2019_2020学年高中物理第2章交变电流第6节变压器学案粤教版选修3_2word版含答案

第六节　变压器
[学习目标]　1.了解变压器的构造，知道什么是理想变压器.2.理解变压器的工作原理．(重点)3.通过实验探究，得到电压、电流与匝数的关系．(重点)4.能够利用变压比、变流比定性和定量分析有关变压器的实际问题．(难点)


一、认识变压器
1．用途：改变交流电压的设备．
2．构造：变压器是由闭合铁芯和绕在铁芯上的线圈组成．
(1)原线圈：跟电源相连的线圈(也叫初级线圈)．
(2)副线圈：跟负载相连的线圈(也叫次级线圈)．
3．原理：原线圈中的交变电流在铁芯中产生交变的磁通量，这个交变的磁通量不仅穿过原线圈，也穿过副线圈，所以在副线圈中产生感应电动势．如果在副线圈两端接入负载，负载中就会有交变电流．
二、理想变压器原、副线圈基本量的关系
1．铜损和铁损
(1)铜损：变压器的线圈有内阻，电流通过时发热所损失的能量．
(2)铁损：铁芯在交变磁场中反复磁化，产生涡流，使铁芯发热所损失的能量．
2．理想变压器：忽略原、副线圈的电阻和各种电磁能量损失的变压器．
3．电压与匝数关系：原、副线圈的电压之比等于这两个线圈的匝数之比，即＝.
4．功率关系：原线圈的输入功率等于副线圈的输出功率．
5．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＝.
6．两类变压器：n2>n1，能使电压升高的变压器叫作升压变压器；n2
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)我们所用的比较好的变压器就是理想变压器．(×)
(2)理想变压器的输入功率和输出功率相等．(√)
(3)输入交变电流的频率越高，输出交变电流的电压就越高．(×)
(4)变压器能改变所有电流的电压．(×)
(5)我们可以根据变压器线圈导线的粗细判断其匝数的多少．(√)
2．(多选)理想变压器的原、副线圈中一定相同的物理量有(　　)
A．交流电的频率　　 B．磁通量的变化率
C．功率 D．交流电的峰值
ABC　[理想变压器没有漏磁，没有能量损失，所以原、副线圈中磁通量变化率相同，原、副线圈中功率相同，B、C正确；变压器能改变交流电的峰值但不改变交流电频率，A正确，D错误．]
3．一台理想变压器的原线圈接220 V正弦交流电压时，副线圈上仅接有阻值为10 Ω的电阻，电阻两端的电压为44 V．若将副线圈的匝数增加100匝，则通过副线圈上此电阻的电流增加1.1 A．由此可知该变压器原线圈的匝数为(　　)
A．200 B．2 000
C．50 D．500
B　[由题意知，当副线圈匝数增加100匝时，电阻上的电压U2′＝U2＋ΔIR＝44 V＋1.1×10 V＝55 V
又由＝，＝，可得，
＝，＝
解得n1＝2 000，故B正确．]


对变压器原理的理解

1.变压器的变压原理是电磁感应．如图所示，当原线圈上加交流电压U1时，原线圈中就有交变电流，它在铁芯中产生交变的磁通量，在原、副线圈中都会产生感应电动势．如果副线圈是闭合的，则副线圈中将产生交变的感应电流，它也在铁芯中产生交变磁通量，在原、副线圈中同样要引起感应电动势．

2．由于互感现象，原、副线圈间虽然不相连，电能却可以通过磁场从原线圈传递到副线圈．
3．能量转换方式为原线圈电能→磁场能→副线圈电能．
【例1】　(多选)如图所示为汽油机中点火装置的示意图，它使用的是12 V直流电源，在变压器的输出端却可得到高达10 000 V的高压，开关是自动控制的，欲使副线圈两端得到一个高压，应使(　　)

A．开关总处于接通状态 B．开关在接通时断开
C．开关在断开时接通 D．开关总处于断开状态
BC　[欲使副线圈两端得到一个高压，必须使变压器铁芯中的磁通量发生变化，即原线圈中的电流必须发生变化，只有在开关闭合、断开瞬间原线圈中电流才有变化，故选B、C.]

