2017-2018学年高二物理新人教版选修3-2基础训练：第5章 4 变压器
文档属性
| 名称 | 2017-2018学年高二物理新人教版选修3-2基础训练：第5章 4 变压器 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 405.5KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2017-07-06 15:10:04 | ||
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文档简介
4 变压器
学
习
目
标
知
识
脉
络
1.了解变压器的构造及几种常见的变压器．2．理解互感现象和变压器的工作原理．(重点)3．掌握理想变压器的电压与匝数的关系及应用．(重点)4．掌握理想变压器的功率关系，并导出原、副线圈中的电流关系及应用．(难点)
理想变压器的原理及基本规律
1．构造
变压器由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成，与交流电源连接的线圈叫原线圈，与负载连接的线圈叫副线圈．
2．原理
互感现象是变压器的工作基础，由于原线圈中电流的大小、方向在不断变化，铁芯中的磁场也在不断变化．变化的磁场在副线圈中产生感应电动势．
3．理想变压器
没有能量损失的变压器．
4．电压与匝数关系
原、副线圈的电压之比，等于两个线圈的匝数之比，即：＝.
5．两类变压器
(1)降压变压器：副线圈的电压比原线圈的电压低的变压器．
(2)升压变压器：副线圈的电压比原线圈的电压高的变压器．
1．变压器是利用互感现象实现了电能向磁场能再到电能的转化．(√)
2．恒定电流接入变压器后也可发生互感现象，也可起到变压作用．(×)
3．变压器的铁芯由很薄的硅钢片叠合而成．(√)
4．在理想变压器中原、副线圈的磁通量的变化率是一致的．(√)
5．理想变压器可以改变交变电流的频率．(×)
6．电流通过铁芯从原线圈流到副线圈．(×)
理想变压器的原、副线圈的电压与匝数成正比，即＝，试探究原、副线圈的瞬时电压与匝数是否也成正比．
【提示】 当原线圈电压最大时，电流最大，但电流的变化率为零，此时副线圈中磁场最强，但磁通量的变化率为零，故此时副线圈两端的电压为零，即U2＝0.可见，原、副线圈的瞬时电压与匝数不成正比．
如图5 4 1所示，为一变压器结构示意图．
图5 4 1
探讨1：当在a、b端接入恒定电源时，接在副线圈上的灯泡能否发光？
【提示】 当a、b接恒定电源时，原线圈中有恒定电流，穿过原、副线圈的磁通量不变，所以副线圈中没有感应电流，灯泡不发光．
探讨2：变压器中闭合铁芯的作用是什么？
【提示】 闭合铁芯的作用是形成一个闭合磁路，使副线圈中的磁通量的变化与原线圈中磁通量的变化基本相同．
1．变压器的工作原理
2．理想变压器的特点
(1)变压器铁芯内无漏磁．
(2)原、副线圈不计内阻，即不产生焦耳热．
3．电动势关系
由于互感现象，且没有漏磁，原、副线圈中每一匝线圈都具有相同的，根据法拉第电磁感应定律有E1＝n1，E2＝n2，所以＝.
4．电压关系
由于不计原、副线圈的电阻，因此原线圈两端的电压U1＝E1，副线圈两端的电压U2＝E2，所以＝.
