高中物理第二章交变电流6变压器课件 62张PPT

(共62张PPT)
　6.变　压　器　
一、变压器的结构与原理
1.结构:由一个铁芯及两组线圈组成。与电源连接的线
圈称为_______,也叫初级线圈;与负载连接的线圈称为
_______,也叫次级线圈。
原线圈
副线圈
2.原理:当变压器的原线圈加上交变电压时,原线圈中
的交变电流在铁芯中激发交变的磁通量,交变的磁通量
穿过原线圈,也穿过副线圈,在原、副线圈中都产生___
_________,当副线圈闭合时,在副线圈中就会有交流电通过,电能从原线圈通过_____传输给副线圈。
感
应电动势
磁场
二、变压器的电压与匝数的关系
1.电压与匝数的关系:理想变压器原、副线圈两端的电
压跟它们的匝数成正比,即
=____。
2.两类变压器:
(1)降压变压器:副线圈的电压比原线圈电压___的变压
器。
(2)升压变压器:副线圈的电压比原线圈电压___的变压
器。
3.理想变压器:忽略原、副线圈的电阻及一切_______
___的变压器。
低
高
能量损
失
三、电流与匝数的关系
1.推导:理想变压器本身不消耗能量,则有I1U1t=I2U2t,
故
=
=____。
2.变压器线圈的特点:电压较高的线圈匝数较多,电流
较小,导线_____,电压较低的线圈匝数_____,电流较大,
导线较粗。
较细
较少
四、电压互感器和电流互感器
1.电压互感器:
(1)特点:_____变压器。
(2)连接方式:初级并联在高压交流电路上,次级与交
流_______相连。
降压
电压表
2.电流互感器:
(1)特点:_____变压器。
(2)连接方式:原线圈串联在被测量交流电路中,副线圈
与___________相连。
升压
交流电流表
【思考辨析】
(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)电压互感器和电流互感器的副线圈都应接地。
(　　)
(5)电压互感器原线圈应串联在待测电路中。
(　　)
(6)电流互感器的原线圈应并联在待测电路中。
(　　)
提示:(1)×。任何实际的变压器都会有能量损失,所以理想变压器是不存在的。
(2)√。理想变压器没有能量损失,所以输入功率和输出功率相等。
(3)×。变压器的输出电压由输入电压和原、副线圈的匝数比决定,与交变电流的频率无关。
(4)√。为了安全,电压互感器和电流互感器的副线圈都应接地。
(5)×。电压互感器原线圈应并联在待测高压电路中。
(6)×。电流互感器原线圈应串联在待测大电流电路中。
一　理想变压器的变压和变流
【典例】(2017·北京高考)如图所示,理想变压器的原
线圈接在u=220
sin100πt(V)的交流电源上,副线圈
接有R=55
Ω的负载电阻,原、副线圈匝数之比为2∶1,
电流表、电压表均为理想电表。下列说法正确的是
A.原线圈的输入功率为220
W
B.电流表的读数为1
A
C.电压表的读数为110
V
D.副线圈输出交流电的周期为50
s
【解析】选B。原线圈接在u=220
sin100πt(V)
的交流电源上,所以原线圈电压的有效值为U1=220
V,
由变压器的电压关系
=
,可得副线圈电压为
U2=110
V,电压表的示数为交流电的有效值110
V,C错
误;副线圈的电流为I2=
=2
A,由变压器的电流关系
=
,可得通过原线圈的电流为1
A,B正确;原线圈
的输入功率为P=U1I1=220
W,A错误;交流电的周期为T=
=0.02
s,D错误。
【核心归纳】
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)变压器的铁芯不漏磁。
(3)在铁芯内产生的感应电流及产生的热量不计。
理想变压器是一个没有能量损失的理想化模型。
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+…
【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频率。
(4)理想变压器本身不消耗能量。
(5)理想变压器基本关系中的U1、U2、I1、I2均为有效值。
【过关训练】
1.
(2016·全国卷Ⅰ)一含有理想变压器
的电路如图所示,图中电阻R1、R2和R3的
阻值分别为3
Ω、1
Ω和4Ω,
为理想交流电流表,U
为正弦交流电压源,输出电压的有效值恒定。当开关S
断开时,电流表的示数为I;当S闭合时,电流表的示数为
4I。该变压器原、副线圈匝数比为
A.2　　　　　B.3　　　　　C.4　　　　　D.5
【解析】选B。设变压器原、副线圈匝数分别为n1、n2,
当开关S断开时,电流表的示数为I,副线圈电流为
I,
因此有(U-IR1)I=(
)2I2(R2+R3);当S闭合时,电流表
的示数为4I,同理有(U-4IR1)×4I=(
)2(4I)2R2,联立
解得原、副线圈匝数比为3,故选B。
2.
