2018-2019学年高二物理沪科版选修3-2学案：第3章 3.2 变压器为什么能改变电压 3.3 电能的开发与利用
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| 名称 | 2018-2019学年高二物理沪科版选修3-2学案：第3章 3.2 变压器为什么能改变电压 3.3 电能的开发与利用 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 94.3KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 沪科版 | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2018-09-12 16:26:11 | ||
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3.2 变压器为什么能改变电压
3.3 电能的开发与利用
学 习 目 标
知 识 脉 络
1．知道变压器的构造及几种常见的变压器．
2．掌握变压器的工作原理及互感现象．(难点)
3．掌握理想变压器匝数与电压、电流的关系，并能用它解决基本问题．(重点、难点)
4．知道电能的优点及发展前景.
[自 主 预 习·探 新 知]
[知识梳理]
一、变压器
1．用途
变压器是改变交流电压的设备．
2．结构
变压器主要由闭合的铁心和绕在铁心上的两个或两个以上的线圈组成，如图3-2-1所示．
图3-2-1
3．两组概念
(1)原线圈与副线圈．
原线圈：与电源相连的线圈(也叫初级线圈)，匝数用n1表示．
副线圈：与负载相连的线圈(也叫次级线圈)，匝数用n2表示．
(2)输入电压与输出电压．
输入电压：原线圈两端的电压，用符号U1表示．
输出电压：副线圈两端的电压，用符号U2表示．
4．常见的变压器
(1)电力变压器：用于电能输送，有升压变压器，也有降压变压器，一般功率较大．
(2)自耦变压器：只有一个线圈，线圈的起始端既是原线圈的一端，也是副线圈的一端．线圈上有一边刮去了绝缘漆，当金属触头沿此边滑动时，就改变了副线圈的匝数，从而改变了输出电压．
(3)互感器：是一种变压器，有电压互感器和电流互感器，用于测量高电压和大电流．
(4)电源变压器：用于将220 V电压转换成所需要的低压直流电．
二、探究变压器原、副线圈电压、电流与匝数的关系
1．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，等于两个线圈的匝数之比，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降压变压器；副线圈的电压比原线圈电压高的变压器叫升压变压器．
2．电流与匝数关系、功率关系
(1)电流与匝数关系：原、副线圈中的电流跟它们的匝数成反比，即＝.
(2)功率关系：变压器的输入功率等于输出功率，即P1＝P2.
三、电能的开发与利用
1．电能——能源家族的天之骄子
(1)电能与其他形式的能之间容易转换．
(2)可以集中生产，便于输送和分配，易于控制与管理．
(3)电能的转换效率高．
2．我国电能开发利用现状
(1)火力发电为主，发电量占总发电量的71%；火力发电污染严重，而且所用煤是一次性能源，不能再生．
(2)水力发电占总发电量的24.1%；水力发电几乎没有污染，而且水力是可再生能源，但受地域限制．
3．电能开发与利用的前景
(1)目前，世界各国基本上是以火力发电和水力发电为主．火力发电要大量消耗煤炭等不可再生能源，而且放出的二氧化碳和烟尘影响空气质量，形成的酸雨会损害生物的生长发育．
(2)太阳能是一种理想的能源．利用太阳能发电卫生干净，不产生公害．目前利用太阳能发电的途径主要有两种：一是太阳光发电，二是太阳热发电．
(3)核能发电是把核燃料的核能转化为电能．核能发电是一个备受争议的话题．究其原因，高成本和核污染是核电站的致命弱点，这影响了人们对核能发电发展前景的估计．
(4)风力发电是把风的动能转换为电能．虽然现在风力发电量不到全世界发电量的1%，但随着风力发电技术的不断进步，人类环保意识的不断增强，风力发电将迎来一个非常繁荣的时代．
(5)地热发电、海浪发电和潮汐发电都是获得电能的好途径．
[基础自测]
1．思考判断
(1)变压器的基本原理是电磁感应． (√)
(2)变压器不能改变恒定电流的电压． (√)
(3)变压器能改变交变电流的电压、电流，也能改变频率． (×)
【提示】 变压器不能改变交变电流的频率．
(4)理想变压器能改变交流电压、交流电流，但功率不变． (√)
(5)理想变压器原、副线圈电压之比等于匝数之比． (√)
(6)电能的转换效率要明显高于内能的转换效率． (√)
(7)风能、潮汐能、太阳能等是无污染的清洁能源，因而要大力开发．
(√)
2．一个正常工作的理想变压器的原、副线圈中，下列的哪个物理量不一定相等( )
A．交流电的频率 B．电流的有效值
C．电功率 D．磁通量的变化率
B [一个正常工作的理想变压器，原、副线圈的磁通量的变化率，交流电的频率、电功率均相等，而电流的有效值不一定相等，故选B.]