当有多个副线圈时，则有：＝＝＝…
5．功率关系
对于理想变压器，不考虑能量损失，P入＝P出．
6．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＋…
1．(多选)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．所有变压器的工作基础都是互感现象
C．各种电流接入变压器的输入端，变压器都能持续正常工作
D．只有交变电流接入变压器的原线圈中，变压器才能持续正常工作
【解析】 变压器之所以能变压，是因为原线圈接交流电源时，有交变电流流过原线圈，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，选项A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，这种变压器的工作基础是自感，也就是说，当变压器是利用两个线圈变压时，其工作基础是互感，当变压器是利用一个线圈变压时，其工作基础是自感，所以选项B错误；变压器要想持续正常工作，原线圈必须接入交变电流，若接入直流电，原、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，所以选项C错误，D正确．
【答案】 AD
2．在变电所，经常要用交流电表去监测电网上的强电流，使用的仪器是电流互感器．如图所示的四个图中，能正确反映其工作原理的是( )
【解析】 电流互感器是测电流的，应串联在火线上，故B、D错误．由变压器电流关系n1I1＝n2I2，要使I2＜I1，须n2＞n1，故A选项正确．
【答案】 A
3．如图5 4 2所示，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＝12sin
100πt(V)．下列说法正确的是( )
图5 4 2
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】 根据u＝Umsin
ωt及U＝、理想变压器的规律、欧姆定律和电功率公式解决问题．
根据u1＝12sin
100πt(V)及U＝知U1＝12
V，f＝＝50
Hz，选项A错误；根据＝得U2＝U1＝×12
V＝6
V，即的读数为6
V，选项B错误；根据I2＝L
＝A＝1
A，即 的读数为1
A，选项C错误；根据P1＝P2及P2＝＝
W＝6
W，选项D正确．
【答案】 D
关于变压器关系式的两点说明
1．对于公式＝，无论副线圈一端是空载还是有负载，都是适用的．
2．由＝知，对于只有一个副线圈的变压器：电流与匝数成反比．因此，变压器高压线圈匝数多而通过的电流小，可用较细的导线绕制，低压线圈匝数少而通过的电流大，应用较粗的导线绕制．
变压器工作时的制约关系及动态分析
如图5 4 3所示为理想变压器，b是原线圈的中心抽头，电压表和电流表均为理想电表．从某时刻开始在原线圈c、d两端加上交变电压，请探究以下几个问题：
图5 4 3
探讨1：保持滑动变阻器触头P的位置不变，当单刀双掷开关由a扳向b时，电压表和电流表的示数如何变化？变压器的输出功率如何变化？
【提示】 理想变压器副线圈输出电压变大，通过负载电阻的电流增大，电压表和电流表的示数均变大，变压器的输出功率变大．
探讨2：单刀双掷开关与a连接，在滑动变阻器触头P向上移动的过程中，电压表和电流表的示数如何变化？变压器的输出功率如何变化？原线圈的电流、输入功率如何变化？
【提示】 对于理想变压器，输入电压一定时，输出电压也一定，当触头P向上移动过程中，变压器负载电阻变大，由I2＝知I2变小，故电压表示数不变，电流表示数变小，由＝可知，原线圈中的电流I1也变小．而由P2＝U2I2，P1＝I1U1可知P1、P2均变小．故变压器的输入、输出功率变小．
1．电压制约
当变压器原、副线圈的匝数比(n1/n2)一定时，输出电压U2由输入电压决定，即U2＝n2U1/n1.
2．电流制约
当变压器原、副线圈的匝数比(n1/n2)一定，且输入电压U1确定时，原线圈中的电流I1由副线圈中的输出电流I2决定，即I1＝n2I2/n1.
3．负载制约
(1)变压器副线圈中的功率P2由用户负载决定，P2＝P负1＋P负2＋…；
(2)变压器副线圈中的电流I2由用户负载及电压U2确定，I2＝P2/U2；
(3)总功率P入＝P线＋P2，即变压器的输入功率是由输出功率决定的．
4．频率关系
原、副线圈中电流的频率相同．
5．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→P2→P1→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→P2→P1→I1.