(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频率．
(4)若直流电的电压是随时间变化的，也可以用变压器改变电压．

1．如图所示，甲图中两导轨不平行，而乙图中两导轨平行，其余物理条件都相同，金属棒MN正在导轨上向右做匀速运动，在金属棒运动过程中，将观察到(　　)

甲　　　　　　　　　乙
A．L1、L2都发光，只是亮度不同
B．L1、L2都不发光
C．L2发光，L1不发光
D．L1发光，L2不发光
D　[甲图右侧线圈中感应电动势的大小时刻变化，在甲图的右侧线圈中形成变化的电流，能发生电磁感应，在左侧线圈和灯L1中产生感应电流，灯L1发光．乙图右侧线圈中感应电动势恒定不变．在乙图的右侧线圈中形成恒定不变的电流，不能在左侧线圈和灯L2回路中产生感应电流，灯L2不发光．正确选项为D.]

理想变压器的规律

1．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＝.
2．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＋…
5．升压、降压变压器

n1n2
升压变压器　　　降压变压器
【例2】　如图所示，理想变压器原、副线圈匝数比为20∶1，两个标有“12 V　6 W”的小灯泡并联在副线圈的两端．当两灯泡都正常工作时，原线圈电路中电压表和电流表(可视为理想的)的示数分别是 (　　)

A．120 V,0.10 A B．240 V,0.025 A
C．120 V,0.05 A D．240 V,0.05 A
思路点拨：解答本题时可按以下思路分析：

D　[由于灯泡正常发光，所以U2＝12 V，
根据＝解得U1＝240 V；
两个灯泡均正常发光，I2＝2＝1 A，
根据＝解得I1＝0.05 A，故D正确．]

1．理想变压器不改变交变电流的周期和频率．
2．(1)＝，无论副线圈一端是空载还是有负载，都是适用的．
(2)输出电压U2由输入电压U1和原、副线圈的匝数比共同决定．
由＝得，＝＝.
(3)若变压器有多个副线圈，有＝，＝，…，即电压关系仍成立．

训练角度1：理想变压器规律的应用
2．某理想变压器原、副线圈匝数比为55∶9，原线圈所接电源电压的变化规律如图所示，副线圈接有负载．下列判断正确的是(　　)
A．输出电压的最大值为36 V
B．原、副线圈中电流之比为55∶9
C．该理想变压器的输入、输出功率之比为55∶9
D．交流电源电压有效值为220 V，频率为50 Hz
D　[由图象可知电源电压的有效值U1＝＝220 V，频率f＝＝50 Hz，D正确；输出电压的有效值U2＝U1＝36 V，故输出电压的最大值U2max＝36 V，A错误；由于＝＝，B错误；理想变压器的输入功率与输出功率相等，C错误．]
训练角度2：多个副线圈的理想变压器
3．如图所示，理想变压器原线圈匝数为n1＝1 000匝，两个副线圈匝数分别为n2＝50匝和n3＝100匝，L1是“6 V　2 W”的灯泡，L2是“12 V 　4 W”的灯泡，当原线圈接正弦交变电流时，两灯泡均正常发光，那么原线圈中的电流为(　　)
A. A B. A
C. A D. A
C　[由电压关系＝＝
解得U1＝120 V，
原线圈的输入功率为P入＝U1I1＝PL1＋PL2
解得I1＝ A，C正确．]

理想变压器动态问题分析

1．电压制约：当变压器原、副线圈的匝数比()一定时，输出电压U2由输入电压U1决定，即U2＝.
2．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，原线圈中的电流I1由副线圈中的输出电流I2决定，即I1＝.
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＝；
(3)总功率P入＝P2，即变压器的输入功率是由输出功率决定的．
4．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.
【例3】　如图所示电路中，变压器为理想变压器，a、b接在电压有效值不变的交流电源两端，R0为定值电阻，R为滑动变阻器．现将变阻器的滑片从一个位置滑动到另一位置，观察到电流表A1的示数增大了0.2 A，电流表A2的示数增大了0.8 A，则下列说法正确的是(　　)

A．电压表V1示数增大
B．电压表V2、V3示数均增大
C．该变压器起升压作用
D．变阻器滑片是沿c→d的方向滑动
思路点拨：①原副线圈两端电压是否变化？②A2增大，说明电阻如何变化？③由＝＝得＝，求.④V3示数的变化根据U3＝U2－I2·R0判断．
D　[电压表V1的示数和a、b间电压的有效值相同，滑片滑动时V1示数不变，选项A错误；电压表V2测量的电压为副线圈两端的电压，原、副线圈匝数不变，输入电压不变，故V2示数不变，V3示数为V2示数减去R0两端电压，副线圈中电流增大，易知R0两端电压升高，故V3示数减小，选项B错误；理想变压器U1I1＝U2I2，则U1ΔI1＝U2ΔI2，ΔI2>ΔI1，故U2
理想变压器动态问题的处理方法
(1)首先抓住三个制约关系：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．

