4.2 变压器 学案（2020年鲁科版高中物理选修3-2）

《4.2 变压器 学案（2020年鲁科版高中物理选修3-2）》由会员分享，可在线阅读，更多相关《4.2 变压器 学案（2020年鲁科版高中物理选修3-2）（15页珍藏版）》请在七七文库上搜索。

1、第第 2 节节 变压器变压器 学习目标 核心提炼 1.知道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 个线圈原线圈、副线圈 3 个关系功率关系：P1 P2、电压关系：U1 U2 n1 n2、 电流关系：I1 I2 n2 n1 3 种常见变压器自耦变压 器、电压互感器、电流互感器 2.通过实验探究理想变压器的原、副 线圈中电压、电流与匝数的关系。 3.了解变压器在生活中的应用。 4.了解理想化模型在物理学研究中的 重要性。 一、变压器的结构 阅读教材第 6869 页，知道变压器的一般结构。 1.构造：主要由闭合的铁芯和绕在铁芯上的两个或两个以上的线圈(绕 组)组成。 2.物理量

2、：(1)与电源相连的线圈叫原线圈(初级线圈)，与负载相连的 线圈叫副线圈(次级线圈)。 (2)原线圈两端的电压叫输入电压，用符号 U1表示；副线圈两端的电 压叫输出电压，用符号 U2表示。 3.分类：按输出电压的升降，变压器分为升压变压器和降压变压器。 二、变压器的工作原理 阅读教材第 6970 页，了解变压器的工作原理。 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感应电动势，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相互感应现象，叫做互感 现象。互感现象是变压

3、器工作的基础。 2.理想变压器 (1)变压器线圈的电阻忽略不计。 (2)闭合铁芯的“漏磁”忽略不计。 (3)闭合铁芯中产生的涡流忽略不计。即没有能量损失的变压器叫做理 想变压器。 思考判断 (1)变压器是利用互感现象实现了电能向磁场能再到电能的转化。() (2)恒定电流接入变压器后也可发生互感现象， 也可起到变压作用。( ) (3)在理想变压器中原、副线圈的磁通量的变化率是一致的。() (4)理想变压器可以改变交变电流的频率。( ) (5)电流通过铁芯从原线圈流到副线圈。( ) 三、科学探究变压器电压与匝数的关系 阅读教材第 7072 页，理解原、副线圈的电压与匝数之间的关系。 1.电压与匝数

4、的关系：原、副线圈的电压之比，等于两个线圈的匝数 之比，即U1 U2 n1 n2。 2.两类变压器 (1)副线圈电压比原线圈电压低的变压器叫降压变压器。 (2)副线圈电压比原线圈电压高的变压器叫升压变压器。 3.功率关系： 对于理想变压器， 输入功率等于输出功率， 即 U1I1U2I2。 4.电流关系：I1 I2 n2 n1。 思考判断 (1)我们所用的比较好的变压器就是理想变压器。( ) (2)理想变压器的输入功率和输出功率相等。() (3)输入交变电流的频率越高，输出交变电流的电压就越高。( ) (4)变压器能改变所有电流的电压。( ) (5)我们可以根据变压器线圈导线的粗细判断其匝数的多

5、少。( ) 四、自耦变压器 阅读教材第 70 页，了解自耦变压器的结构与分类。 1.自耦变压器：只有 1 个绕组的变压器。 2.自耦变压器分类 (1)降压器：整个绕组当做原线圈接电源，而绕组的一部分当做副线圈 接负载。如图 1 甲所示。 图 1 (2)升压器：绕组的一部分当做原线圈接电源，整个绕组当做副线圈接 负载。如图乙所示。 思考判断 (1)自耦变压器，可以连续调节输出电压。() (2)自耦变压器的副线圈与 220 V 电源脱离，使用安全。( ) (3)自耦变压器可以改变直流电的电压。( ) 预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中 问题 1 问题 2 理想变压器的工作原理及规律 要

6、点归纳 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。 2.电动势关系：由于互感现象，且没有漏磁，原、副线圈中每一匝线 圈都具有相同的 t ， 根据法拉第电磁感应定律有 E1n1 t ， E2n2 t ， 所以E1 E2 n1 n2。 3.电压关系：由于不计原、副线圈的电阻，因此原线圈两端的电压 U1 E1，副线圈两端的电压 U2E2，所以U1 U2 n1 n2。当有 n 组线圈时，则 有U1 n1 U2 n2 U3 n3 4.功率关系：对于理想变压器，不考虑能量损失，有 P入P出。 5.电流关系：由功率关系，当只有一个副线圈时，有 I1

7、U1I2U2，得I1 I2 U2 U1 n2 n1。当有多个副线圈时，I1U1I2U2I3U3，得 I1n1I2n2 I3n3 6.变压器的分类 图 2 易错提醒 (1)变压器只能改变交变电流的电压不能在直流电路中使用。 (2)原、副线圈的电压、电流发生变化，而频率不变。 (3)当副线圈有多个线圈时，电压关系仍适用，而电流关系式I1 I2 n2 n1不 再适用。 精典示例 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

