高考物理選修知識點知識講解 變壓器 提高

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1、 變壓器 編稿：張金虎 審稿：李勇康 【學(xué)習(xí)目標(biāo)】 1．知道原線圈（初級線圈）、副線圈（次級線圈）的概念。 　　2．知道理想變壓器的概念，記住電壓與匝數(shù)的關(guān)系。 　　3．知道升壓變壓器、降壓變壓器概念。 　　4．會用及（理想變壓器無能量損失）解題。 　　5．知道電能輸送的基本要求及電網(wǎng)供電的優(yōu)點。 　　6．分析論證：為什么在電能的輸送過程中要采用高壓輸電。 　　7．會計算電能輸送的有關(guān)問題。 　　8．了解科學(xué)技術(shù)與社會的關(guān)系。 【要點梳理】 要點一、 變壓器的原理 1．構(gòu)造：變壓器由一個閉合的鐵芯、原線圈和副線圈組成，兩個線圈都是由絕緣導(dǎo)線繞制而成的，鐵

2、芯由涂有絕緣漆的硅鋼片疊合而成，是用來改變交流電壓的裝置（單相變壓器的構(gòu)造示意圖及電路圖中的符號分別如圖甲、乙所示）。 2．工作原理 變壓器的變壓原理是電磁感應(yīng)。如圖所示，當(dāng)原線圈上加交流電壓時，原線圈中就有交變電流，它在鐵芯中產(chǎn)生交變的磁通量，在原、副線圈中都要產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。如果副線圈是閉合的，則副線圈中將產(chǎn)生交變的感應(yīng)電流，它也在鐵芯中產(chǎn)生交變磁通量，在原、副線圈中同樣要引起感應(yīng)電動勢。由于這種互相感應(yīng)的互感現(xiàn)象，原、副線圈間雖然不相連，電能卻可以通過磁場從原線圈傳遞到副線圈。其能量轉(zhuǎn)換方式為：原線圈電能→磁

3、場能→副線圈電能。 要點詮釋： （1）在變壓器原副線圈中由于有交變電流而發(fā)生互相感應(yīng)的現(xiàn)象，叫做互感現(xiàn)象。 （2）互感現(xiàn)象是變壓器工作的基礎(chǔ)：變壓器通過閉合鐵芯，利用互感現(xiàn)象實現(xiàn)了電能向磁場能再到電能的轉(zhuǎn)化。 （3）變壓器是依據(jù)電磁感應(yīng)工作的，因此只能工作在交流電路中，如果變壓器接入直流電路，原線圈中的電流不變，在鐵芯中不引起磁通量的變化，沒有互感現(xiàn)象出現(xiàn)，變壓器起不到變壓作用。 要點二、 理想變壓器的規(guī)律 1．理想變壓器 沒有漏磁（磁通量全部集中在鐵芯內(nèi)）和發(fā)熱損失（原、副線圈及鐵芯上的電流的熱效應(yīng)不計）的變壓器，即沒有能量損失的變壓器叫做

4、理想變壓器。 要點詮釋： （1）因為理想變壓器不計一切電磁能量損失，因此，理想變壓器的輸入功率等于輸出功率。 （2）實際變壓器（特別是大型變壓器）一般都可以看成是理想變壓器。 2．電壓關(guān)系 根據(jù)知識點一圖甲所示，理想變壓器原、副線圈的匝數(shù)分別為，原線圈兩端加交變電壓，通過閉合鐵芯的磁通量發(fā)生改變。由于穿過原、副線圈的磁通量變化率相同，在原、副線圈兩端分別產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，由法拉第電磁感應(yīng)定律得，，于是有。 對于理想變壓器，不考慮原、副線圈的電壓損失，則，，即。同理，當(dāng)有幾組副線圈時，則有 注意：（1），無論副線圈一端是空載還是有負(fù)載，都是適用