训练角度1：负载变化引起的电路变化分析
4．(多选)如图所示，理想变压器原线圈接一交流电源，副线圈回路中有一定值电阻R和两个小灯泡L1、L2，最初开关S是断开的，现闭合开关S，则(　　)

A．副线圈两端电压不变
B．灯泡L1变亮
C．电流表A1示数变大
D．电阻R中的电流变小
AC　[闭合开关S，副线圈两端电压不变，选项A正确；副线圈输出电流增大，电阻R中的电流变大，灯泡L1两端电压降低，灯泡L1变暗，选项B、D错误；电流表A1示数变大，选项C正确．]
训练角度2：原副线圈匝数比变化引起的电路动态问题
5．理想变压器原线圈接如图甲所示的正弦交变电压，变压器原线圈匝数n1＝270匝，P是副线圈上的滑片，当P处于图乙所示位置时，副线圈连入电路的匝数n2＝135匝，电容器C恰好不被击穿，灯泡L恰能正常发光，R是滑动变阻器．以下判断正确的是(　　)

甲　　　　　　　乙
A．若向下移动P，电容器的电荷量增加
B．若保持P不动，向下移动R的滑片，灯泡变暗
C．若保持R的滑片不动，向下移动P，灯泡变亮
D．电容器的击穿电压为11 V
D　[原线圈输入电压的有效值U1＝＝22 V，当P位于题图乙所示位置，副线圈电压的有效值为U2＝U1＝11 V，电容器C恰好不被击穿，若向下移动P，电容器C两端的电压减小，有Q＝CU可知，电容器所带的电荷量减小，故A错误；若保持P不动，向下移动R的滑片，R接入电路的电阻减小，流过灯泡的电流增大，灯泡变亮，故B错误；若保持R的滑片不动，向下移动P，则副线圈的电压变小，灯泡变暗，故C错误；电容器击穿电压的最大值U′m＝U1＝11 V，故D正确．]

课 堂 小 结 知 识 脉 络
1.互感现象是变压器的工作基础，变压器工作时有能量损失，变压器的输出功率与输入功率之比叫作变压器的效率．理想变压器的效率为100%.2．理想变压器原、副线圈的电压与匝数的关系为＝.3．如果理想变压器的副线圈只有一个，则P1＝P2，即U1I1＝U2I2，得出原、副线圈电流与匝数的关系为＝.4．所有变压器不改变交变电流的频率，理想变压器不改变功率.

1．(多选)理想变压器原、副线圈匝数之比为10∶1，以下说法中正确的是(　　)
A．穿过原、副线圈磁通量之比是10∶1
B．穿过原、副线圈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漏，因而穿过两个线圈的交变磁通量相同，磁通量变化率相同，因而每匝线圈产生的感应电动势相等，电压与匝数成正比，选项B正确，A、C错误；对理想变压器输入功率等于输出功率，D正确．]
2.如图所示，理想变压器原、副线圈的匝数比n1∶n2＝4∶1，当导体棒在匀强磁场中向左做匀速直线运动切割磁感线时，电流表A1的示数是12 mA，则电流表A2的示数为(　　)
A．3 mA　　　　　 B．0
C．48 mA D．与负载R的值有关
B　[变压器只能工作于交流电路，不能工作于恒定电压和恒定电源的电路，导体棒向左匀速切割磁感线时，在线圈n1中通过的是恒定电流，不能引起穿过线圈n2的磁通量变化，在副线圈n2上无感应电动势出现，所以A2中无电流通过．]
3．如图为一与电源相接的理想变压器，原线圈中的电流是I1，副线圈中的电流是I2，当副线圈中的负载电阻变小时 (　　)

A．I2变小，I1变小 B．I2变小，I1增大
C．I2增大，I1增大 D．I2增大，I1变小
C　[因为匝数不变，所以副线圈电压不变，当电阻变小时，根据公式I2＝，I2增大，又因为＝，不变，当I2增大时，I1也增大，所以C正确．]
4．(多选)如图甲所示的调压装置可视为理想变压器，负载电路中R＝55 Ω，A、V为理想电流表和电压表，若原线圈接入如图乙所示的正弦交变电压，电压表的示数为110 V，下列表述正确的是(　　)

甲　　　　　　　　乙
A．电流表的示数为2 A
B．原、副线圈匝数比为1∶2
C．电压表的示数为电压的有效值
D．原线圈中交变电压的频率为50 Hz
ACD　[由题意可知原线圈电压为220 V，副线圈电压为110 V，＝＝，故B选项错误；由图乙可知原线圈中的电压频率为50 Hz，D选项正确；由副线圈电路可求得电流为2 A，故A选项正确．]






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