4．(多选)如图5 4 4所示的电路中，P为滑动变阻器的滑片，保持理想变压器的输入电压U1不变，闭合开关S，下列说法正确的是( )
图5 4 4
A．P向下滑动时，灯L变亮
B．P向下滑动时，变压器的输出电压不变
C．P向上滑动时，变压器的输入电流变小
D．P向上滑动时，变压器的输出功率变大
【解析】 由于理想变压器输入电压U1不变，原、副线圈匝数不变，所以输出电压U2也不变，灯L亮度不随P的滑动改变，故选项A错误，选项B正确；P向上滑动时，滑动变阻器接入电路的电阻减小，负载总电阻R总减小，由I2＝知，通过副线圈的电流I2增大，输出功率P2＝U2I2增大，再由＝知输入电流I1也增大，故选项C错误，D正确．
【答案】 BD
5．如图5 4 5所示，一理想变压器接在电压为U的交流电源上，原线圈接入电路的匝数可以通过调节滑动触头P来改变．副线圈连接交流电流表、定值电阻R0和可变电阻R，则( )
图5 4 5
A．保持P的位置不动，将R的阻值增大，电流表的读数变小
B．保持P的位置不动，将R的阻值增大，R0的电功率变大
C．保持R的阻值不变，将P向上滑动，电流表的读数变大
D．保持R的阻值不变，将P向上滑动，R0的电功率变大
【解析】 保持P的位置不动，即原、副线圈的匝数比不变，故副线圈两端的电压U′恒定，将R的阻值增大时，由I＝可知，副线圈中的电流变小，故电流表的读数变小，A正确；由P0＝I2R0可知，R0的电功率减小，B错误；保持R的阻值不变，将P向上滑动时，原线圈的匝数n1增大，由U′＝U可知，副线圈上的电压变小，由I＝可知，副线圈中的电流变小，C错误；由P0＝I2R0可知，R0的电功率减小，D错误．
【答案】 A
6．如图5 4 6所示，T为理想变压器，A1、A2为交流电流表，R1、R2为定值电阻，R3为滑动变阻器，原线圈两端接恒压交流电源，当滑动变阻器的滑动触头向下滑动时( )
图5 4 6
A．A1的读数变大，A2的读数变大
B．A1的读数变大，A2的读数变小
C．A1的读数变小，A2的读数变大
D．A1的读数变小，A2的读数变小
【解析】 当滑动触头下移时，R3变小，R总变小，I＝，U不变，I变大，U并＝U－UR1变小，通过R2的电流变小，IA2＝I－IR2变大，A2的示数变大，由原、副线圈电流与匝数成反比，可知A1的示数变大．
【答案】 A
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．把副线圈当做电源，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．
学
习
目
标
知
识
脉
络
1.了解变压器的构造及几种常见的变压器．2．理解互感现象和变压器的工作原理．(重点)3．掌握理想变压器的电压与匝数的关系及应用．(重点)4．掌握理想变压器的功率关系，并导出原、副线圈中的电流关系及应用．(难点)
理想变压器的原理及基本规律
1．构造
变压器由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成，与交流电源连接的线圈叫原线圈，与负载连接的线圈叫副线圈．
2．原理
互感现象是变压器的工作基础，由于原线圈中电流的大小、方向在不断变化，铁芯中的磁场也在不断变化．变化的磁场在副线圈中产生感应电动势．
3．理想变压器
没有能量损失的变压器．
4．电压与匝数关系
原、副线圈的电压之比，等于两个线圈的匝数之比，即：＝.
5．两类变压器
(1)降压变压器：副线圈的电压比原线圈的电压低的变压器．
(2)升压变压器：副线圈的电压比原线圈的电压高的变压器．
1．变压器是利用互感现象实现了电能向磁场能再到电能的转化．(√)
2．恒定电流接入变压器后也可发生互感现象，也可起到变压作用．(×)
3．变压器的铁芯由很薄的硅钢片叠合而成．(√)
4．在理想变压器中原、副线圈的磁通量的变化率是一致的．(√)
5．理想变压器可以改变交变电流的频率．(×)
6．电流通过铁芯从原线圈流到副线圈．(×)
理想变压器的原、副线圈的电压与匝数成正比，即＝，试探究原、副线圈的瞬时电压与匝数是否也成正比．
【提示】 当原线圈电压最大时，电流最大，但电流的变化率为零，此时副线圈中磁场最强，但磁通量的变化率为零，故此时副线圈两端的电压为零，即U2＝0.可见，原、副线圈的瞬时电压与匝数不成正比．
如图5 4 1所示，为一变压器结构示意图．
图5 4 1
探讨1：当在a、b端接入恒定电源时，接在副线圈上的灯泡能否发光？
【提示】 当a、b接恒定电源时，原线圈中有恒定电流，穿过原、副线圈的磁通量不变，所以副线圈中没有感应电流，灯泡不发光．
探讨2：变压器中闭合铁芯的作用是什么？
【提示】 闭合铁芯的作用是形成一个闭合磁路，使副线圈中的磁通量的变化与原线圈中磁通量的变化基本相同．
1．变压器的工作原理
2．理想变压器的特点
(1)变压器铁芯内无漏磁．
(2)原、副线圈不计内阻，即不产生焦耳热．
3．电动势关系
由于互感现象，且没有漏磁，原、副线圈中每一匝线圈都具有相同的，根据法拉第电磁感应定律有E1＝n1，E2＝n2，所以＝.
