3.2变压器为什么能改变电压-3.3电能的开发与利用 学案（2020年沪科版高中物理选修3-2）

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1、3.2 变压器为什么能改变电压变压器为什么能改变电压 3.3 电能的开发与利用电能的开发与利用 学科素养与目标要求 物理观念：1.了解变压器的构造及几种常见的变压器.2.理解变压器的工作原理，并能运用电 磁感应的规律进行解释.3.了解我国电能开发与利用的现状及前景. 科学思维：1.理想化方法构建变压器模型.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. 科学探究：了解探究变压器线圈两端电压与匝数关系的实验方法，经历探究过程，分析现象 得出探究结果. 一、变压器的原理及电压与匝数的关系 把两个没有导线相连的线圈套在同一

2、个闭合铁心上， 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).连接电路，接通电源，小灯泡能发光. 图 1 (1)电源和小灯泡并没有连接，小灯泡为什么会发光？ (2)小灯泡两端电压与学生电源两端的输出电压相等吗？如果不相等与什么因素有关？ (3)若将原线圈接到恒定的直流电源上，小灯泡亮不亮？分析讨论原因. 答案 (1)当左边线圈加上交变电压时，左边线圈中就有交变电流，它在铁心中产生周期性变 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、 右线圈中每一匝线圈上磁通量的变化率 t 都相

3、同， 若左边线圈匝数为 n1， 则E1n1 t ； 若右边线圈匝数为 n2，则 E2n2 t ，故有E1 E2 n1 n2；若忽略左边线圈的电阻，则有 E1E 电源， 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n1 n2都有关系. (3)不亮.因为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. 要点总结 1.变压器的构造：闭合铁心、与交流电源相连接的线圈叫原线圈(匝数用 n1表示，又叫做初级 线圈)、与负载相连的另一个线圈叫副线圈(匝数用 n2表示，又叫做次级线圈)，两个线圈都绕 在闭合铁心上. 2.变压器的工作原理是电磁感应.因此变压器只对变化的电流起作用，

4、对恒定电流不起作 用.(后两空选填“变化”或“恒定”) 3.变压器中的电压关系 (1)只有一个副线圈：U1 U2 n1 n2. (2)有多个副线圈：U1 n1 U2 n2 U3 n3 4.变压器不能(填“能”或“不能”)改变交变电流的频率. 5.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. 特别提醒：变压器能改变交变电压、交变电流，但不能改变恒定电压、恒定电流. 例1 (多选)如图2 所示的理想变压器， 原、 副线圈的匝数比n1n212， U1220 2sin t (V)， n11 100 匝，以下说法中正确的是( ) 图 2 A.穿过原、副线圈

5、的磁通量的变化率之比为 12 B.穿过原、副线圈磁通量的变化率的最大值相等，均为 2 5 V C.原、副线圈每一匝产生的电动势有效值相等，均为 0.2 V D.原、副线圈电压的最大值之比为 12 答案 BCD 解析 对于理想变压器，由于没有磁通量损耗，所以穿过两个线圈的磁通量大小相等，磁通 量的变化率相同，A 错误.根据 E1n1 t 得磁通量的变化率的最大值为每一匝线圈产生的电 动势的最大值，即( t )max220 2 1 100 V 2 5 V，所以每一匝产生的电动势的有效值为 0.2 V， B、C 正确.由于匝数比为 12，所以原、副线圈电压最大值之比也为 12，D 正确. 二、理想变

6、压器中的功率及电流关系 1.什么是理想变压器？理想变压器输入与输出功率有什么关系？ 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.若只有一个副线圈时，原、副线圈中的电流与匝数有什么关系？ 答案 由能量守恒定律知 P入P出，即 U1I1U2I2. 所以I1 I2 U2 U1 n2 n1. 3.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 P1P2P3， 即 U1I1U2I2U3I3 将 U1U2U3n1n2n3代入得 n1I1n2I2n3I

7、3 要点总结 1.理想变压器的特点： (1)变压器铁心内无漏磁；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)若只有一个副线圈时 I1U1I2U2，即I1 I2 n2 n1. (2)若有多个副线圈时 I1U1I2U2I3U3 得 I1n1I2n2I3n3. 例 2 (多选)如图 3 所示， 一理想变压器的原线圈匝数为 n11 100 匝， 接电压 U1220 V 的 交变电流，副线圈接“20 V 10 W”的灯泡，灯泡正常发光，可知( ) 图 3 A.副线圈的匝数 n2200 匝

