2017粤教版高中物理选修（3-2）第二章《变压器》word学案.doc

学案学案 5 5 变压器变压器[学习目标定位] 1.了解变压器的构造及几种常见的变压器，理解变压器的工作原理.2.掌握 理想变压器的电压与匝数的关系并能用它解决相关问题.3.掌握理想变压器的功率关系，并 能推导出原、副线圈的电流关系．1．当一个线圈中的电流变化时，在另一个线圈中产生感应电动势的现象，称为互感．利用 互感现象，可以把能量从一个线圈传递到另一个线圈． 2．电流在一段电路上做功的功率 P 等于电流 I 与这段电路两端的电压 U 的乘积，即 P＝UI.变压器就是改变交流电压的设备． 一、认识变压器 1．构成：变压器由闭合铁芯和绕在铁芯上的线圈组成． 2．原线圈(也称为初级线圈)：变压器与电源连接的线圈． 副线圈(也称为次级线圈)：变压器与负载连接的线圈． 二、探究变压器的电压与匝数的关系 1．理想变压器：忽略原、副线圈的电阻和各种电磁能量损失的变压器．2．理想变压器电压与匝数的关系：＝.U1U2n1n2三、理想变压器原、副线圈中的电流 1．理想变压器输出功率和输入功率相等．2．理想变压器原、副线圈中的电流关系＝.I1I2n2n1一、变压器的原理及电压与匝数的关系 [问题设计] 把两个没有导线相连的线圈套在同一个闭合铁芯上，一个线圈通过开关连到交流电源的两 端，另一个线圈连到小灯泡上(如图 1 所示)．图 1 (1)小灯泡能发光吗？为什么？(2)若小灯泡发光，那么小灯泡两端的电压与什么因素有关？ (3)若将原线圈接到恒定的直流电源上，小灯泡亮不亮？分析讨论小灯泡亮或不亮的原因． 答案 (1)能发光，当左边线圈加上交变电压时，左边线圈中就有交变电流，它在铁芯中产 生周期性变化的磁场，根据法拉第电磁感应定律知，在左、右线圈中都要产生感应电动势， 右线圈作为电源给小灯泡供电，小灯泡就会发光．(2)左、右线圈中每一圈上磁通量的变化率都相同，若左边匝数为 n1，则 E1＝n1；若ΔΦΔtΔΦΔt右边匝数为 n2，则 E2＝n2，故有＝；若忽略左边线圈的电阻，则有 E1＝E 电源，ΔΦΔtE1E2n1n2这样看来小灯泡两端电压与左侧交流电源电动势及两线圈匝数比都有关系．n1n2(3)不亮．原线圈接到恒定直流电源上，通过原线圈的电流的大小、方向均不变，它产生的 磁场通过副线圈的磁通量不变，因此在副线圈中不会产生感应电动势，副线圈两端没有电 压，所以小灯泡不亮．这种现象说明，变压器不能改变恒定电流的电压． [要点提炼] 1．互感现象是变压器的工作基础．因此变压器只对变化的电流起作用，对恒定电流不起作 用．(后两空填“变化”或“恒定”) 2．变压器不能(填“能”或“不能”)改变交变电流的频率． 3．变压器中的电压关系：(1)只有一个副线圈：＝.U1U2n1n2(2)有多个副线圈：＝＝＝……U1n1U2n2U3n34．原、副线圈的地位 (1)原线圈在其所处回路中充当负载． (2)副线圈在其所处回路中充当电源． 二、理想变压器中的功率关系及电流关系 [问题设计] 1．什么是理想变压器？理想变压器原、副线圈中的功率有什么关系？ 答案 理想变压器的理想化条件一般指的是：忽略原、副线圈内阻上的分压，忽略原、副 线圈磁通量的差别，忽略变压器自身的能量损耗．所以理想变压器的输入功率等于输出功 率，即 P 入＝P 出． 2．若只有一个副线圈，原、副线圈中的电流与匝数有什么关系？ 答案 由能量守恒定律，有 P 入＝P 出，即 U1I1＝U2I2.所以＝＝.I1I2U2U1n2n13．若有多个副线圈时，电流与匝数间的关系是什么？ 答案 若有多个副线圈 P1＝P2＋P3＋……，即 U1I1＝U2I2＋U3I3＋…… 将 U1∶U2∶U3∶……＝n1∶n2∶n3∶……代入得 n1I1＝n2I2＋n3I3＋…… [要点提炼] 1．