高中物理第4章远距离输电2变压器课件鲁科版选修3-2 69张PPT

(共69张PPT)
第2节
　变　压　器
一、变压器的结构
1.变压器:能_____电压或_____电压的设备。
2.变压器的构造:主要由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个
或两个以上的线圈(绕组)组成。铁芯由涂有绝缘漆的
_______叠合而成,线圈一般用高强度的漆包线绕制。
升高
降低
硅钢片
3.变压器的符号:
4.原线圈和副线圈:
(1)原线圈(初级线圈):与_____相连的线圈,符号n1。
(2)副线圈(次级线圈):与_____相连的线圈,符号n2。
电源
负载
5.输入电压和输出电压:
(1)输入电压:_______两端的电压,用符号U1表示。
(2)输出电压:_______两端的电压,用符号U2表示。
原线圈
副线圈
二、变压器的工作原理
1.变压器的工作原理:交变电流通过原线圈时在铁芯中
激发交变磁场,交变磁场在副线圈中产生___________,
当副线圈闭合时,副线圈中有电流产生,它在铁芯中产
生交变磁通量,这个交变磁通量也穿过原线圈。这种在
原、副线圈中由交变电流引发的_________现象,叫作
互感现象。
感应电动势
相互感应
2.理想变压器:
(1)变压器线圈的_____忽略不计。
(2)闭合铁芯的_________忽略不计。
(3)闭合铁芯中产生的_____忽略不计。
即没有_____损失的变压器叫理想变压器。
电阻
“漏”磁
涡流
能量
三、变压器电压与匝数的关系
1.电压与匝数关系:变压器原、副线圈中的电压与匝数
成正比,即
。
2.电流与匝数关系:变压器原、副线圈中的电流与匝数
成反比,即
(只有一个副线圈)。
3.功率关系:理想变压器输入功率等于输出功率,即
P1=__。
P2
四、自耦变压器
1.自耦变压器:只有_____绕组的变压器。
2.自耦变压器分类:
(1)降压器:绕组当原线圈接_____,绕组的一部分当副
线圈接_____。如图甲所示。
一个
电源
负载
(2)升压器:绕组当副线圈接_____,绕组的一部分当原
线圈接_____。如图乙所示。
负载
电源
【思考辨析】
(1)理想变压器原、副线圈的电压之比等于两个线圈的匝数之比。
(　　)
(2)理想变压器是一个理想化模型。
(　　)
(3)学校中用的变压器工作时没有能量损失。
(　　)
(4)自耦变压器,可以连续调节输出电压。
(　　)
(5)自耦变压器的副线圈与220
V电源脱离,使用安全。
(　　)
(6)自耦变压器可以改变直流电的电压。
(　　)
提示:(1)√。实验和理论分析都表明,原、副线圈的电压之比等于两个线圈的匝数之比。
(2)√。理想变压器和我们以前学过的质点、点电荷一样也是一个理想化模型。
(3)×。实际生活中使用的变压器工作时都有能量损失。
(4)√。自耦变压器可以连续调节输出电压。
(5)×。自耦变压器的低压端和高压端直接有电的联系,使用不够安全。
(6)×。自耦变压器只对变化的电流起作用,对恒定电流不起作用。
一　理想变压器的原理及几个基本关系
考查角度1
变压器的原理
【典例1】(2019·厦门高二检测)(多选)如图所示,理想变压器原、副线圈匝数比为2∶1,电池和交变电源的电动势都为6
V,内阻均不计,下列说法正确的是
A.S与a接通稳定后,R两端的电压为0
B.S与a接通的瞬间,R中无感应电流
C.S与b接通稳定后,R两端的电压为3
V
D.S与b接通稳定后,原、副线圈中电流的频率之比为2∶1
【解析】选A、C。在S与a接通稳定后,电路中的电流稳
定,磁通量不会发生变化,所以副线圈中不会有感应电
流产生,电阻R两端的电压为0,故A正确。在S与a接通的
瞬间,由于电流由零突然变大,所以线圈中的磁通量会
发生变化,副线圈中的R会有感应电流,故B错误;在S与b
接通稳定后,由于b是交流电源,根据电压与匝数成正比
可知,副线圈的电压为3
V,故C正确;变压器不会改变交流电源的频率,所以原、副线圈中电流的频率是相同的,故D错误;故选A、C。
【核心归纳】
(1)变压器的工作原理:当原线圈两端加上交变电压时,就有交变的磁场通过原线圈,并在铁芯中产生交变电流,铁芯中就有变化的磁通量,这个变化的磁通量同样会穿过副线圈,并在副线圈两端产生感应电动势。
(2)理想变压器:如果变压器在传输电能的过程中损失的能量很小,可以忽略不计,这种变压器就叫作理想变压器。
考查角度2
理想变压器的几个基本关系