(多选)如图所示,一理想变压器原、
副线圈的匝数分别为n1、n2。原线圈通
过一理想电流表
接正弦交流电源,一
个二极管和阻值为R的负载电阻串联后接到副线圈的两
端。假设该二极管的正向电阻为零,反向电阻为无穷
大。用交流电压表测得a、b端和c、d端的电压分别为
Uab和Ucd,则
(　　)
A.Uab∶Ucd=n1∶n2
B.增大负载电阻的阻值R,电流表的读数变小
C.负载电阻的阻值越小,cd间的电压Ucd越大
D.将二极管短路,电流表的读数加倍
【解析】选B、D。若变压器原线圈电压为Uab,则副线
圈电压为U2=
Uab。由于二极管的单向导电性使得
Ucd=
U2,故
=
,A错误;增大负载电阻的阻值R,则
变压器副线圈电流减小,原线圈电流也减小,即电流表
的读数变小,B正确;cd间的电压由变压器的原线圈电压
决定,与负载电阻无关,C错误;将二极管短路时,Ucd=U2,
副线圈电流会加倍,所以原线圈电流也加倍,故D正确。
【补偿训练】
1.理想变压器上接有三个完全相同的灯泡,其中一个与该变压器的原线圈串联后接入交流电源,另外两个并联后接在副线圈两端。已知三个灯泡均正常发光。该变压器原、副线圈的匝数之比为
(　　)
A.1∶2　　　B.2∶1　　　C.2∶3　　　D.3∶2
【解析】选B。设灯泡正常发光时的电流为I,由题意可
知,通过原线圈的电流I1=I,通过副线圈的电流I2=2I,
根据变压器的电流关系
=
=
。故B项正确。
2.图甲为一理想变压器,负载电路中R=5
Ω,若原线圈两端输入电压u是如图乙所示的正弦式交流电,电压表示数为10
V,则
(　　)
A.输入电压u=100
sin50πt
V
B.电流表示数为0.2
A
C.变压器原、副线圈匝数比为5∶1
D.若输入电压稳定,R阻值减小,则输入电功率减小
【解析】选B。由图乙可知输入的交变电流的周期是
0.02
s,所以角速度为100π,故选项A错误;输入交变电
流的电压峰值是100
V,则有效值是100
V,变压器
原、副线圈匝数比为10∶1,选项C错误;由I2=
,
U1I1
=U2I2得I2=2
A,I1=0.2
A,选项B正确;若输入电压稳
定,R阻值减小,则通过R的电流增大,即输出功率增大,
输入功率也一定增大,选项D错误。
二　理想变压器的制约关系和动态分析
【典例】(2018·天津高考)教学用发电
机能够产生正弦式交变电流。利用该发
电机(内阻可忽略)通过理想变压器向定值电阻R供电,
电路如图所示,理想交流电流表A、理想交流电压表V的
读数分别为I、U,R消耗的功率为P。若发电机线圈的转
速变为原来的
,则
(　　)
A.R消耗的功率变为
P
B.电压表V的读数变为
U
C.电流表A的读数变为2I
D.通过R的交变电流频率不变
【解析】选B。根据ω=2πn可知转速变为原来的
,
则角速度变为原来的
,根据Em=nBSω可知电动机产
生的最大电动势为原来的
,根据U=
可知发电机的
输出电压有效值变为原来的
,即原线圈的输出电压
变为原来的
,根据
=
可知副线圈的输入电压变
为原来的
,即电压表示数变为原来的
,根据P=
可知R消耗的电功率变为
P,A错误,B正确;副线圈中
的电流为I2=
,即变为原来的
,根据
=
可知
原线圈中的电流也变为原来的
,C错误;转速减小为
原来的
,则频率变为原来的
,D错误。
【核心归纳】
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=P线+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。
5.理想变压器动态问题的处理方法:
(1)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。
【过关训练】
1.(多选)如图所示的电路中,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(　　)
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】选B、D。由于U1保持不变,根据变压器的变压
比可知,副线圈的输出电压U2不变,B正确;P向下滑动时,
灯泡L两端的电压不变,灯泡的亮度不变,A错误;P向上
滑动时,滑动变阻器接入电路的电阻变小,副线圈电路
的总电阻R变小,根据P2=
可知,变压器的输出功率变
大,D正确;由P1=U1I1=P2可知,变压器的输入电流增大,C
错误。
2.