理想变压器的特点： (1)变压器铁芯内无漏磁；无发热损失． (2)原、副线圈不计内阻，即无能量损失．实际变压器(特别是大型变压器)一般可以看成理想变压器． 2．功率关系：P 入＝P 出． 3．电流关系：(1)若只有一个副线圈，有 I1U1＝I2U2，即＝.I1I2n2n1(2)当有多个副线圈时 I1U1＝I2U2＋I3U3＋…… 得 I1n1＝I2n2＋I3n3＋…… 三、理想变压器中各量的制约关系和动态分析 1．变压器工作时的制约关系(1)电压制约：当变压器原、副线圈的匝数比()一定时，输入电压 U1 决定输出电压 U2，n1n2即 U2＝.n2U1n1(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n1n2的输出电流 I2 决定原线圈中的电流 I1，即 I1＝.n2I2n12．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，负载电阻变化，进行动态分析的顺序是 R→I2→P 出→P 入 →I1； (2)负载电阻不变，匝数比变化，进行动态分析的顺序是 n1、n2→U2→I2→P 出→P 入→I1.一、对变压器的原理的理解 例 1 (双选)关于理想变压器的工作原理，以下说法正确的是 ( ) A．通过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 B∝I，由于面积 S 不变，故 Φ∝I，A 错误．因理想变压器无漏磁，故 B、C 正 确．原线圈中的电能转化为磁场能又转化为电能，故 D 错． 答案 BC 二、理想变压器基本规律的应用 例 2 (单选)理想变压器连接电路如图 2 甲所示，已知原、副线圈匝数比为 10∶1，当输 入电压波形如图乙时，电流表读数为 2 A，则( )图 2 A．电压表读数为 282 VB．电压表读数为 28.2 VC．输入功率为 56.4 WD．输入功率为 40 W解析 由题图乙可知，Um＝282 V，则输入电压有效值 U1＝≈200 V．根据＝知，Um2U1U2n1n2U2＝20 V，再根据＝知，I1＝0.2 A，输入功率 P＝U1I1＝40 W，故 A、B、C 错，DI1I2n2n1正确． 答案 D 例 3 (单选)如图 3 所示为理想变压器，原线圈的匝数为 1 000 匝，两个副线圈的匝数 n2＝50 匝，n3＝100 匝，L1 是“6 V,2 W”的小灯泡，L2 是“12 V,4 W”的小灯泡，当原线圈 接上交流电压时，L1、L2 都正常发光，那么原线圈中的电流为( )图 3A. A B. A C. A D. A160130120110解析 由 P 入＝P 出知，I1U1＝6 W，又＝U1U2n1n2所以 U1＝U2＝×6 V＝120 Vn1n21 00050所以 I1＝ A＝ A6120120答案 C 三、理想变压器中的动态分析 例 4 (双选)如图 4 所示为一含理想变压器的电路图，K 为单刀双掷开关，P 为滑动变阻 器的滑动触头，U1 为加在原线圈两端的交变电压，I1 为原线圈中的电流，则( )图 4 A．保持 U1 及 P 的位置不变，K 由 a 扳向 b 时，I1 将增大 B．保持 U1 及 P 的位置不变，K 由 b 扳向 a 时，R 消耗功率增大 C．保持 U1 不变，K 接在 a 处，使 P 上滑，I1 将增大 D．保持 P 的位置不变，K 接在 a 处，若 U1 增大，I1 将增大解析 保持 U1 及 P 的位置不变，K 由 a 扳向 b 时，n1 减小，增大，由 U2＝U1 知 U2n2n1n2n1变大，则输出电流 I2 增大，输出功率增大，输入功率也增大，由 P1＝U1I1 知，I1 增大， A 正确．同理，K 若由 b 扳向 a，R 消耗功率将减小，B 错误．