8、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， 故磁通量变化， 选项 A 错误； 因铁芯是闭合的， 没有漏磁， 原、 副线圈的磁通量总相等，故选项 B 错误；由于通过副线圈的磁通量发 生变化，根据法拉第电磁感应定律，在副线圈上产生感应电动势，故 选项C正确； 原线圈中的电能转化为磁场能又转化为副线圈中的电能， 原、副线圈通过磁场联系在一起，故选项 D 错误。 答案 C 例 2 (2018 安顺高二检测)如图 3 所示，理想变压器的原线圈接在 u 220 2sin 100t(V)的交流电源上， 副线圈接有 R55 的负载电阻， 原、副线圈匝数之比为 21

9、，电流表、电压表均为理想电表。下列说 法正确的是( ) 图 3 A.原线圈的输入功率为 220 2 W B.电流表的读数为 1 A C.电压表的读数为 110 2 V D.副线圈输出交流电的周期为 50 s 解析 由题知，变压器的输入电压 U1220 2 2 V220 V，所以 U2 n2 n1U1110 V；副线圈电流 I2 U2 R 2 A，原线圈电流 I1n2 n1I21 A。本 题中电压表、电流表的读数为有效值，故选项 B 正确，C 错误；原线 圈输入功率 P1U1I1220 W，选项 A 错误；交流电的周期 T2 2 100 s0.02 s，选项 D 错误。 答案 B (1)电压表、

10、电流表示数均为有效值。 (2)理想变压器 P入P出。 (3)变压器不改变频率，即原、副线圈交变电流频率相等。 针对训练 1 如图 4 所示，理想变压器原、副线圈匝数比 n1n2 21， 和 均为理想电表，灯泡电阻 RL6 ，AB 两端电压 u1 12 2sin(100t)V。下列说法正确的是( ) 图 4 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 根据u112 2sin(100t)V及UUm 2知U112 V， f 250 Hz， 选项 A 错误；根据U1 U2 n1 n2得 U2 n2 n1U1 1 2 12 V6

11、 V，即 的读数为 6 V，选项 B 错误；又 I2U2 RL 6 6 A1 A，即 的读数为 1 A，选项 C 错误；根据 P1P2及 P2U 2 2 RL 62 6 W6 W，选项 D 正确。 答案 D 理想变压器的动态分析 要点归纳 1.理想变压器的制约条件 (1)电压制约：当变压器原、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 U2n2U1 n1 。 (2)电流制约：当变压器原、副线圈的匝数比 n1 n2 一定时，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 n2I2 n1 。 (3)功率制约：变压器副线圈中的功

12、率 P2由用户负载决定，P2P负1 P负2。 功率关系 P1P2P负，即变压器的输入功率是由输出功率决定的。 2.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 RI2P2P1I1。 (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、n2U2I2P2P1I1。 (1)理想变压器将电能由原线圈传给副线圈时总是“量出为入”，即用户 消耗多少，原线圈就提供多少，因而输出功率决定输入功率。 (2)可以把理想变压器的副线圈看作给用户供电的无阻电源，对负载电 路进行动态分析时，可以参

13、照直流电路动态分析的方法。 精典示例 例 3 如图 5 所示，理想变压器原线圈接在交流电源上，图中各电表 均为理想电表。下列说法正确的是( ) 图 5 A.当滑动变阻器的滑动触头 P 向上滑动时，R1消耗的功率变大 B.当滑动变阻器的滑动触头 P 向上滑动时，电压表 示数变大 C.当滑动变阻器的滑动触头 P 向上滑动时，电流表 示数变大 D.若闭合开关 S，则电流表 示数变大， 示数变大 解析 当滑动变阻器的滑动触头 P向上滑动时， 接入电路的阻值变大， 变压器副线圈两端电压不变，副线圈中的电流减小，则 R1消耗的功率 及其两端电压均变小，故电压表的示数变大，选项 A 错误，B 正确； 当滑动

14、变阻器的滑动触头 P 向上滑动时，副线圈中的电流减小，则原 线圈中的电流也减小，电流表 示数变小，选项 C 错误；若闭合开关 S，副线圈电路中总电阻减小，副线圈中的电流变大，R1两端电压变 大，R2两端电压减小，电流表 示数减小；原线圈中的电流变大，电 流表 示数变大，选项 D 错误。 答案 B 动态问题的分析思路 针对训练 2 (多选)如图 6 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 6 A.保持 Q 的位

15、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 解析 Q 位置不动，副线圈电压 U2不变，当 P 上滑时，R 增大，由 P U2 2 RR0可知总功率减小，原线圈电压 U1 不变，由 PU1I1可知原线 圈电流 I1减小，故选项 A 错误，B 正确；当 P 位置不动，Q 上滑时， n2增大，由U2 U1 n2 n1知 U2 增大，同理分析知原线圈电流 I1增大，故选项 C 正确，D 错误。 答案 BC 自耦变压器与

16、互感器 要点归纳 1.自耦变压器 如图 7 甲、乙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。 图 7 调压变压器就是一种自耦变压器，它的构造如图丙所示。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。 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。 (1)电压互感器：实质是降压变压器，可