8、B.副线圈中的电流 I20.5 A C.原线圈中的输入功率为 10 W D.原线圈中的电流 I10.1 A 答案 BC 解析 由于理想变压器原、副线圈两端的电压比U1 U2 n1 n2，则副线圈匝数 n2100 匝，A 错误； 理想变压器的原、副线圈的功率相等，所以原线圈的输入功率为 10 W，C 正确；由功率 P UI 可得副线圈中的电流 I20.5 A，原线圈中的电流 I1n2 n1I20.045 A，B 正确，D 错误. 三、自耦变压器和互感器 1.自耦变压器：如图 4 所示，铁心上只绕有一个线圈，低压线圈是高压线圈的一部分，既可 以作为升压变压器使用，也可以作为降压变压器使用. 图 4

9、 规律：U1 U2 n1 n2 I1 I2 n2 n1. 2.互感器 交流电压表和交流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，可以把高电压变成低电压(如图 5 所示).电压互感器应并 联接入电路. (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 6 所示).电流互感器应串 联接入电路. 图 5 图 6 例 3 (多选)图 7 甲、乙是配电房中的互感器和电表的接线图，下列说法中正确的是( ) 图 7 A.线圈匝数 n1n2，n3n2，n3n4 C.甲图中的电表是电压表，输出

10、端不可短路 D.乙图中的电表是电流表，输出端不可断路 答案 CD 解析 题图甲中的原线圈并联在电路中，为电压互感器，是降压变压器，n1n2，其中的电表 为电压表；题图乙中的原线圈串联在电路中，为电流互感器，是升压变压器，n3U1，U2降低 B.U2U1，U2升高 C.U2U1，U2降低 D.U2n2知 U2U1；滑动触头从 M 点顺时针旋转至 N 点过程，n2 减小，n1不 变，U1不变，则 U2降低，C 项正确. 四、电能的开发和利用 1.电能的优势 (1)电能与其他形式的能之间容易转换. (2)电能可以集中生产，便于输送和分配，易于控制与管理. (3)电能的转换效率高. 2.电能开发利用的

11、现状 以火力发电和水力发电为主. 3.电能开发和利用的前景 太阳能发电、核能发电、风力发电、地热发电、海浪发电、潮汐发电等. 1.(变压器的工作原理)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心流到了副线圈 答案 C 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， A 错误；因理想变压器无漏磁，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、

12、副线圈通过磁场联系在一起，故 D 错误. 2.(理想变压器基本规律的应用)(多选)如图 9 所示，理想变压器原、副线圈匝数之比为 41. 原线圈接入一电压为 uU0sin t 的交流电源，副线圈接一个 R27.5 的负载电阻.若 U0 220 2 V，100 rad/s，则下述结论正确的是( ) 图 9 A.副线圈中电压表的读数为 55 V B.副线圈中输出交变电流的周期为 1 100 s C.原线圈中电流表的读数为 0.5 A D.原线圈中的输入功率为 110 2 W 答案 AC 解析 原线圈电压有效值为 U220 V， 电压表读数为 U2220 4 V55 V， 周期 T2 1 50 s，

13、 副线圈中电流I2U2 R 2 A， 原线圈中电流 I1I2 40.5 A， 原线圈中的输入功率 PI1U110 W， 故 A、C 正确. 3.(理想变压器基本关系的应用)如图 10 所示， 理想变压器原、 副线圈匝数比 n1n221， 和均为理想电表，灯泡电阻 RL6 ，AB 两端电压 u112 2sin 100t(V).下列说法正确的 是( ) 图 10 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 答案 D 解析 根据 u112 2sin 100t (V)及 UUm 2知 U112 V，f 250 Hz，选项 A 错误；根据

14、 U1 U2 n1 n2得 U2 n2 n1U1 1 212 V6 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 P入P出及 P出U 2 2 RL 6 2 6 W6 W，选项 D 正确. 4.(互感器)(多选)如图 11 所示，L1、L2是高压输电线，图中两电表示数分别是 220 V 和 10 A， 已知甲图中原、副线圈匝数比为 1001，乙图中原、副线圈匝数比为 110，则( ) 图 11 A.甲图中的电表是电压表，输电电压为 22 000 V B.甲图是电流互感器，输电电流是 100 A C.乙图中的电表是电压表，输电电压为 22 000 V D.图示高压输送电路输入的总功率为 2.2103 kW 答案 AD 解析 题图甲中的原线圈并联在电路中，是电压互感器，电表是电压表，故 B 错误；根据U1 U2 n1 n2，有 U1 n1 n2U2 100 1 220 V22 000 V，故 A 正确；题图乙中的原线圈串联在电路中， 是电流互感器，电表是电流表，故 C 错误；只有一个副线圈的变压器，电流比等于匝数的反 比I1 I2 n4 n3，有 I1 n4 n3I2 10 1 10 A100 A， 根据PUI 得输入的总功率PU1I122 000100 W 2.2103 kW，故 D 正确.