高中物理第3章电能的输送与变压器2变压器为什么能改变电压3电能的开发与利用课件-83张PPT

(共83张PPT)
3.2
变压器为什么能改变电压
　3.3
电能的开发与利用
　　
一、变压器的结构
1.变压器:能升高_____或降低_____的设备。
2.变压器的构造:主要由闭合铁心和绕在铁心上的两个
或两个以上的线圈(绕组)组成。铁心由涂有绝缘漆的
_______叠合而成,线圈一般用高强度的漆包线绕制。
电压
电压
硅钢片
3.变压器的符号:
4.原线圈和副线圈:
(1)原线圈:与_____相连的线圈。
(2)副线圈:与_____相连的线圈。
5.输入电压和输出电压:
(1)输入电压:_______两端的电压。
(2)输出电压:_______两端的电压。
电源
负载
原线圈
副线圈
6.分类:按输出电压的升降,变压器分为_____变压器和
_____变压器。
升压
降压
【生活链接】
变压器的闭合铁心可有可无吗?
提示:变压器的闭合铁心起导磁作用,如果没有铁心,原线圈电流产生的磁通量只有少量通过副线圈,会有大量的能量损失,变压器效率会很低,故变压器的铁心不可缺少。
二、变压器工作原理及变压规律
1.工作原理:变压器工作的基本原理是_________。
2.理想变压器与变压规律:
电磁感应
没有漏磁
没有电阻
理想变压器特点
铁心_________、原副线圈_________、
铁心没有能量损失
电压与匝数关系
=___
电流与匝数关系
=——
功率关系
P1=P2
【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。
(　　)
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。
三、常见变压器
1.电力变压器:用于电力网,有升压变压器和降压变压
器,功率通常_____。
较大
2.自耦变压器(或调压变压器):只有_____线圈,金属触
头沿线圈刮去了绝缘漆的一边滑动,就改变了副线圈匝
数,从而改变了输入电压,如图。
一个
3.互感器:
(1)电压互感器:用来把高电压变成低电压,副线圈比原
线圈_______,它的_______并联在高压电路上,副线圈
接入交流电压表,根据电压表上的数值,利用已知的变
压比,可计算原线路中的电压。如图甲。
匝数少
原线圈
(2)电流互感器:用来把大电流变成小电流,副线圈比原
线圈_______,_____在被测电路中,副线圈接入交流电
流表,根据电流表上的数值,利用已知的电流比可计算
原线路中的电流。如图乙。
匝数多
串联
4.电源变压器:不同的用电器需要不同的电压,用电源
变压器将220
V
_____电压变到用电器所需的电压。
交流
【生活链接】
自耦变压器有什么优点和缺点?
提示:优点是可以连续地调节输出电压。缺点是低压端和高压端直接有电的联系,使用不够安全。
四、电能的优点及发展前景
1.电能的优点:
(1)电能与其他形式的能之间容易_____。
(2)电能可以集中生产,便于_____和分配,易于_____和
管理。
(3)电能的转换_____高,电能是应用最广泛、最方便的
二次能源。
转换
输送
控制
效率
2.电能的发展前景:
(1)现状:世界各国基本上是以_____发电和_____发电
为主。火力发电要消耗煤炭等不可再生能源,且污染环
境,水力发电受到地域环境的限制。
(2)新能源发电途径。
①_______发电;②核能发电;③_____发电;④地热发电;
⑤海浪发电;⑥潮汐发电。
火力
水力
太阳能
风力
一　理想变压器的变压和变流
【典例】(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
【解析】选B、D。对于理想变压器,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,输入功率等于输出功率。
【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)变压器的铁心不漏磁。
(3)在铁心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
=
。
3.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:
=
=
……
4.功率关系:对于理想变压器,不考虑能量损失,P入=
P出。
5.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】
理想变压器的四点注意
(1)变压器不能改变直流电压。
(2)变压器只能改变交变电流的电压和电流,不能改变交变电流的频率。
(3)理想变压器本身不消耗能量。
(4)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.如图所示,理想变压器的原线圈接在u=
220
sin(100πt)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.原线圈中电流表的读数为1
A
B.原线圈中的输入功率为220
W
C.副线圈中电压表的读数为110
V
D.副线圈中输出交变电流的周期为50
s