3．一电器中的变压器可视为理想变压器，它将220 V交变电流改变为110 V．已知变压器原线圈匝数为800，则副线圈匝数为( )
A．200 B．400
C．1 600 D．3 200
B [根据理想变压器原、副线圈电压与匝数的关系＝，得n2＝＝＝400，选项B正确．]
[合 作 探 究·攻 重 难]
理想变压器
1.理想变压器
(1)没有漏磁(磁感线全部集中在铁心中)．
(2)没有能量损失，即铁心中无内能产生，线圈中无内能产生(线圈电阻忽略不计).
2．理想变压器的“两不改变”与“两改变”
(1)两不改变：
①不改变功率
理想变压器不计铜损、铁损与漏磁，所以输入功率等于输出功率，P入＝P出．当副线圈为断路时，原线圈的输入功率为零．
②不改变频率
在原线圈中接上周期性变化的电流，在副线圈中会激发出同频率的交变电流．
(2)两改变：
①改变电压．
②改变电流．
3．两类互感器的特点及电路连接方式
(1)互感器本质上是变压器，互感现象在其工作原理的基础上，将互感器分为电压互感器和电流互感器．
(2)电压互感器和电流互感器的比较
电压互感器
电流互感器
原线圈的连接
原线圈并联在高压电路中
原线圈串联在待测高电流电路中
副线圈的连接
连接电压表
连接电流表
互感器的作用
将高电压变为低电压
将大电流变为小电流
结合匝数比可
计算出的结果
高压电路的电压
大电流电路的电流
原理图
理想变压器正常工作时，原、副线圈中一定不相同的物理量是( )
A．每匝线圈中磁通量的变化率
B．交变电流的频率
C．原线圈的输入功率和副线圈的输出功率
D．原线圈的感应电动势和副线圈的感应电动势
D [由理想变压器的“两不改变”和“两改变”可知选D.]
规律方法
变压器能改变交变电压、交变电流，但不能改变功率和交变电流的频率.
[针对训练]
1．关于理想变压器的工作原理，以下说法正确的是( )
A．通有正弦交变电流的原线圈产生的磁通量不变
B．穿过原、副线圈的磁通量在任何时候都不相等
C．穿过副线圈磁通量的变化使得副线圈产生感应电动势
D．原线圈中的电流通过铁心流到了副线圈
C [通有正弦交变电流的原线圈产生的磁场是变化的，由于面积S不变，故磁通量Φ变化，A错误；因理想变压器无漏磁，故B错误；由互感现象知C正确；原线圈中的电能转化为磁场能又转化为电能，原副线圈通过磁场联系在一起，故D错误．]
理想变压器的规律
1.理想变压器的电压、电流、功率关系
规律表示
依据
备注
电压
关系
＝
E＝n
适用于一个原线圈、一个副线圈的情况
＝＝…
适用于一个原线圈和多个副线圈的情况
功率关系
P入＝P出
能量守恒
适用于理想
变压器
电流关系
＝
U1I1＝U2I2
适用于一个原线圈、一个副线圈的情况
n1I1＝n2I2
＋n3I3＋…
U1I1＝U2I2
＋U3I3＋…
适用于一个原线圈和多个副线圈的情况
2.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出增大时，P入也随之增大；P出减小时，P入也随之减小；P出为0，P入也为0.
(3)电流制约：当变压器原、副线圈的匝数比()一定时，且输入电压U1确定，副线圈中输出电流I2决定原线圈中的电流I1，即I1＝.
如图3-2-2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两端电压u1＝12sin(100πt)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
思路点拨：①由＝可得读数；②由I2＝得读数；③由P入＝U2I2得变压器输入电压．
D [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；又I2＝＝ 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．]
规律方法
?1?电压表、电流表示数均为有效值.
?2?理想变压器P入＝P出.
?3?变压器不改变频率，即原、副线圈电流频率相等.
