变压器的输出功率也不变
7.电风扇的挡位变换器电路如图所示,把它视为一个可调压的理想变压器,总匝数为2 400的原线圈输入电压u=220 sin 100πt(V),挡位1、2、3、4对应的线圈匝数分别为240、600、1 200、2 400。电动机M的内阻r=8 Ω,额定电压为U=220 V,额定功率P=110 W。下列判断正确的是 (　　)
A.该交变电源的频率为100 Hz
B.当选择3挡位后,电动机两端电压的最大值为110 V
C.当挡位由3变为2后,原线圈的电流变大
D.当选择挡位4后,电动机的输出功率为108 W
8.如图所示的理想变压器电路,变压器原、副线圈的匝数可通过滑动触头P1、P2控制,R1为定值电阻,R2为滑动变阻器,L为灯泡。当原线圈所接的交变电压U降低后,灯泡L的亮度变暗,欲使灯泡L恢复到原来的亮度,下列措施可能正确的是 (　　)
A.仅将滑动触头P1缓慢地向上滑动
B.仅将滑动触头P2缓慢地向上滑动
C.仅将滑动变阻器的滑动触头P3缓慢地向下滑动
D.将滑动触头P2缓慢地向下滑动,同时P3缓慢地向下滑动
9.(2023河北邯郸二模)如图甲所示含有理想变压器的电路中,电阻R1、R2的阻值分别为2 Ω、3 Ω,电流表A1、A2和电压表V1、V2均为理想交流电表,变压器原、副线圈匝数比为2∶1,a、b两端接如图乙所示的交流电时,下列说法正确的是 (　　)
甲
乙
A.a、b端电压的瞬时值表达式为u=220 sin 50πt(V)
B.电压表V1、V2示数之比为7∶3
C.若增大电阻R1,则R2消耗的电功率变大
D.若增大原、副线圈匝数比,则电流表A1示数变大
第3节　科学探究:变压器
基础过关练
1.AD 2.ABC 3.A 4.B 5.C 6.C
7.D 8.AD
1.AD　变压器的原线圈接交流电源时,有交变电流流过,引起穿过原、副线圈的磁通量发生变化,在原、副线圈中都产生了感应电动势,所以变压器的工作原理是电磁感应,A项正确;有一种变压器叫自耦变压器,它只有一个线圈绕在铁芯上,但有三个抽头,可升压、也可降压,这种变压器的工作原理是自感,B项错误;若变压器的原线圈中接入稳恒直流电,副线圈中不可能出现持续的感应电动势,变压器不能持续正常工作,C项错误;在不超过变压器额定电压的前提下,当变压器的原线圈中接入交变电流时,变压器能持续正常工作,D项正确。
2.ABC　理想变压器的特点是没有功率损耗和漏磁,而且单位时间内通过原、副线圈的磁通量是相等的,且原、副线圈的变化周期是相等的,所以理想变压器原、副线圈两侧一定相同的物理量是电流的频率、功率、磁通量的变化率,选项A、B、C正确,D错误。
方法技巧　变压器的变压原理是当线圈中通有交变电流时,在闭合铁芯中产生交变的磁通量,由于闭合铁芯中交变的磁通量处处相同,所以在线圈中产生的感应电动势与线圈的匝数成正比(这是由法拉第电磁感应定律所确定的)。同时解题时要记住在理想变压器中,原线圈、副线圈中的几个相等的物理量:Φ、、f、T、P。
3.A　变压器原副线圈两端的电压比等于原副线圈的匝数比,原线圈电压的有效值为220 V,则可知其峰值为220 V≈311 V,可得变压器的匝数比为n1∶n2=311 V∶3 110 V=1∶10,故选A。
4.B　由电压表的示数和电流表A1的示数可得原线圈输入功率P1=U1I1,P2=P1=R,所以电流表A2的示数为I2== A=1 A,C、D错误;原线圈和副线圈的匝数比==,A错误,B正确。
5.C　受电线圈能够给手机电池充电是利用了互感现象,A错误;由于二极管具有单向导电性,则输出端只有一半时间存在电压,由·=T得U m=22 V,则基座线圈和受电线圈的匝数比为n1∶n2=220∶22=10∶1,B错误,C正确;当受电线圈的输出功率为40 W时,基座线圈的输入功率也为40 W,基座线圈的电流为I== A= A,D错误。故选C。