【解析】选A。因输入电压U1=220
V,n1∶n2=2∶1,所以
U2=
U1=110
V,
I2=
=2
A,I1=
=1
A,所以A项正
确;输入功率P入=U1I1=220
W,B项错误;电压表读数
U2=110
V,C项错误;副线圈中输出交变电流的周期
T=0.02
s,D项错误。
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。
二　理想变压器的制约关系和动态分析
【典例】(多选)一理想变压器原、副线圈的匝数比为10∶1,原线圈输入电压的变化规律如图甲所示,副线圈所接电路如图乙所示,P为滑动变阻器的滑片。下列说法正确的是
(　　)
A.副线圈输出电压的频率为50
Hz
B.副线圈输出电压的有效值为31
V
C.P向右移动时,原、副线圈的电流比减小
D.P向右移动时,变压器的输出功率增加
【解析】选A、D。由题图可知原线圈输入电压的最大
值Um=311
V,周期T=2×10-2
s,则原线圈输入电压的有
效值U1=
=220
V,频率f=
=
=50
Hz,A正确;
由
=
可得U2=
U1=22
V,B错误;P向右移动时,
副线圈的电阻减小,副线圈输出电压不变,所以副线圈
的电流增大,原线圈的电流也增大,而匝数比不变,所以
原、副线圈的电流比不变,C错误;P向右移动时,副线圈的电阻减小,副线圈输出电压不变,所以变压器的输出功率增加,D正确。
【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.如图所示,理想变压器原、副线圈回路中的输电线的电阻忽略不计。当S闭合时
(　　)
A.电流表A1的读数变大,电流表A2的读数变小
B.电流表A1的读数变大,电流表A2的读数变大
C.电流表A1的读数变小,电流表A2的读数变小
D.电流表A1的读数变小,电流表A2的读数变大
【解析】选B。当S闭合后,变压器副线圈中的输电回路
的电阻减小,而输出电压不变。由I2=
得I2增
大,即电流表A2的读数增大,即输出功率变大。由
U1I1=U2I2可知,I1变大,即电流表A1的读数也增大,选项
B正确。
2.普通的交流电流表不能直接接在高压输电线路上测量电流,通常要通过电流互感器来连接,图中电流互感器ab一侧线圈的匝数较少,工作时电流为Iab,cd一侧线圈的匝数较多,工作时电流为Icd,为了使电流表能正常工作,则
(　　)
A.ab接MN、cd接PQ,IabB.ab接MN、cd接PQ,Iab>Icd
C.ab接PQ、cd接MN,IabD.ab接PQ、cd接MN,Iab>Icd
【解析】选B。根据变压器原、副线圈中电流与匝数间
的关系
=
可知,Iab>Icd,所以ab接MN、cd接PQ,
选项B正确。
【补偿训练】
　　
1.(多选)如图所示,理想变压器原线圈接有交流电源,当副线圈上的滑片P处于图示位置时,灯泡L能发光。要使灯泡变亮,可以采取的方法有
(　　)
A.向下滑动P
B.增大交流电源的电压
C.增大交流电源的频率
D.减小电容器C的电容
【解析】选B、C。向下滑动滑片P,副线圈匝数减少,输
出电压U2减小,经过灯泡的电流减小,灯泡变暗,选项A
错误;增大交流电源的电压,则原线圈两端电压U1变大,
副线圈的输出电压U2变大,经过灯泡的电流增大,灯泡变亮,选项B正确;增大交变电流的频率,电容器对交变电流的阻碍作用减小,经过灯泡的电流增大,灯泡变亮,选项C正确;减小电容器的电容,电容器对交变电流的阻碍作用增大,经过灯泡的电流减小,灯光变暗,选项D错误。
2.如图所示,T为理想变压器,A1、A2为理想交流电流表,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
(　　)
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】选A。当滑动变阻器的滑动触头向下滑动时,R3电阻减小,输出端电阻减小,输出电流增大,由输入功率等于输出功率可知输入电流增大,R1分压增大,R2分压减小,通过R2的电流减小,所以通过R3的电流增大,电流表A2电流增大,A正确,其余均错误。
三　变压器与远距离输电
【典例】如图所示,某发电机输出功率是100
kW,输出
电压是250
V,从发电机到用户间的输电线总电阻为
8
Ω,要使输电线上的功率损失为5%,而用户得到的电
压正好为220
V,则升压变压器和降压变压器原、副线
圈匝数比分别是
(　　)
A.16∶1　190∶11　　　　　
B.1∶16　11∶190
C.1∶16　190∶11
D.16∶1　11∶190
【解析】选C。输电线损失功率P损=100×103×5%
W
=5×103
W,所以输电线电流I2=
=25
A,升压变压器
原线圈电流I1=
=400
A,故升压变压器原、副线圈匝
数比为
=
=
。升压变压器副线圈两端电压U2=
U1=4
000
V,输电线损失电压U损=I2R线=200
V,降压变
压器原线圈两端电压U3=U2-U损=3
800
V,故降压变压器原、
副线圈匝数比为
=
=
,故C正确。
【核心归纳】
1.输电过程示意图:
2.高压输电过程的几个电压的区别:
(1)输送电压:输电线始端电压,如图中的U2。
(2)用户电压:最终用户得到的电压,如图中的U4。