[针对训练]
2．收音机的变压器的初级线圈有1210匝，接在U1＝220 V的交流电源上，变压器有两个次级线圈．次级线圈Ⅱ的匝数为35匝，次级线圈Ⅲ的匝数是1 925匝．如果不计变压器自身的能量消耗，当变压器工作时，线圈Ⅱ的电流是0.3 A时，初级线圈的电流I1＝0.114 A．求线圈Ⅲ中的电流和输出电压(电流的计算结果保留3位有效数字)．
【解析】 U2＝U1＝×220 V＝6.36 V.
U3＝U1＝×220 V＝350 V.
不计变压器自身的能量消耗，由能量转化和守恒定律
P1＝P2＋P3，I1U1＝I2U2＋I3U3，
I3＝＝0.066 2 A.
【答案】 0.066 2 A 350 V
[当 堂 达 标·固 双 基]
1．(多选)理想变压器原、副线圈匝数比为10∶1，以下说法中正确的是( )
A．穿过原、副线圈每一匝磁通量之比是10∶1
B．穿过原、副线圈每一匝磁通量的变化率相等
C．原、副线圈每一匝产生的电动势瞬时值之比为10∶1
D．正常工作时原、副线圈的输入、输出功率之比为1∶1
BD [对理想变压器，无磁通量损失，因而穿过两个线圈的磁通量相同，磁通量变化率相同，每匝线圈产生的感应电动势相等，电压与匝数成正比；理想变压器可以忽略热损耗，故输入功率等于输出功率．故正确答案为B、D.]
2．在变电站里，经常要用交流电表去监测电网上的强电流，所用的器材叫电流互感器．如下四个图中，能正确反映工作原理的是( )
A B C D
A [电流互感器应串联在高压电路中，属于升压变压器，故A正确．]
3.一输入电压为220 V，输出电压为36 V的变压器副线圈烧坏了，为获知此变压器原副线圈匝数，某同学拆下烧坏的副线圈，用绝缘导线在铁心上新绕了5匝线圈，如图3-2-3所示，然后将原线圈接到220 V交流电源上，测得新绕线圈的端电压为1 V，按理想变压器分析，该变压器烧坏前的原、副线圈匝数分别为( )
图3-2-3
A．1 100,360 B．1 100,180
C．2 200,180 D．2 200,360
B [对新绕线圈的理想变压器，根据变压比公式得n1＝＝＝1 100，变压器烧坏前，同理n2＝＝＝180，故B正确．]
3.3 电能的开发与利用
学 习 目 标
知 识 脉 络
1．知道变压器的构造及几种常见的变压器．
2．掌握变压器的工作原理及互感现象．(难点)
3．掌握理想变压器匝数与电压、电流的关系，并能用它解决基本问题．(重点、难点)
4．知道电能的优点及发展前景.
[自 主 预 习·探 新 知]
[知识梳理]
一、变压器
1．用途
变压器是改变交流电压的设备．
2．结构
变压器主要由闭合的铁心和绕在铁心上的两个或两个以上的线圈组成，如图3-2-1所示．
图3-2-1
3．两组概念
(1)原线圈与副线圈．
原线圈：与电源相连的线圈(也叫初级线圈)，匝数用n1表示．
副线圈：与负载相连的线圈(也叫次级线圈)，匝数用n2表示．
(2)输入电压与输出电压．
输入电压：原线圈两端的电压，用符号U1表示．
输出电压：副线圈两端的电压，用符号U2表示．
4．常见的变压器
(1)电力变压器：用于电能输送，有升压变压器，也有降压变压器，一般功率较大．
(2)自耦变压器：只有一个线圈，线圈的起始端既是原线圈的一端，也是副线圈的一端．线圈上有一边刮去了绝缘漆，当金属触头沿此边滑动时，就改变了副线圈的匝数，从而改变了输出电压．
(3)互感器：是一种变压器，有电压互感器和电流互感器，用于测量高电压和大电流．
(4)电源变压器：用于将220 V电压转换成所需要的低压直流电．
二、探究变压器原、副线圈电压、电流与匝数的关系
1．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，等于两个线圈的匝数之比，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降压变压器；副线圈的电压比原线圈电压高的变压器叫升压变压器．
2．电流与匝数关系、功率关系
(1)电流与匝数关系：原、副线圈中的电流跟它们的匝数成反比，即＝.
(2)功率关系：变压器的输入功率等于输出功率，即P1＝P2.