【典例2】(2016·江苏高考)一自耦变压器如图所示,环形铁芯上只绕有一个线圈,将其接在a、b间作为原线圈。通过滑动触头取该线圈的一部分,接在c、d间作为副线圈。在a、b间输入电压为U1的交变电流时,c、d间的输出电压为U2。在将滑动触头从M点顺时针旋转到N点的过程中
A.U2>U1,U2降低　　　　　
B.U2>U1,U2升高
C.U2D.U2【解题探究】
(1)根据变压器的变压规律_________可知,U2(2)在将滑动触头从M点顺时针旋转到N点的过程中,副
线圈的匝数_____,所以U2_____。
减少
降低
【解析】选C。由题图知自耦变压器原线圈的匝数大于
副线圈的匝数,根据变压器的变压规律
可知,
U2副线圈的匝数减少,所以U2降低,故选项A、B、D错误,
选项C正确。
【核心归纳】
【过关训练】
1.如图所示,理想变压器原、副线圈匝数之比n1∶n2
=4∶1,当导线在平行导轨上匀速切割磁感线时,电流表A1的示数是12
mA,则副线圈中电流表A2的示数是
(　　)
A.3
mA
B.48
mA
C.零
D.与R阻值有关
【解析】选C。当导线在平行导轨上匀速运动时,产生的电流是恒定的电流,不会使副线圈的磁通量变化,因而副线圈中无感应电流,故C正确,A、B、D错误。
2.
(2015·全国卷Ⅰ)一理想变压器的原、副线圈的匝数比为3∶1,在原、副线圈的回路中分别接有阻值相同的电阻,原线圈一侧接在电压为220
V的正弦交流电源上,如图所示。设副线圈回路中电阻两端的电压为U,原、副线圈回路中电阻消耗的功率的比值为k,则
(　　)
A.U=66
V,k=
　　　　　
B.U=22
V,k=
C.U=66
V,k=
D.U=22
V,k=
【解析】选A。由于变压器的匝数比为3∶1,可得原、
副线圈的电流比为1∶3,根据P=I2R可知原、副线圈中
电阻R的功率之比k=
,由
,其中U2=U,则
U1=3U,结合原、副线圈的电流比为1∶3,可得原线圈中
电阻R上的电压为
,所以有3U+
=220
V,得U=66
V,
故选项A正确。
【补偿训练】
1.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.一切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.变压器可以改变电流的频率
【解析】选A。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,所以选项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,原线圈必须接交变电流,选项C错误;变压器不能改变电流的频率,选项D错误。
2.如图,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
【解析】选D。灯泡正常工作,副线圈电压U2=12
V,副
线圈电流I2=2×
A=1
A,根据匝数比得原线圈电流
I1=
I2=0.05
A,原线圈电压U1=20U2=240
V,选项D正
确,其他选项错误。
3.如图,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=12
sin100πt(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
【解析】选D。由AB端电压u1=12
sin100πt(V)知
ω=100π
rad/s,又ω=2πf,得频率f=50
Hz,A错误;由
理想变压器规律
,U2=6
V,B错误;又I2=
=
1
A,C错误;P2=U2I2=6
W,P1=P2,D正确。
二　变压器工作时的制约关系及动态分析
考查角度1
变压器工作时的制约关系
【典例1】对于理想变压器,下列说法中不正确的是
(　　)
A.原线圈的输入功率随着副线圈的输出功率增大而增大
B.原线圈的输入电流随着副线圈的输出电流增大而增大
C.原线圈的电压不随副线圈的输出电流变化而变化
D.当副线圈的电流为零时,原线圈的电压也为零
【解析】选D。副线圈消耗功率大小决定原线圈的输入功率大小,A对;副线圈的电流决定原线圈的电流,B对;当副线圈的电流为零时原线圈的电流为零,但电压不是零,D错;原线圈的电压决定副线圈的电压,与副线圈中电流的变化无关,C对。
【核心归纳】
变压器工作时的四个制约关系
(1)电压制约:当变压器原、副线圈的匝数比
一定时,
输出电压U2由输入电压U1决定,即U2=
,可简述为
“原制约副”。
(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=
。而变压器副线圈中的电
流I2由用户负载及电压U2确定,I2=
,可简述为“副制