6.C　根据=,得变压器输入电压U1=10U2=10U,故A错误;根据=,得副线圈电流I2=10I1=10I,电阻箱阻值R==,故B错误;R消耗的功率P=U2I2=10UI,故C正确;若电阻箱阻值变为原来的2倍,因为原线圈两端电压不变,匝数比不变,则副线圈两端电压不变,电压表读数不变,故D错误。故选C。
7.D　R的热功率为P=,刚开始工作时R温度较低,阻值较小,其两端电压小于正常工作时的电压,所以开始时滑片应位于c。为了使R升温过程中的热功率与正常工作时基本相同,需要逐渐增大其两端电压,根据变压器的变压规律可知应增大变压器输出端匝数,即从c缓慢调至b。故选D。
8.AD　根据=,有U1=U2=×220 V=22 000 V,故A项正确;题图甲是电压互感器,故B项错误;题图乙是电流互感器,电表是电流表,故C项错误;只有一个副线圈的变压器,电流比等于匝数的反比=,有I1=I2=×10 A=100 A,故D项正确。
9.答案　(1)A　(2)D　(3)少　(4)B　(5)C　(6)D
解析　(1)保持原线圈输入的电压一定,通过改变原、副线圈匝数,测量副线圈上的电压。探究两个变量之间的关系时保持其他变量不变,这个探究过程采用的科学探究方法是控制变量法,故选A。
(2)观察变压器的铁芯,由于涡流在导体中会产生热量,所以它的结构是绝缘的硅钢片叠成,故D正确,A、B、C错误。故选D。
(3)观察两个线圈的导线,发现粗细不同,根据=可知,匝数少的电流大,则导线越粗,即导线粗的线圈匝数少。
(4)为了人体安全,低压交流电源的电压不要超过12 V,故选B。
(5)若是理想变压器,则有=,由题意可知,原副线圈匝数比为2∶1,副线圈两端电压为3.0 V,则原线圈两端电压为6.0 V,考虑到不是理想变压器,有漏磁等现象,则原线圈的电压可能大于6.0 V,可能为7.0 V。故选C。
(6)原副线圈上通过的电流的热效应与铁芯在交变磁场作用下发热,都会使变压器的输出功率发生变化,从而导致电压比与匝数比有差别,故A、B不符合题意;变压器铁芯漏磁会导致电压比与匝数比有差别,故C不符合题意;原线圈输入电压发生变化,不会影响电压比和匝数比,故D符合题意。故选D。
能力提升练
1.C 2.D 3.D 4.D 5.D 6.C
7.D 8.B 9.B
1.C　电压互感器两端电压满足=,代入数据可解得输电电压为U1=U2=220 kV,电流互感器中电流满足=,代入数据可解得输电线中电流I1=I2=200 A,则输电线L1和L2输送的电功率为P=U1I1=4.4×107 W,C正确。
2.D　三个灯泡均正常发光,可知原线圈1两端的电压为U1=220 V-40 V=180 V,故A错误;设原线圈1的匝数为n1,根据理想变压器原副线圈电压比等于匝数比可得=,解得n1=n2=450,故B错误;设副线圈3的匝数为n3,根据=得n3=n1=45,故C错误;设通过灯泡L的电流有效值为I1,则有U1I1=P2+P3,解得I1== A=0.5 A,故D正确。故选D。
3.D　快速充电时,对送电线圈有220 V=I1R+U1,对受电线圈有U2=I2R+5 V,由原、副线圈电流和匝数的关系得==,==,联立解得U1=212.5 V,U2=42.5 V,故B、C错误;由欧姆定律可得R== Ω=18.75 Ω,故A错误;变压器原、副线圈的功率相等,则送电线圈的输入功率P1=P2=U2I2=42.5×2 W=85 W,故D正确。
4.D　滑片P向下滑动时,变压器副线圈的负载电阻减小,原线圈两端的电压U1不变,匝数比不变,故副线圈两端的电压U2不变,即V2示数不变,故C错误,D正确;由欧姆定律可得副线圈中电流I2变大,故A2示数变大,由于理想变压器输入功率等于输出功率,即P1=P2,所以原线圈中电流也变大,即A1示数变大,而A1与A2示数的比值等于变压器原、副线圈匝数比的倒数,故比值不变,A、B错误。
