人教版（2019） 高中物理 选择性必修第二册课件 3.3.变压器34张PPT

3.变压器
必备知识
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一、变压器的原理
1.构造:变压器是由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成的,一个线圈与交流电源连接,叫作原线圈,也叫初级线圈;另一个线圈与
负载连接,叫作副线圈,也叫次级线圈(如图所示)。
2.工作原理:互感现象是变压器工作的基础。电流通过原线圈时在铁芯中激发磁场,由于电流的大小、方向在不断变化,铁芯中的
磁场也在不断变化。变化的磁场在副线圈中产生感应电动势。
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二、电压与匝数的关系
1.理想变压器
把没有能量损失的变压器叫作理想变压器。许多大型变压器工作时,能量损失很小,可看作理想变压器。
2.理想变压器的基本关系式(假设只有一个副线圈)
必备知识
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1.正误判断。
(1)穿过副线圈磁通量的变化使得副线圈产生感应电动势。(　　)
解析:副线圈中的电流是由于电磁感应产生的,由法拉第电磁感应定律知,穿过副线圈磁通量的变化使得副线圈产生感应电动势。
答案:√
(2)变压器的原理是利用电磁感应现象,副线圈输出的电流是原线圈电流的感应电流。(　　)
解析:原线圈电流产生的变化的磁场穿过副线圈,使得副线圈产生感应电动势,从而输出电流。
答案:√
必备知识
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(3)理想变压器是忽略了能量损失的变压器。(　　)
解析:理想变压器是忽略了各种能量损失的变压器;认为理想变压器输出功率等于输入功率。
答案:√
(4)变压器原线圈输入的交变电流频率越高,输出的电流也越大。(　　)
解析:变压器输出的电流与原线圈输入的交变电流频率无关。
答案:×
(5)理想变压器有多个副线圈时,输入功率和输出功率也相等。(　　)
解析:理想变压器是忽略能量损失的变压器,根据能量守恒定律,理想变压器有多个副线圈时,输入功率和输出功率也相等。
答案:√
必备知识
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2.(多选)一个正常工作的理想变压器的原、副线圈中,下列物理量一定相等的是(　　)
A.交变电流的频率
B.电流的有效值
C.电功率
D.磁通量的变化率
解析:由变压器的工作原理可知输入、输出交变电流的频率相同,穿过原、副线圈的磁通量变化率相等,所以A、D正确;理想变压器没有能量损失,即输入功率和输出功率相等,所以C正确;升、降压变压器的原、副线圈中电流的最大值、有效值不同,所以B错误。
答案:ACD
探究一
探究二
探究三
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变压器的原理
情境探究
如图所示,把两个线圈套在同一个闭合铁芯上,一个线圈连接到学生电源的两端,另一个线圈连到小灯泡上。
1.请动手做一做,当线圈接交流电源时,看看小灯泡能否发光。解释一下你看到的现象。
2.如果接学生电源的线圈接直流电源,小灯泡能发光吗?闭合铁芯中有磁场吗?
探究一
探究二
探究三
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要点提示:1.线圈接交流电源时小灯泡能发光,因为左边线圈的电流是变化的,闭合铁芯中磁通量发生变化,右边线圈产生感应电动势,由于有闭合回路,所以能形成感应电流。
2.如果接学生电源的线圈接直流电源,小灯泡不会发光。闭合铁芯中虽有磁场,但磁场不是变化的,所以不能产生感应电动势。
探究一
探究二
探究三
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知识归纳
变压器的原理
1.构造:由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成,与交流电源连接的线圈叫原线圈,与负载连接的线圈叫副线圈。
2.原理:互感现象是变压器的工作基础。原线圈中电流的大小、方向不断变化,在铁芯中激发的磁场也不断变化,变化的磁场在副线圈中产生感应电动势。
3.作用:改变交变电流的电压,不改变交变电流的周期和频率。
注意(1)变压器不改变交变电流的周期和频率。
(2)变压器只对变化的电流起作用,对恒定电流不起作用。
(3)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。
探究一
探究二
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实例引导
例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芯流到了副线圈
解析: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,原、副线圈的磁通量相等,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,电流不通过铁芯,故D错误。
答案:C
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变式训练1(多选)关于理想变压器的工作原理,以下说法正确的是(　　)
A.原、副线圈缠绕在一个闭合铁芯上,是为了减少磁场能的损失,有效地传送电能
B.铁芯不用整块金属做成,是为了防止原、副线圈短路,造成危险
C.变压器不改变交变电流的频率,只改变电压大小
D.当原线圈接入大小不断变化的直流电时,副线圈也有电压输出
解析:铁芯不用整块金属做成是为了防止涡流产生较多的热量从而烧坏变压器。
答案:ACD
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电压与匝数的关系
情境探究
变压器线圈两端的电压与匝数有何关系呢?下面我们通过实验来探究。
器材:可拆变压器、学生电源、多用电表、导线若干。
探究一
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实验步骤:(1)按图示连接电路。
(2)原线圈接低压交流电源,保持原线圈匝数n1不变,改变副线圈匝数n2,用多用电表交流电压挡分别测出每次n2改变后副线圈两端的电压,记入表格。
(3)原线圈接低压交流电源,保持副线圈匝数n2不变,改变原线圈匝数n1,用多用电表交流电压挡分别测出每次n1改变后副线圈两端的电压,记入表格。
(4)总结实验现象,得出结论。
探究一
探究二
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1.理想变压器中的几个关系