(3)损失电压。
①表示形式:输电线始端电压与末端电压的差值即ΔU=U2-U3=I2R。
②形成原因:输电线上的电压损失原因是输电导线有电阻,电流通过输电线时,会在线路上产生电势降落,致使输电线路末端的电压比起始端电压要低。
3.输电过程的几个基本关系:
(1)功率关系:
P1=P2,P2=P线+P3,P3=P4。
(2)电压、电流关系:
=
=
,
=
=
,
U2=U线+U3,I2=I3=I线。
(3)输电电流:I线=
=
=
。
(4)输电导线上损耗的电功率:
P线=I线U线=
R线=(
)2R线。
【特别提醒】
(1)公式P线=I线U线中的U线为输电线上的电压损失ΔU,而不是输电电压U2。
(2)高压输电可以减小电压损失和功率损失,但在实际输送电能时,还需要综合考虑各种因素,选择合适的输电电压。
【过关训练】
1.如图为远距离输电示意图,
两变压器均为理想变压器,升
压变压器T的原、副线圈匝数分别为n1、n2,在T的原线圈两端接入一电压u=Umsinωt的交流电源,若输送电功率为P,输电线的总电阻为2r,不考虑其他因素的影响,则输电线上损失的电功率为
(　　)
A.(
)
　　　　　　　B.(
)
C.4(
)2(
)2r
D.4(
)2(
)2r
【解析】选C。由I1=
和
=
得Ir=I2=
,则
输电线上损失的功率Pr=
2r=4(
)2(
)2r,故选
C。
2.如图甲是远距离输电线路示意图,图乙是用户端电压随时间变化的图像,则
A.发电机产生的交流电的频率是100
Hz
B.降压变压器输出的电压有效值是340
V
C.输电线的电流仅由输送功率决定
D.仅增加升压变压器的副线圈匝数,其他条件不变,输电线上损失的功率减小
【解析】选D。由乙图可知交流电的周期T=0.02
s,则
频率f=
=50
Hz,变压器不改变交流电的周期与频率,
故A错,由乙图可知Um=340
V,有效值U=
<340
V,故B
错,输电线的电流由输送功率和输送电压共同决定,故C
错,当仅增加升压变压器的副线圈匝数时,则输电电压
增大,由P=UI可知,输电电流减小,再由P=I2R可知输电
线上损失的功率减小,故D正确。
3.(多选)某小型水电站的电能输送示意图如图,发电机的输出电压为220
V,输电线总电阻为r,升压变压器原、副线圈匝数分别为n1、n2,降压变压器原、副线圈匝数分别为n3、n4(变压器均为理想变压器)。要使额定电压为220
V的用电器正常工作,则
(　　)
A.
>
B.
<
C.升压变压器的输出电压等于降压变压器的输入电压
D.升压变压器的输出功率大于降压变压器的输入功率
【解析】选A、D。根据变压器工作原理可知
=
,
=
,由于输电线上损失一部分电压,升压变压器
的输出电压大于降压变压器的输入电压,有U2>U3,所以
有
>
,A正确,B、C错误。升压变压器的输出功率
减去输电线上损失的功率等于降压变压器的输入功
率,D正确。
【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
【正确解答】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。
物理模型构建——理想变压器模型
1.建模背景:在研究变压器的电压和能量的输送时,原、副线圈的电阻很小和铁心内产生的感应电流及产生的热量都不计,变压器的铁心不漏磁。
2.模型特点:
(1)无能量损失,输入功率等于输出功率:P出=P入。
(2)原、副线圈的电压和匝数的关系:
=
。
【案例示范】如图所示,一台有两个副线圈的变压器,原线圈匝数n1=1
100匝,接入电压U1=220
V的电路中。
(1)要求在两个副线圈上分别得到电压U2=6
V,
U3=110
V,它们的匝数n2、n3分别为多少?
(2)若在两副线圈上分别接上“6
V
20
W”“110
V
60
W”的两个用电器,原线圈的输入电流为多少?
【解析】(1)根据原、副线圈间电压与匝数的关系,由
=
,
=
,
得n2=
n1=
×1
100匝=30匝,
n3=
n1=
×1
100匝=550匝。
(2)设原线圈输入电流为I1,由P入=P出,即
I1U1=I2U2+I3U3=P2+P3,
所以I1=
=
A≈0.36
A。
答案:(1)30匝　550匝　(2)0.36
A
【变式训练】
　　
(多选)如图甲所示,理想变压器原、副线圈的匝数比n1∶n2=10∶1,b是原线圈的中心抽头,S为单刀双掷开关,定值电阻R=10
Ω。从某时刻开始在原线圈c、d两端加上如图乙所示的交变电压,则下列说法中正确的是
(　　)
A.当S与a连接后,理想电流表的示数为2.2
A
B.当S与a连接后,t=0.01
s时理想电流表示数为零
C.当S由a拨到b后,原线圈的输入功率变为原来的4倍
D.由S由a拨到b后,副线圈输出电压的频率变为25
Hz
【解析】选A、C。S与a连接后,由
=
,知U1=
=220
V,得U2=22
V,则理想电压表的示数为22
V,又知
定值电阻R=10
Ω,可得理想电流表示数为I=
=
2.2A,A正确,B错误。S由a拨到b后,n1∶n2=5∶1,则
U1∶U2′=5∶1,得U2′=2U2,据P=
得功率变为原来的
4倍,C正确。变压器输出电压频率不变,仍为50
Hz,D错
误。