5.D　理想变压器的输出电压是由输入电压和匝数比决定的,由于输入电压和匝数比不变,所以副线圈的输出的电压也不变,故A错误;当S闭合后,两个灯泡并联,电路的电阻减小,副线圈的电流变大,所以通过电阻R的电流变大,等效电阻R两端的电压增大,那么并联部分的电压减小,所以通过灯泡L1的电流减小,故B错误;由于变压器的输入功率和输出功率相等,副线圈的电阻减小,输出的功率变大,所以原线圈的输入功率变大,因为输入电压不变,输入电流要变大,电流表示数变大,故C错误,D正确。
6.C　理想变压器的原、副线圈的磁通量相等,与匝数无关,故A错误;由题意知,原线圈的最大电压为311 V,而电容器的耐压值为22 V,根据原、副线圈的电压与匝数成正比,则若要保证电容器C不被击穿,原、副线圈匝数比最小应为===14.1∶1,故B错误;滑动变阻器的滑片向下滑动,电阻减小,而副线圈电压不变,则电流变大,根据原、副线圈电流之比等于匝数的反比,即=,可知原、副线圈中的电流都增大,C正确;滑片P向下移时,电压表V1示数不变,则U2不变,I2变大,故输出功率也变大,故D错误。
7.D　根据原线圈输入电压的瞬时值表达式知:ω=100π rad/s,交变电源的频率f==50 Hz,故A错误;当选择3挡位后,副线圈的匝数为1 200,根据理想变压器原副线圈电压与匝数的关系得=,解得U2=110 V,所以电动机两端电压的最大值为110 V,故B错误;当挡位由3变为2后,副线圈两端的电压减小,变压器的输出功率变小,输入功率变小,根据P1=U1I1知原线圈电流变小,故C错误;当选择挡位4后,副线圈匝数等于2 400匝,根据电压规律得到副线圈两端的电压有效值为220 V,电动机正常工作,流过电动机的电流I== A=0.5 A,电动机的发热功率P热=I2r=0.52×8 W=2 W,电动机的输出功率P出=110 W-2 W=108 W,故D正确。
8.B　原线圈所接的交变电压U降低后,原线圈两端电压U1减小,仅将滑动触头P1缓慢地向上滑动,则变压器原线圈匝数n1变多,根据U1∶U2=n1∶n2可知,副线圈两端电压U2减小,灯泡不可能恢复到原来的亮度,故A项错误;原线圈所接的交变电压U降低后,原线圈两端电压U1减小,仅将滑动触头P2缓慢地向上滑动,则变压器副线圈匝数n2变多,根据U1∶U2=n1∶n2可知,副线圈两端电压U2有可能与原来的电压相同,灯泡可能恢复到原来的亮度,故B项正确;原线圈所接的交变电压U降低后,原线圈两端电压U1减小,根据U1∶U2=n1∶n2可知,副线圈两端电压U2减小,滑动变阻器与灯泡并联后与R1串联,根据串联分压规律知,仅将滑动变阻器的滑动触头P3缓慢地向下滑动,滑动变阻器接入电路电阻减小,滑动变阻器与灯泡并联部分分得电压所占比例下降,灯泡两端电压一定减小,灯泡不可能恢复到原来的亮度,故C项错误;原线圈所接的交变电压U降低后,原线圈两端电压U1减小,将滑动触头P2缓慢地向下滑动,则变压器副线圈匝数n2变少,根据U1∶U2=n1∶n2可知,副线圈两端电压U2一定减小,滑动变阻器与灯泡并联后与R1串联,根据串联分压规律知,将滑动变阻器的滑动触头P3缓慢地向下滑动,滑动变阻器接入电路电阻减小,滑动变阻器与灯泡并联部分分得电压所占比例下降,灯泡两端电压一定减小,灯泡不可能恢复到原来的亮度,故D项错误。
9.B　由题图乙可知f=50 Hz,ω=2πf=100π rad/s,则a、b端电压的瞬时值表达式为u=220sin 100πt(V),A错误;变压器原、副线圈匝数比为2∶1,设电流表A1的示数为I,则电流表A2的示数为2I,电压表V2的示数为U2=2IR2,设原线圈两端的电压为U',则==,解得U'=2U2,根据欧姆定律可知,电阻R1两端的电压为U1'=IR1,则电压表V1的示数为U1=U1'+U',则电压表V1、V2示数之比为=,B正确;增大电阻R1,输入电压一定,则电流表A1的示数变小,根据=,电流表A2的示数变小,R2消耗的电功率变小,C错误;若增大原、副线圈匝数比,根据B、C选项的分析,原线圈中电流减小,电流表A1的示数会减小,D错误。
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