4．电压关系
由于不计原、副线圈的电阻，因此原线圈两端的电压U1＝E1，副线圈两端的电压U2＝E2，所以＝.
当有多个副线圈时，则有：＝＝＝…
5．功率关系
对于理想变压器，不考虑能量损失，P入＝P出．
6．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＋…
1．(多选)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．所有变压器的工作基础都是互感现象
C．各种电流接入变压器的输入端，变压器都能持续正常工作
D．只有交变电流接入变压器的原线圈中，变压器才能持续正常工作
【解析】 变压器之所以能变压，是因为原线圈接交流电源时，有交变电流流过原线圈，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，选项A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，这种变压器的工作基础是自感，也就是说，当变压器是利用两个线圈变压时，其工作基础是互感，当变压器是利用一个线圈变压时，其工作基础是自感，所以选项B错误；变压器要想持续正常工作，原线圈必须接入交变电流，若接入直流电，原、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，所以选项C错误，D正确．
【答案】 AD
2．在变电所，经常要用交流电表去监测电网上的强电流，使用的仪器是电流互感器．如图所示的四个图中，能正确反映其工作原理的是( )
【解析】 电流互感器是测电流的，应串联在火线上，故B、D错误．由变压器电流关系n1I1＝n2I2，要使I2＜I1，须n2＞n1，故A选项正确．
【答案】 A
3．如图5 4 2所示，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＝12sin
100πt(V)．下列说法正确的是( )
图5 4 2
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】 根据u＝Umsin
ωt及U＝、理想变压器的规律、欧姆定律和电功率公式解决问题．
根据u1＝12sin
100πt(V)及U＝知U1＝12
V，f＝＝50
Hz，选项A错误；根据＝得U2＝U1＝×12
V＝6
V，即的读数为6
V，选项B错误；根据I2＝L
＝A＝1
A，即 的读数为1
A，选项C错误；根据P1＝P2及P2＝＝
W＝6
W，选项D正确．
【答案】 D
关于变压器关系式的两点说明
1．对于公式＝，无论副线圈一端是空载还是有负载，都是适用的．
2．由＝知，对于只有一个副线圈的变压器：电流与匝数成反比．因此，变压器高压线圈匝数多而通过的电流小，可用较细的导线绕制，低压线圈匝数少而通过的电流大，应用较粗的导线绕制．
变压器工作时的制约关系及动态分析
如图5 4 3所示为理想变压器，b是原线圈的中心抽头，电压表和电流表均为理想电表．从某时刻开始在原线圈c、d两端加上交变电压，请探究以下几个问题：
图5 4 3
探讨1：保持滑动变阻器触头P的位置不变，当单刀双掷开关由a扳向b时，电压表和电流表的示数如何变化？变压器的输出功率如何变化？
【提示】 理想变压器副线圈输出电压变大，通过负载电阻的电流增大，电压表和电流表的示数均变大，变压器的输出功率变大．
探讨2：单刀双掷开关与a连接，在滑动变阻器触头P向上移动的过程中，电压表和电流表的示数如何变化？变压器的输出功率如何变化？原线圈的电流、输入功率如何变化？
【提示】 对于理想变压器，输入电压一定时，输出电压也一定，当触头P向上移动过程中，变压器负载电阻变大，由I2＝知I2变小，故电压表示数不变，电流表示数变小，由＝可知，原线圈中的电流I1也变小．而由P2＝U2I2，P1＝I1U1可知P1、P2均变小．故变压器的输入、输出功率变小．
1．电压制约
当变压器原、副线圈的匝数比(n1/n2)一定时，输出电压U2由输入电压决定，即U2＝n2U1/n1.
