小初高学习学年高中物理 第二章 交变电流 第6节 变压器教学案 教科版选修3.docx
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小初高学习学年高中物理第二章交变电流第6节变压器教学案教科版选修3
第6节变_压_器
1.变压器由闭合铁芯和原、副线圈构成,它的工作原理是电磁感应。
2.理想变压器是忽略漏磁、原副线圈的电阻及变压器本身其他一切能量损耗的变压器。
3.理想变压器原、副线圈的电压与匝数的关系为=;电流与匝数的关系为=。
4.电压互感器是一种降压变压器,它的主要作用是把高电压降为便于测量的低电压,应并联在被测电路上;而电流互感器是一种升压变压器,它的主要作用是把大电流变成小电流,应串联在被测电路中。
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261所示。
图261
(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
变压器的工作原理是电磁感应。
当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,交变的磁通量穿过副线圈产生感应电动势。
当副线圈闭合时,就会有交流电通过。
3.能量传递
电能从原线圈通过磁场传输给副线圈。
二、变压器的电压与匝数的关系
1.实验探究
(1)实验目的:
探究变压器原、副线圈匝数与电压的关系。
(2)实验器材:
原线圈、副线圈、变压器铁芯。
(3)实验过程:
如图262所示,连接好电路。
可先保持原线圈的匝数不变,改变副线圈的匝数,研究其对副线圈电压的影响,然后再保持副线圈匝数不变,研究原线圈的匝数对副线圈电压的影响。
为了人身安全,只能使用低压交流电源,所用电压不要超过12V。
图262
(4)实验结论:
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.升压变压器与降压变压器
(1)升压变压器:
当n2>n1时,U2>U1,变压器使电压升高。
(2)降压变压器:
当n2 三、电流与匝数的关系 1.能量关系 对理想变压器,时间t内输入端输入的电能等于从输出端输出的电能,故有: I1U1t=I2U2t。 2.电流关系 = 。 四、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263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。 图263 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.自主思考——判一判 (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.合作探究——议一议 (1)如图264所示,一蓄电池连接在低压交流变压器上,闭合电键会观察到什么现象? 你能解释这种现象发生的原因吗? 图264 提示: 可以观察到闭合电键瞬间灯泡发光,然后熄灭。 原因是: 恒定电压加在原线圈上瞬间,线圈内的磁通量发生变化,因而副线圈中的磁通量也发生变化,所以由E=n 知,副线圈中有感应电动势,灯泡闪亮,之后原线圈中电流恒定,线圈内的磁通量恒定不变,副线圈中无电动势,因而灯泡闪亮后熄灭。 (2)怎样区分升压变压器和降压变压器? 提示: 根据 = 知,当n2>n1时,U2>U1,这种变压器称为升压变压器;当n2 (3)变压器原、副线圈匝数不同,对应的电流也不同,两线圈所用导线粗细也不相同,对降压变压器而言,哪个线圈所用导线粗些可以减少热损耗? 为什么? 提示: 副线圈所用导线较粗,对降压变压器n1>n2,由 = 可知,I2>I1,副线圈中电流大,用粗导线可以降低损耗。 理想变压器中基本关系的理解与应用 1.工作原理 变压器的变压原理是电磁感应。 如图265所示,当原线圈上加交流电压U1时,原线圈中就有交变电流,它在铁芯中产生交变的磁通量,在原、副线圈中都要产生感应电动势。 如果副线圈是闭合的,则副线圈中将产生交变的感应电流,它也在铁芯中产生交变磁通量,在原、副线圈中同样要引起感应电动势。 由于互感现象,原、副线圈间虽然不相连,电能却可以通过磁场从原线圈传递到副线圈。 其能量转换方式为原线圈电能→磁场能→副线圈电能。 图265 2.理想变压器的理想化条件 (1)忽略原、副线圈的内阻即线圈不产生焦耳热(无能量损失); (2)忽略原、副线圈磁通量的差别即变压器铁芯内无漏磁(磁通量全部集中在铁芯内); (3)忽略变压器铁芯内的涡流,即铁芯不发热。 3.理想变压器的基本关系 (1)电动势关系 由于互感现象,且没有漏磁,所以穿过原副线圈的磁通量的变化率相同,即原、副线圈中每一匝线圈都具有相同的 ,由法拉第电磁感应定律得E1=n1 ,E2=n2 ,所以 = 。 (2)电压关系 由于理想变压器不计原、副线圈的电阻,因此线圈两端的电压U1=E1,U2=E2,所以 = 。 当有多个副线圈时,则有 = = =… (3)功率关系 对于理想变压器,不考虑能量损失P1=P2。 当有多个副线圈时,有P1=P2+P3+… (4)电流关系 由功率关系知,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+… [典例] 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在220V的正弦交流电源上,如图266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( ) 图266 A.U=66V,k= B.U=22V,k= C.U=66V,k= D.U=22V,k= [思路点拨] 解答本题应注意以下两点: (1)变压器的输入电压不等于电源电压220V。 (2)原、副线圈中的电阻相同。 [解析] 设原、副线圈中的电流分别为I1、I2,则 = = ,故k= = 。 设原线圈两端的电压为U1,则 = = ,故U1=3U,而原线圈回路中电阻分担的电压为 U,故 +3U=220V,解得U=66V。 选项A正确。 [答案] A 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。 1.一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.1600D.3200 解析: 选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。 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267所示,则( ) 图267 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=0.05sin(100πt+ )A 解析: 选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110 V,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=Imsin ,解得i=0.05sin(100πt)A,故D选项错误。 3.(多选)如图268所示,一理想变压器原线圈匝数n1=1000,副线圈匝数n2=200,交流电源电动势为E=311sin(100πt)V,电阻R=88Ω,电流表和电压表对电路的影响可忽略不计,则( ) 图268 A.A1的示数约为0.10A B.V1的示数约为311V C.A2的示数约为0.75A D.V2的示数约为44V 解析: 选AD 交流电的有效值即原线圈两端的电压为U1= V=220V,即V1的示数约为220V,根据公式 = 可得副线圈两端电压,即V2的示数U2= =44V,B错误,D正确;副线圈中的电流为I2= =0.5A,根据公式 = ,解得I1=0.1A,即A1的示数约为0.10A,A正确,C错误。 理想变压器动态问题分析 1.理想变压器工作时的制约关系 (1)电压: 当变压器的原、副线圈的匝数比(n1∶n2)一定时,输出电压U2由输入电压U1决定,即U2= U1。 (2)电流: 当变压器的原、副线圈的匝数比(n1∶n2)一定,且输入电压U1一定时,原线圈中的电流I1由副线圈中的电流I2决定,即I1= I2。 (3)功率: 理想变压器的输入功率和输出功率相等,即P1=P2,输出功率P2决定输入功率P1。 2.含有变压器的动态电路分析 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=I2U2 P1=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。 [典例] (多选)如图269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为滑动变阻器的滑动触头。 在原线圈上加一电压为U的正弦交流电,则( ) 图269 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] 解答本题要明确以下两点: (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。 [解析] 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
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