教科版物理选修32第2章 6变压器.docx
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教科版物理选修32第2章6变压器
6.变压器
[学习目标] 1.了解变压器的构造. 2.理解变压器的工作原理. 3.理解理想变压器以及电压和匝数、电流和匝数之间的关系.(重点、难点) 4.应用理想变压器解决实际问题.(难点)
一、变压器的结构与原理
1.变压器的结构
变压器由闭合铁芯和绕在铁芯上的线圈组成,变压器的模型与符号如图所示.
(1)原线圈:
与电源相连接的线圈,也叫初级线圈.
(2)副线圈:
与负载相连接的线圈,也叫次级线圈.
2.变压器的原理:
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、副线圈中产生感应电动势.
3.能量传递
电能从原线圈通过磁场传输给副线圈.
二、理想变压器的原副线圈中物理量之间的关系
1.电压关系:
理想变压器的电压跟它们的匝数成正比.
公式:
=.
当n1>n2时,则有U1>U2,叫降压变压器.
当n1 2.电流关系 (1)输入功率与输出功率的关系: 对于理想变压器,则U1I1=U2I2,即P入=P出. (2)电流与匝数的关系: =. 三、电压互感器和电流互感器 1.电压互感器 用来把高电压变成低电压.副线圈比原线圈匝数少,如图甲所示,根据已知的变压比可以计算出原线路中的电压. 2.电流互感器 用来把大电流变成小电流,副线圈比原线圈匝数多,如图乙,根据已知的变流比可以计算出原线路中的电流. 甲 乙 3.两种互感器的比较 (1)两种互感器的连接方式: 电压互感器原线圈并联在被测的高压线路上,电流互感器原线圈串联在被测的电路中. (2)两种互感器的特点: 电压互感器是一种降压变压器,原线圈匝数多,电流互感器是一种升压变压器,副线圈匝数多. (3)使用互感器时,一定要将互感器的外壳和副线圈接地.此外,电流互感器在使用时绝对不允许副线圈开路. 1.思考判断(正确的打“√”,错误的打“×”) (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)学校中用的变压器工作时没有能量损失.(×) (3)理想变压器不仅可以改变交变电流的电压和电流,还可以改变交变电流的功率和频率.(×) (4)电压互感器是一种降压变压器.(√) (5)电压互感器的原线圈应串联在被测电路中.(×) (6)在使用互感器时,互感器的外壳和副线圈应接地.(√) 2.一电器中的变压器可视为理想变压器,它将220V交变电流改变为110V.已知变压器原线圈匝数为800,则副线圈匝数为( ) A.200 B.400 C.1600 D.3200 B [根据理想变压器原、副线圈电压与匝数的关系=,得n2===400,选项B正确.] 3.在变电所,经常要用交流电表去监测电网上的强电流,使用的仪器是电流互感器.下图中,能正确反映其工作原理的是( ) A [电流互感器应是测电流的,应串联在火线上,故C、D选项错误;同时,由I1n1=I2n2知要使I2 理想变压器基本关系的理解与应用 1.电压制约 当变压器原、副线圈的匝数比一定时,输入电压U1决定输出电压U2,即U2=. 2.功率制约 P出决定P入,P出增大,P入增大;P出减小,P入减小;P出为0,P入为0. 3.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,副线圈中的输出电流I2决定原线圈中的电流I1,即I1=. [特别提醒] (1)变压器可以改变交变电流的电压,不能改变交变电流的周期和频率. (2)变压器的电动势关系、电压关系和电流关系是有效值(或最大值)间的关系,对于某时刻的瞬时值其关系不成立. 【例1】 如图甲所示,理想变压器原、副线圈匝数比为n1∶n2=2∶1,电表均为理想电表,两个电阻的阻值均为1Ω,C是电容器,其击穿电压为V.图乙为原线圈两端的输入电压与时间的关系图像.下列说法正确的是( ) 甲 乙 A.输入电压的频率为50Hz,经过变压器后通过电阻的交流电频率为25Hz B.S断开时电压表的示数为1.41V,电流表的示数为0.35A C.S断开时电压表的示数为1V,电流表的示数为0.25A D.闭合开关S,电容器将被击穿 思路点拨: (1)变压器不能改变交流电的频率. (2)电表示数是交流电的有效值. (3)电容器击穿电压是最大值. C [由图乙知T=0.02s,则f==50Hz,变压器不改变交流电的频率,所以输出的交流电的频率仍为50Hz,故A错误.当S断开时,由=可知,电压表的示数U2=U1=1V,I2==0.5A,又=,则电流表的示数I1=I2=0.25A,所以B项错误,C项正确.开关S闭合前,右端电阻R两端电压最大值为V,开关S闭合后,电容器C与右端电阻R并联,则并联总电阻小于1Ω,电容器两端的最大电压小于V,因为电容器的击穿电压为V,所以电容器不能被击穿,D项错误.] 公式=及=中的电压和电流一般指有效值,但也可以是最大值,但必须要对应. 训练角度1: 理解变压器工作的几个基本关系 1.如图所示,理想变压器原、副线圈匝数比为20∶1,两个标有“12V 6W”字样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(可视为理想电表)的示数分别是( ) A.120V,0.10A B.240V,0.025A C.120V,0.05AD.240V,0.05A D [灯泡正常工作,副线圈两端的电压U2=12V,副线圈中的电流I2=2×A=1A,根据匝数比得原线圈中的电流I1=I2=0.05A,原线圈两端的电压U1=20U2=240V,选项D正确.] 