三、电能的开发与利用
1．电能——能源家族的天之骄子
(1)电能与其他形式的能之间容易转换．
(2)可以集中生产，便于输送和分配，易于控制与管理．
(3)电能的转换效率高．
2．我国电能开发利用现状
(1)火力发电为主，发电量占总发电量的71%；火力发电污染严重，而且所用煤是一次性能源，不能再生．
(2)水力发电占总发电量的24.1%；水力发电几乎没有污染，而且水力是可再生能源，但受地域限制．
3．电能开发与利用的前景
(1)目前，世界各国基本上是以火力发电和水力发电为主．火力发电要大量消耗煤炭等不可再生能源，而且放出的二氧化碳和烟尘影响空气质量，形成的酸雨会损害生物的生长发育．
(2)太阳能是一种理想的能源．利用太阳能发电卫生干净，不产生公害．目前利用太阳能发电的途径主要有两种：一是太阳光发电，二是太阳热发电．
(3)核能发电是把核燃料的核能转化为电能．核能发电是一个备受争议的话题．究其原因，高成本和核污染是核电站的致命弱点，这影响了人们对核能发电发展前景的估计．
(4)风力发电是把风的动能转换为电能．虽然现在风力发电量不到全世界发电量的1%，但随着风力发电技术的不断进步，人类环保意识的不断增强，风力发电将迎来一个非常繁荣的时代．
(5)地热发电、海浪发电和潮汐发电都是获得电能的好途径．
[基础自测]
1．思考判断
(1)变压器的基本原理是电磁感应． (√)
(2)变压器不能改变恒定电流的电压． (√)
(3)变压器能改变交变电流的电压、电流，也能改变频率． (×)
【提示】 变压器不能改变交变电流的频率．
(4)理想变压器能改变交流电压、交流电流，但功率不变． (√)
(5)理想变压器原、副线圈电压之比等于匝数之比． (√)
(6)电能的转换效率要明显高于内能的转换效率． (√)
(7)风能、潮汐能、太阳能等是无污染的清洁能源，因而要大力开发．
(√)
2．一个正常工作的理想变压器的原、副线圈中，下列的哪个物理量不一定相等( )
A．交流电的频率 B．电流的有效值
C．电功率 D．磁通量的变化率
B [一个正常工作的理想变压器，原、副线圈的磁通量的变化率，交流电的频率、电功率均相等，而电流的有效值不一定相等，故选B.]
3．一电器中的变压器可视为理想变压器，它将220 V交变电流改变为110 V．已知变压器原线圈匝数为800，则副线圈匝数为( )
A．200 B．400
C．1 600 D．3 200
B [根据理想变压器原、副线圈电压与匝数的关系＝，得n2＝＝＝400，选项B正确．]
[合 作 探 究·攻 重 难]
理想变压器
1.理想变压器
(1)没有漏磁(磁感线全部集中在铁心中)．
(2)没有能量损失，即铁心中无内能产生，线圈中无内能产生(线圈电阻忽略不计).
2．理想变压器的“两不改变”与“两改变”
(1)两不改变：
①不改变功率
理想变压器不计铜损、铁损与漏磁，所以输入功率等于输出功率，P入＝P出．当副线圈为断路时，原线圈的输入功率为零．
②不改变频率
在原线圈中接上周期性变化的电流，在副线圈中会激发出同频率的交变电流．
(2)两改变：
①改变电压．
②改变电流．
3．两类互感器的特点及电路连接方式
(1)互感器本质上是变压器，互感现象在其工作原理的基础上，将互感器分为电压互感器和电流互感器．
(2)电压互感器和电流互感器的比较
电压互感器
电流互感器
原线圈的连接
原线圈并联在高压电路中
原线圈串联在待测高电流电路中
副线圈的连接
连接电压表
连接电流表
互感器的作用
将高电压变为低电压
将大电流变为小电流
结合匝数比可
计算出的结果
高压电路的电压
大电流电路的电流
原理图
理想变压器正常工作时，原、副线圈中一定不相同的物理量是( )
A．每匝线圈中磁通量的变化率
B．交变电流的频率
C．原线圈的输入功率和副线圈的输出功率
D．原线圈的感应电动势和副线圈的感应电动势
D [由理想变压器的“两不改变”和“两改变”可知选D.]
规律方法
变压器能改变交变电压、交变电流，但不能改变功率和交变电流的频率.