约原”。
(3)功率制约:P2决定P1,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+…,P2增大,P1增大;P2减小,P1减小;P2为0,P1为0。
(4)频率关系:原副线圈中电流的频率相同。
考查角度2
变压器工作时的动态分析
【典例2】图甲中理想变压器原、副线圈的匝数之比n1∶
n2=5∶1,电阻R=20
Ω,L1、L2为规格相同的两只小灯泡,S1为单刀双掷开关。原线圈接正弦交流电源,输入电压u随时间t的变化关系如图乙所示。现将S1接1、S2闭合,此时L2正常发光。下列说法正确的是
A.输入电压u的表达式u=20sin(50πt)
V
B.只断开S2后,L1、L2均正常发光
C.只断开S2后,原线圈的输入功率增大
D.若S1换接到2后,R消耗的电功率为0.8
W
【解题探究】
(1)根据图象乙读出T=_____
s,ω=____=
______rad/s。
(2)只断开S2,两灯_____,两灯两端的电压_____
S1接1、S2闭合时L2两端的电压。
(3)原线圈的输入功率由_______________决定。
0.02
100π
串联
等于
副线圈输出功率
【解析】选D。由图象知T=0.02
s,ω=
=100π
rad/s,
u=20
sin(100πt)
V,A错误;由于副线圈两端
电压不变,故只断开S2,两灯串联,电压为额定值一半,
不能正常发光,B错误;只断开S2,副线圈电路电阻变为
原来的2倍,由P=
知副线圈消耗功率减小,则原线圈
输入功率也减小,C错误;输入电压有效值U1=20
V,
U2=
由PR=
得PR=0.8
W,D正确。
【核心归纳】
1.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。
2.对理想变压器进行动态分析的两种常见情况:
(1)匝数比不变的情况,如图所示。
①U1不变,根据
,输入电压U1决定输出电压U2,不论负载电阻R如何变化,U2也不变。
②当负载电阻发生变化时,I2变化,输出电流I2决定输入电流I1,故I1发生变化。
③I2变化引起P2变化,由P1=P2,故P1发生变化。
(2)负载电阻不变的情况,如图所示。①U1不变,
发
生变化,故U2变化。
②R不变,U2改变,故I2发生变化。
③根据P2=
,P2发生变化,再根据
P1=P2,故P1变化,P1=U1I1,U1不变,故I1发生变化。
【过关训练】
1.如图,理想变压器的副线圈上通过输电线接有两个相同的灯泡L1和L2,输电线的等效电阻为R,开始时,电键K断开,当K接通时,以下说法正确的是
(　　)
A.副线圈两端M、N的输出电压减小
B.副线圈输电线等效电阻R上的电压将减小
C.通过灯泡L1的电流增大
D.原线圈中的电流增大
【解析】选D。理想变压器的输出电压是由输入电压和
匝数比决定的,由于输入电压和匝数比不变,所以副线
圈的输出的电压也不变,故A错误;由于副线圈的输出电
压不变,当K接通时,副线圈的电阻减小,所以总的电流
变大,所以副线圈输电线等效电阻R上的电压增大,故B
错误;当K接通后,两个灯泡并联,电路的电阻减小,副线
圈的电流变大,所以通过电阻R的电流变大,电压变大,那么并联部分的电压减小,所以通过灯泡L1的电流减小,故C错误;由于变压器的输入的功率和输出的功率相等,由于副线圈的电阻减小了,输出的功率变大了,所以原线圈的输入的功率也要变大,因为输入的电压不变,所以输入的电流要变大,故D正确;故选D。
2.如图所示,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
(　　)
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】选A。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。
【拓展例题】考查内容:多个副线圈问题
【典例】如图所示,一理想变压器原线圈匝数n1=1
000匝,有两个副线圈,匝数分别为n2=200匝,n3=500匝,分别接阻值为R=55
Ω的两相同电阻。若在原线圈上接入220
V的交流电,求:
(1)两个副线圈上的电流之比I2∶I3为多少?
(2)原线圈中的电流I1为多少?
【解析】(1)由变压比公式
及
可得U2=
U1=44
V,U3=
U1=110
V
据欧姆定律I=
,得I2=
=0.8
A,I3=
=2
A
故I2∶I3=2∶5
(2)由电流关系式n1I1=n2I2+n3I3可得
I1=
=1.16
A。
答案:(1)2∶5　(2)1.16
A