(天津高考)如图所示,理想变压器原线圈接在交流电源上,图中各电表均为理想电表。下列说法正确的是
A.当滑动变阻器的滑动触头P向上滑动时,R1消耗的功率变大
B.当滑动变阻器的滑动触头P向上滑动时,电压表V示数变大
C.当滑动变阻器的滑动触头P向上滑动时,电流表A1示数变大
D.若闭合开关S,则电流表A1示数变大,A2示数变大
【解析】选B。当滑动变阻器的滑动触头P向上滑动
时,R的阻值变大,变压器的次级线圈电压不变,则次级
电流减小,则R1消耗的功率及两端电压均变小,电压表
的示数等于变压器次级电压减去R1两端的电压,故电压
表的示数变大,选项A错误,B正确;由于当滑动变阻器的
滑动触头P向上滑动时,次级电流减小,故初级电流也减
小,电流表A1示数变小,选项C错误;若闭合开关S,则变压器的次级电阻减小,次级电流变大,R1的电压变大,则电压表V示数减小,则R2两端电压减小,电流表A2读数减小,次级电流变大,则初级电流变大,则电流表A1示数变大,选项D错误。
【补偿训练】
1.如图所示,理想变压器的原、副线圈
的匝数比n1∶n2=2∶1,原线圈接正弦式
交流电,副线圈接电动机,电动机线圈电阻为R,当输入
端接通电源后,电流表读数为I,电动机带动一质量为m
的重物以速度v匀速上升,若电动机因摩擦造成的能量
损失不计,则图中电压表的读数为
(　　)
A.4IR+
　　B.
　　C.4IR　　D.
+
【解析】选A。电流与匝数成反比,副线圈的电流为2I,
输入功率等于副线圈消耗的功率:P=(2I)2R+mgv=UI,所
以电压表的读数U=4IR+
。故选A。
2.
(多选)如图所示为一理想变压器,K为单刀双掷开关,P为滑动变阻器的滑动触头,U1为加在原线圈上的电压,则
(　　)
A.保持U1及P的位置不变,K由a合到b时,I1将增大
B.保持P的位置及U1不变,K由b合到a时,R消耗的功率将减小
C.保持U1不变,K合在a处,使P上滑,I1将增大
D.保持P的位置不变,K合在a处,若U1增大,I1将增大
【解析】选A、B、D。K由a合到b时,n1减小而U1不变,
由
=
可知,副线圈上的电压增大,负载R的电流I2
增大,P2增大,又由于P1=P2=U1I1,故I1增大,A项正确;同
理K由b合到a时,P2减小,B项正确;P上滑时,负载电阻R
增大,而U1、U2均不变,由I2=
可知I2减小,又由于
n1、n2均不变,由
=
可知I1将减小,故C项错误;当
U1增大时,由
=
可知U2也增大,I2=
增大,再由
=
可知I1增大,故D项正确。
3.如图所示,理想变压器原线圈输入电压
u=Umsinωt,副线圈电路中R0为定值电阻,
R是滑动变阻器。
和
是理想交流电压表,示数分
别用U1和U2表示;
和
是理想交流电流表,示数分
别用I1和I2表示。下列说法正确的是
(　　)
A.I1和I2表示电流的平均值
B.U1和U2表示电压的最大值
C.滑片P向下滑动过程中,U2不变、I1变大
D.滑片P向下滑动过程中,U2变小、I2变大
【解析】选C。电路中的电压表和电流表表示的都是有效值,选项A、B错误。滑片P向下滑动过程中,接入电路中的电阻变小,U2不变、I1变大,故C正确,D错误。
【拓展例题】考查内容:变压器和分压器的比较
【典例】如图甲、乙所示电路中,当A、B
接10
V交变电压时,C、D间电压为4
V;
M、N接10
V直流电压时,P、Q间电压也
为4
V。现把C、D接4
V交流电压,P、Q接4
V
直流电压,则A、B间和M、N间的电压分别是
(　　)
A.10
V,10
V　　　　　　
B.10
V,4
V
C.4
V,10
V
D.10
V,0
【解析】选B。甲图是一个自耦变压器,当A、B作为输
入端,C、D作为输出端时,是一个降压变压器,两边的电
压之比等于两边线圈的匝数之比。当C、D作为输入端,
A、B作为输出端时,是一个升压变压器,电压比也等于
匝数比,所以C、D接4
V交变电压时,A、B间将得到10
V
交变电压。乙图是一个分压电路,当M、N作为输入端时,
上下两个电阻上的电压跟它们的电阻的大小成正比。但是当把电压加在P、Q两端时,电流只经过下面那个电阻,上面的电阻中没有电流,M、P两端也就没有电势差,即M、P两点的电势相等,所以当P、Q接4
V直流电压时,M、N两端的电压也是4
V。