[针对训练]
1．关于理想变压器的工作原理，以下说法正确的是( )
A．通有正弦交变电流的原线圈产生的磁通量不变
B．穿过原、副线圈的磁通量在任何时候都不相等
C．穿过副线圈磁通量的变化使得副线圈产生感应电动势
D．原线圈中的电流通过铁心流到了副线圈
C [通有正弦交变电流的原线圈产生的磁场是变化的，由于面积S不变，故磁通量Φ变化，A错误；因理想变压器无漏磁，故B错误；由互感现象知C正确；原线圈中的电能转化为磁场能又转化为电能，原副线圈通过磁场联系在一起，故D错误．]
理想变压器的规律
1.理想变压器的电压、电流、功率关系
规律表示
依据
备注
电压
关系
＝
E＝n
适用于一个原线圈、一个副线圈的情况
＝＝…
适用于一个原线圈和多个副线圈的情况
功率关系
P入＝P出
能量守恒
适用于理想
变压器
电流关系
＝
U1I1＝U2I2
适用于一个原线圈、一个副线圈的情况
n1I1＝n2I2
＋n3I3＋…
U1I1＝U2I2
＋U3I3＋…
适用于一个原线圈和多个副线圈的情况
2.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出增大时，P入也随之增大；P出减小时，P入也随之减小；P出为0，P入也为0.
(3)电流制约：当变压器原、副线圈的匝数比()一定时，且输入电压U1确定，副线圈中输出电流I2决定原线圈中的电流I1，即I1＝.
如图3-2-2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两端电压u1＝12sin(100πt)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
思路点拨：①由＝可得读数；②由I2＝得读数；③由P入＝U2I2得变压器输入电压．
D [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；又I2＝＝ 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．]
规律方法
?1?电压表、电流表示数均为有效值.
?2?理想变压器P入＝P出.
?3?变压器不改变频率，即原、副线圈电流频率相等.
[针对训练]
2．收音机的变压器的初级线圈有1210匝，接在U1＝220 V的交流电源上，变压器有两个次级线圈．次级线圈Ⅱ的匝数为35匝，次级线圈Ⅲ的匝数是1 925匝．如果不计变压器自身的能量消耗，当变压器工作时，线圈Ⅱ的电流是0.3 A时，初级线圈的电流I1＝0.114 A．求线圈Ⅲ中的电流和输出电压(电流的计算结果保留3位有效数字)．
【解析】 U2＝U1＝×220 V＝6.36 V.
U3＝U1＝×220 V＝350 V.
不计变压器自身的能量消耗，由能量转化和守恒定律
P1＝P2＋P3，I1U1＝I2U2＋I3U3，
I3＝＝0.066 2 A.
【答案】 0.066 2 A 350 V
[当 堂 达 标·固 双 基]
1．(多选)理想变压器原、副线圈匝数比为10∶1，以下说法中正确的是( )
A．穿过原、副线圈每一匝磁通量之比是10∶1
B．穿过原、副线圈每一匝磁通量的变化率相等
C．原、副线圈每一匝产生的电动势瞬时值之比为10∶1
D．正常工作时原、副线圈的输入、输出功率之比为1∶1
BD [对理想变压器，无磁通量损失，因而穿过两个线圈的磁通量相同，磁通量变化率相同，每匝线圈产生的感应电动势相等，电压与匝数成正比；理想变压器可以忽略热损耗，故输入功率等于输出功率．故正确答案为B、D.]
2．在变电站里，经常要用交流电表去监测电网上的强电流，所用的器材叫电流互感器．如下四个图中，能正确反映工作原理的是( )
A B C D
A [电流互感器应串联在高压电路中，属于升压变压器，故A正确．]
3.一输入电压为220 V，输出电压为36 V的变压器副线圈烧坏了，为获知此变压器原副线圈匝数，某同学拆下烧坏的副线圈，用绝缘导线在铁心上新绕了5匝线圈，如图3-2-3所示，然后将原线圈接到220 V交流电源上，测得新绕线圈的端电压为1 V，按理想变压器分析，该变压器烧坏前的原、副线圈匝数分别为( )
图3-2-3
A．1 100,360 B．1 100,180
C．2 200,180 D．2 200,360
B [对新绕线圈的理想变压器，根据变压比公式得n1＝＝＝1 100，变压器烧坏前，同理n2＝＝＝180，故B正确．]