2．电流制约
当变压器原、副线圈的匝数比(n1/n2)一定，且输入电压U1确定时，原线圈中的电流I1由副线圈中的输出电流I2决定，即I1＝n2I2/n1.
3．负载制约
(1)变压器副线圈中的功率P2由用户负载决定，P2＝P负1＋P负2＋…；
(2)变压器副线圈中的电流I2由用户负载及电压U2确定，I2＝P2/U2；
(3)总功率P入＝P线＋P2，即变压器的输入功率是由输出功率决定的．
4．频率关系
原、副线圈中电流的频率相同．
5．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→P2→P1→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→P2→P1→I1.
4．(多选)如图5 4 4所示的电路中，P为滑动变阻器的滑片，保持理想变压器的输入电压U1不变，闭合开关S，下列说法正确的是( )
图5 4 4
A．P向下滑动时，灯L变亮
B．P向下滑动时，变压器的输出电压不变
C．P向上滑动时，变压器的输入电流变小
D．P向上滑动时，变压器的输出功率变大
【解析】 由于理想变压器输入电压U1不变，原、副线圈匝数不变，所以输出电压U2也不变，灯L亮度不随P的滑动改变，故选项A错误，选项B正确；P向上滑动时，滑动变阻器接入电路的电阻减小，负载总电阻R总减小，由I2＝知，通过副线圈的电流I2增大，输出功率P2＝U2I2增大，再由＝知输入电流I1也增大，故选项C错误，D正确．
【答案】 BD
5．如图5 4 5所示，一理想变压器接在电压为U的交流电源上，原线圈接入电路的匝数可以通过调节滑动触头P来改变．副线圈连接交流电流表、定值电阻R0和可变电阻R，则( )
图5 4 5
A．保持P的位置不动，将R的阻值增大，电流表的读数变小
B．保持P的位置不动，将R的阻值增大，R0的电功率变大
C．保持R的阻值不变，将P向上滑动，电流表的读数变大
D．保持R的阻值不变，将P向上滑动，R0的电功率变大
【解析】 保持P的位置不动，即原、副线圈的匝数比不变，故副线圈两端的电压U′恒定，将R的阻值增大时，由I＝可知，副线圈中的电流变小，故电流表的读数变小，A正确；由P0＝I2R0可知，R0的电功率减小，B错误；保持R的阻值不变，将P向上滑动时，原线圈的匝数n1增大，由U′＝U可知，副线圈上的电压变小，由I＝可知，副线圈中的电流变小，C错误；由P0＝I2R0可知，R0的电功率减小，D错误．
【答案】 A
6．如图5 4 6所示，T为理想变压器，A1、A2为交流电流表，R1、R2为定值电阻，R3为滑动变阻器，原线圈两端接恒压交流电源，当滑动变阻器的滑动触头向下滑动时( )
图5 4 6
A．A1的读数变大，A2的读数变大
B．A1的读数变大，A2的读数变小
C．A1的读数变小，A2的读数变大
D．A1的读数变小，A2的读数变小
【解析】 当滑动触头下移时，R3变小，R总变小，I＝，U不变，I变大，U并＝U－UR1变小，通过R2的电流变小，IA2＝I－IR2变大，A2的示数变大，由原、副线圈电流与匝数成反比，可知A1的示数变大．
【答案】 A
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．把副线圈当做电源，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．