U1 不变，K 接在 a 处，使 P 上滑时，I2 减小，I1 也减小，故 C 错．保持 P 的位置不变，K 接在 a 处，使若 U1 增大，则 U2 也增大，即 I2＝增大，由 I1＝I2 知，I1 也应增大，故 D 正确．U2Rn2n1答案 AD1．(对变压器原理的理解)(单选)如图 5 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， 电流表的示数是 12 mA，则副线圈中电流表的示数是( )图 5 A．3 mA B．48 mA C．零 D．与 R 阻值有关 答案 C 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． 2．(理想变压器基本规律的应用)(单选)如图 6 所示，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(可视为理想电表)的示数分别是 ( )图 6 A．120 V,0.10 A B．240 V,0.025 A C．120 V,0.05 A D．240 V,0.05 A 答案 D解析 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612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．1203．(理想变压器中的动态分析)(双选)如图 7 所示，理想变压器原、副线圈的匝数比为10∶1，b 是原线圈的中心抽头，电压表和电流表均为理想交流电表，从某时刻开始在原线 圈两端加上交变电压 u，其瞬时值表达式为 u＝220 sin (100πt) V，现把单刀双掷开关与2a 连接，则( )图 7 A．电压表的示数为 22 V B．流过滑动变阻器的电流的方向每秒改变 100 次 C．在滑动变阻器的触头 P 向上移动的过程中，电压表和电流表的示数均变大 D．若把单刀双掷开关由 a 扳向 b 时，保持滑动变阻器的触头 P 不动，电压表示数变大， 电流表的示数变小 答案 AB 解析 理想变压器可以变压、变流，但不改变功率和频率；由交变电压的表达式可知，该 交变电压的频率为 50 Hz，而产生交变电压的线圈每转一圈，其电流变向两次，故 B 正确； 电压表的读数是有效值，根据理想变压器的变压比等于匝数比可知，该电压表的读数为 22 V，A 正确；滑动变阻器的触头 P 向上移动，其接入电路的阻值减小，而变压器两端的电 压不变，则电压表的读数不变，副线圈中的电流变大，则电流表的读数变大，C 错误；单刀双掷开关由 a 扳向 b，变压器的原线圈的有效匝数减小，由＝可知，U′变大，变压Un1U′n2器的输出功率和输入功率变大，故电压表和电流表的读数都变大，D 错误．题组一 对变压器原理的理解 1．(单选)如图所示四个电路，能够实现升压的是 ( )答案 D 解析 变压器只能对交变电流变压，不能对直流变压，故 A、B 错误；由于电压与线圈匝 数成正比，所以 D 能实现升压．2．(双选)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 答案 BD 解析 对于理想变压器，认为无磁通量损失，因而穿过两个线圈每一匝的磁通量相同，磁 通量的变化率相同，每匝线圈产生的感应电动势相等，电压与匝数成正比．理想变压器没 有能量损失，故输入功率等于输出功率． 题组二 理想变压器基本规律的应用 3．(双选)如图 1 所示，一理想变压器的原线圈匝数为 n1＝1 100 匝，接电压 U1＝220 V 的 交流电，副线圈接“20 V 10 W”的灯泡，灯泡正常发光，则 ( )图 1 A．副线圈的匝数 n2＝200 匝 B．副线圈中的电流 I2＝0.5 A C．原线圈中的输入功率为 10 W D．原线圈中。