17、以把高电压变成低电压。(如图 8 所示) 图 8 (2)电流互感器：实质是升压变压器，可以把大电流变成小电流。(如图 9 所示) 图 9 精典示例 例 4 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测量，如图 10 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( ) 图 10 A.ab 接 MN、cd 接 PQ，IabIcd B.ab 接 MN、cd 接 PQ，IabIcd C.ab 接 PQ、cd 接 MN，IabIcd D.ab 接 PQ、cd 接 MN，IabI

18、cd 解析 电流互感器 ab 一侧线圈匝数比 cd 一侧线圈匝数少，根据电流 关系得 I1n1I2n2，所以 IabIcd，电流表应接在电流较小的一侧，故选 项 B 正确。 答案 B 互感器的区分技巧 电压互感器是降压变压器，据U1 U2 n1 n2，知 n1n2。 电流互感器是升压变压器，据I1 I2 n2 n1，知 n1n2。 针对训练 3 如图 11 所示为物理实验室某风扇的风速挡位变换器电 路图，它是一个可调压的理想变压器，其中接入交流电的电压有效值 U0220 V，n02 200 匝，挡位 1、2、3、4 对应的线圈匝数分别为 220 匝、500 匝、1 100 匝、2 200 匝。

19、电动机 M 的内阻 r4 ，额定 电压为 U220 V，额定功率 P110 W。下列判断正确的是( ) 图 11 A.当选择挡位 3 时，电动机两端电压为 110 V B.当挡位由 3 变换到 2 时，电动机消耗的功率增大 C.当选择挡位 2 时，电动机的热功率为 1 W D.当选择挡位 4 时，电动机的输出功率为 110 W 解析 由电压与匝数的关系 U0U3n0n3，解得 U3110 V，选项 A 正确；当挡位由 3 变换到 2 时，输出电压减小，电动机消耗的功率 减小，选项 B 错误；在额定功率的情况下，电动机的额定电流为 IP U 0.5 A，热功率 PrI2r1 W，输出功率为 PP

20、r(1101) W109 W，选项 D 错误；当没有达到额定功率时，热功率小于 1 W，选项 C 错误。 答案 A 1.(变压器的工作原理)一个正常工作的理想变压器的原、 副线圈中， 下 列物理量不一定相等的是( ) A.交流的频率 B.电流的有效值 C.电功率 D.磁通量的变化率 解析 变压器可以改变原、副线圈中的电流，因此原、副线圈中的电 流不一定有相同的有效值； 由于穿过原线圈的磁通量全部穿过副线圈， 因而原、副线圈的磁通量变化率一定相同；变压器的工作基础是互感 现象，副线圈中感应的交流频率与原线圈中交流频率一定是相同的； 理想变压器中 P入P出，故选项 B 正确。 答案 B 2.(变压

21、器的原理和规律)(多选)如图 12 所示，理想变压器原、副线圈 匝数比为 21，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( ) 图 12 A.S 与 a 接通的瞬间，R 中无感应电流 B.S 与 a 接通稳定后，R 两端的电压为 0 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 21 解析 S 与 a 接通的瞬间，穿过原、副线圈的磁通量增加，使副线圈 中有感应电流，选项 A 错误；当 S 与 a 接通稳定后，穿过原、副线圈 的磁通量不变，副线圈两端的电压为零，选项 B 正确；S 与 b 接通稳 定后，由

22、U1 U2 n1 n2，得 U23 V，选项 C 正确；变压器不改变原、副线 圈交变电流的频率，选项 D 错误。 答案 BC 3.(变压器基本规律的应用)(多选)如图 13a 所示，左侧的调压装置可视 为理想变压器，负载电路中 R55 ， 、 为理想电流表和电压表。 若原线圈接入如图 b 所示的正弦交变电压，电压表的示数为 110 V， 下列表述正确的是( ) 图 13 A.电流表的示数为 2 A B.原、副线圈匝数比为 12 C.电压表的示数为电压的有效值 D.原线圈中交变电压的频率为 100 Hz 解析 由题图 b 可知原线圈两端电压的有效值 U1220 V， 由U1 U2 n1 n2，

23、可得原、副线圈匝数之比n1 n2 U1 U2 220 11021，选项 B 错误；电流表 示数与电压表示数都为有效值，选项 C 正确；电流表示数 IU2 R 110 55 A2 A，选项 A 正确；由题图 b 可知 T0.02 s，所以交变电压 的频率为 f1 T 1 0.02 Hz50 Hz，选项 D 错误。 答案 AC 4.(自耦变压器)一自耦变压器如图 14 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 点顺时针转到 N 点的过程 中( ) 图 14 A.U2U1，U2降低 B.U2U1，U2升高 C.U2U1，U2降低 D.U2U1，U2升高 解析 由U1 U2 n1 n2，n1n2 知 U2U1；滑动触头从 M 点顺时针旋转至 N 点过程，n2减小，则 U2降低，选项 C 正确。 答案 C