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特别提醒(1)输入功率等于输出功率,即P1=P2。
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2.理想变压器各量的制约关系
(1)电压制约:输入电压U1决定输出电压U2。
(2)功率制约:P出决定P入,这体现了能量守恒的特点。
(3)电流制约:输出电流I2决定输入电流I1。
探究一
探究二
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实例引导
例2如图,理想变压器原、副线圈匝数比n1∶n2=2∶1,电压表和电流表均为理想电表,灯泡电阻RL=6 Ω,A、B端电压
u1=12 sin(100πt)V。下列说法正确的是(　　)
A.灯泡中的电流频率为100 Hz
B.电压表的读数为24 V
C.电流表的读数为0.5 A
D.变压器输入功率为6 W
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答案:D
点评变压器中提到的电压关系、电流关系、电路中电表的示数等,指的都是交变电流的有效值。
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变式训练2某变压器原、副线圈匝数比为55∶9,原线圈所接电源电压按如图所示规律变化,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.变压器输入、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
答案:D
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几种常见的变压器
情境探究
如图所示的两个变压器称为自耦变压器,(1)两个变压器中哪一个是升压变压器?(2)在输入电压U1一定的情况下,要提高输出电压,甲、乙两图中的滑动触头应如何移动?
要点提示:(1)乙是升压变压器。(2)甲图中滑动触头应向上移动;乙图中滑动触头应向下移动。
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1.自耦变压器
图甲所示是自耦变压器的示意图。这种变压器的特点是铁芯上只绕有一个线圈。如果把整个线圈作原线圈,副线圈只取线圈的一部分,就可以降低电压;如果把线圈的一部分作原线圈,整个线圈作副线圈,就可以升高电压。
探究一
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调压变压器就是一种自耦变压器,它的构造如图乙所示。线圈AB绕在一个圆环形的铁芯上,AB之间加上输入电压U1,移动滑动触头P的位置就可以调节输出电压U2。
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2.互感器
探究一
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(2)区分电压互感器与电流互感器的三个标志。
①测量仪器不同,电压互感器用电压表,电流互感器用电流表。
②原副线圈匝数关系不同。
③原线圈接线方式不同,前者接在火线和零线间,后者接在火线上。
(3)使用互感器时,一定要将互感器的外壳和副线圈接地。
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例3如图所示,L1和L2是高压输电线,甲、乙是两只互感器,若已知n1∶n2=1 000∶1,n3∶n4=1∶100,图中电压表示数为220 V,电流表示数为10 A,则高压输电线的送电功率为(　　)
A.2.2×103 W B.2.2×10-2 W
C.2.2×108 W D.2.2×104 W
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答案:C
点评区别电压互感器和电流互感器的方法如下:
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变式训练3(多选)电流互感器和电压互感器如图所示,其中n1、n2、n3、n4分别为四组线圈的匝数,a、b为两只交流电表,则(　　)
A.A为电流互感器,且n1 B.A为电压互感器,且n1>n2,a是电压表
C.B为电流互感器,且n3 D.B为电压互感器,且n3>n4,b是电压表
答案:AD
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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.0 D.与R的阻值有关
解析: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,选项C正确。
答案:C
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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,如图所示,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,Iab B.ab接MN、cd接PQ,Iab>Icd
C.ab接PQ、cd接MN,Iab D.ab接PQ、cd接MN,Iab>Icd
解析:根据单一副线圈的理想变压器原理,电流比值等于匝数比的倒数,可得ab接MN、cd接PQ,Iab>Icd,故B正确。
答案:B
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3.如图所示,理想变压器三个线圈的匝数之比为n1∶n2∶n3=10∶5∶1,其中n1接到220 V的交流电源上,n2和n3分别与电阻R2、R3组成闭合回路。已知电阻R2=110 Ω,电阻R3=11 Ω,求通过原线圈的电流I1。
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根据输出功率等于输入功率得U1I1=U2I2+U3I3
代入数据解得通过原线圈的电流为I1=0.7 A。
答案:0.7 A
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4.(2019江苏卷,1)某理想变压器原、副线圈的匝数之比为1∶10。当输入电压增加20 V时,输出电压(　　)
A.降低2 V B.增加2 V
C.降低200 V D.增加200 V
答案:D
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5.变压器线圈中的电流越大,所用的导线就越粗。我们在街上常见到的为用户送电的变压器就是降压变压器,它的原线圈和副线圈哪个应该用较粗的导线?依据是什么?
答案:副线圈用较粗的导线。因为降压变压器原线圈的电压比副线圈的电压大,由理想变压器输入功率等于输出功率可知副线圈的电流比原线圈的电流大。