训练角度2: 理想变压器基本关系的应用 2.用220V的正弦交流电通过理想变压器对一负载供电,变压器输出电压是110V,通过负载的电流图像如图所示,则( ) A.变压器输入功率约为3.9W B.输出电压的最大值是110V C.变压器原、副线圈匝数比是1∶2 D.负载电流的函数表达式i=0.05sinA A [根据理想变压器的输入功率等于输出功率,则P入=P出=P负=110×W≈3.9W,故A选项正确;由于题干中变压器输出电压的数值是有效值,则变压器的输出电压的最大值应是110V,故B选项错误;根据理想变压器的变压比关系式=可得,变压器原副线圈匝数比==,故C选项错误;根据题图可得,负载电流的函数表达式为i=ImsinA,解得i=0.05sin100πtA.故D选项错误.] 理想变压器的动态分析 变压器的动态电路分析,一是要符合变压器的基本规律(电压、电流、功率关系);二是要遵循电路规律.首先确定是哪些量在变,哪些量不变,然后根据相应的规律判断,具体问题具体分析.一般分为以下两种情况: (1)原、副线圈匝数比不变.分析原、副线圈的电压U1、U2,电流I1、I2,输出和输入功率P2、P1随负载电阻变化而变化的情况.将变压器接到交流电源上,原线圈的输入电压为U1,副线圈两端电压U2为定值,流过副线圈的电流I2随负载电阻的减小而增大,变压器输出功率P2(P2=U2I2)也随着增大,不计变压器损失的能量,则变压器输入功率P1(P1=P2)也增大,流过原线圈的电流I1也增大.进行动态分析的顺序是U1→U2=U1→I2=→P2=I2U2P1=P2→I1=. (2)负载不变.上述物理量随原、副线圈匝数比的变化而变化的情况.一般情况下,如果原线圈输入电压U1和匝数n1不变,当副线圈匝数n2增大时,副线圈两端电压U2增大,流过副线圈的电流I2增大,变压器输出功率P2(P2=U2I2)增大,则变压器的输入功率P1增大,流过原线圈的电流I1增大,反之,变化情况则相反. 【例2】 (多选)如图所示,理想变压器的原线圈连接一只理想交流电流表,副线圈匝数可以通过滑动触头Q来调节,在副线圈两端连接了定值电阻R0和滑动变阻器R,P为滑动变阻器的滑片.在原线圈上加一电压为U的正弦交流电,则( ) A.保持Q的位置不动,将P向上滑动时,电流表读数变大 B.保持Q的位置不动,将P向上滑动时,电流表读数变小 C.保持P的位置不动,将Q向上滑动时,电流表读数变大 D.保持P的位置不动,将Q向上滑动时,电流表读数变小 思路点拨: ①保持Q的位置不动,则原、副线圈匝数比不变.②保持P的位置不动,则负载电阻不变. BC [保持Q的位置不动,则U2不变,将P向上滑动时,R接入电路的电阻变大,根据I2=知,I2变小,由=得I1也变小,即电流表读数变小,选项A错误,选项B正确;保持P的位置不动,将Q向上滑动时,U2变大,则根据P2=知副线圈输出功率变大,由P1=P2知,变压器原线圈输入功率P1变大,而P1=I1U,输入电压U一定,I1变大,即电流表读数变大,选项C正确,选项D错误.] 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→P出→P入→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→P出→P入→I1. 训练角度1: 负载变化引起的电路变化分析 3.用电高峰期,电灯往往会变暗,其原理可简化为如下物理问题.如图所示,理想变压器的副线圈上,通过输电线连接两只相同的灯泡L1和L2,输电线的等效电阻为R,原线圈输入有效值恒定的交流电压,当开关S闭合时,以下说法中正确的是( ) A.原线圈中电流减小B.副线圈输出电压减小 C.R两端的电压增大D.原线圈输入功率减小 C [原线圈输入电压恒定,副线圈输出电压不变,B错误;当开关S闭合后,电路中总电阻减小,总电流和总功率变大,原线圈中电流和输入功率都变大,R两端的电压增大,故C正确,A、D错误.] 训练角度2: 原副线圈匝数比变化引起的电路变化分析 4.如图所示,接在家庭电路上的理想降压变压器给小灯泡L供电,如果将原、副线圈减少相同匝数,其他条件不变,则( ) A.小灯泡变亮 B.小灯泡变暗 C.原、副线圈两端电压的比值不变 D.通过原、副线圈电流的比值不变 B [由于家庭电路上理想变压器为降压变压器,故n1>n2,当原、副线圈减少相同的匝数时,其变压比变大,根据=,U1一定,U2变小,故小灯泡变暗,选项A错误,选项B正确;由=知,原、副线圈电压的比值变大,选项C错误;根据=,则通过原、副线圈电流的比值变化,选项D错误.] 几种常见的变压器 1.自耦变压器 铁芯上只绕有一个线圈,如果把整个线圈作为原线圈,副线圈只取线圈的一部分,就可以降低电压,反之则可以升高电压,如图所示. 2.互感器 交流电压表和电流表都有一定的量度范围,不能直接测量高电压和大电流. 互感器是利用变压器的原理来测量高电压或大电流的仪器. 【例3】 (多选)如图所示,L1和L2是远距离输电的两根高压线,在靠近用户端的某处用电压互感器和电流互感器监测输电参数,在用电高峰期,用户接入电路的用电器逐渐增多的时候( ) A.甲电表的示数变小B.甲电表的示数变大 C.乙电表的示数变小D.乙电表的示数变大 AD [由图可知: 甲是电压表,乙是电流表,所以甲是电压互感器,乙是电流互感器;在用电高峰期,用户接入电路的用电器逐渐增多的时候,副线圈总电阻变小,副线圈总电流变大,所以输电导线电流变大,输电导线电阻R不变,由U=IR可知,电压损失变大,以致高压线上输出电压变小,根据匝数比等于电压之比,所以甲电表的示数变小,故A正确,B错误;输电
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