5、的。 （2）據(jù)知，當(dāng)時，，這種變壓器稱為升壓變壓器；當(dāng)時，，這種變壓器稱為降壓變壓器。 （3）變壓器的電動勢關(guān)系、電壓關(guān)系是有效值（或最大值）間的關(guān)系。 3．功率關(guān)系：對于理想變壓器，不考慮能量損失，。 4．電流關(guān)系：由功率關(guān)系，當(dāng)只有一個副線圈時：，得； 當(dāng)有多個副線圈時： 得， 要點詮釋： （1）由知，對于只有一個副線圈的變壓器：電流和匝數(shù)成反比。因此，變壓器高壓線圈匝數(shù)多而通過的電流小，可用較細的導(dǎo)線繞制，低壓線圈匝數(shù)少而通過的電流大，應(yīng)用較粗的導(dǎo)線繞制。 （2）變壓器的電壓關(guān)系對有一個或幾個副線圈的變壓器都成立，而電流關(guān)

6、系要分副線圈有一個還是多個兩種情形。 （3）變壓器能改變交流電壓、交變電流，但不改變功率和交變電流的頻率，輸入功率總等于輸出功率，副線圈中交變電流的頻率總等于原線圈中交變電流的頻率。 （4）變壓器的電流關(guān)系也是有效值（或最大值）間的關(guān)系。 要點三、 幾種常用的變壓器 1．自耦變壓器 特點：只有一個線圈，三個抽頭，可升壓，也可降壓。 2．調(diào)壓變壓器 特點：屬于自耦變壓器，但電壓可連續(xù)調(diào)節(jié)。 3．互感器 ①電壓互感器：高電壓變?yōu)榈碗妷骸Ｓ锰帲簻y量交流高電壓，并聯(lián)在電路中。如圖甲所示。 ②電流互感器：大電流變?yōu)樾‰娏鳌?/p>

7、用處：測量交流大電流，串聯(lián)在電路中。如圖乙所示。 要點詮釋： （1）電壓互感器是降壓變壓器，據(jù)，知。 （2）電流互感器是升壓變壓器，據(jù)，知。 （3）使用互感器時，一定要將互感器的外殼和副線圈接地。 要點四、理想變壓器各物理量變化的決定因素 如圖所示，當(dāng)理想變壓器的原、副線圈的匝數(shù)不變時，如果變壓器的負(fù)載發(fā)生變化，要確定其他物理量變化，可依據(jù)下列原則： （1）輸入電壓決定輸出電壓，這是因為輸出電壓，當(dāng)不變時，不論負(fù)載電阻變化與否，不會改變。 （2）輸出電流決定輸入電流，

8、在輸入電壓一定的情況下，輸出電壓U2也被完全確定。當(dāng)負(fù)載電阻增大時，減小，則相應(yīng)減小，當(dāng)負(fù)載電阻減小時，增大，則相應(yīng)增大，在使用變壓器時，不能使變壓器次級短路。 （3）輸出功率決定輸入功率，理想變壓器的輸出功率與輸入功率相等，即。在輸入電壓一定的情況下，當(dāng)負(fù)載電阻增大時，減小，則變壓器輸出功率減小，輸入功率也將相應(yīng)減小；當(dāng)負(fù)載電阻減小時，增大，變壓器的輸出功率增大，則輸入功率也將增大。 要點詮釋： 對于變壓器，是用多少電能就輸入多少電能，而不是輸入多少電能就用多少電能。 要點五、含有變壓器的動態(tài)電路分析 變壓器的動態(tài)電路分析，一是要符合變壓器的基本規(guī)律（電壓、電流

9、、功率關(guān)系）；二是要遵循歐姆定律。首先確定是哪些量在變，哪些量不變，然后根據(jù)相應(yīng)的規(guī)律判斷，具體問題具體分析。 （1）原、副線圈匝數(shù)比不變，分析原、副線圈的電壓、，電流、，輸出和輸入功率、隨負(fù)載電阻變化而變化的情況。將變壓器接到交流電源上，原線圈的輸入電壓為，副線圈兩端電壓為定值，流過副線圈的電流隨負(fù)載電阻的減小而增大，變壓器輸出功率也隨著增大，不計變壓器損失的能量，則變壓器輸入功率也增大，流過原線圈的電流也增大。進行動態(tài)分析的順序是。 （2）負(fù)載不變，上述物理量隨原線圈、副線圈匝數(shù)比的變化而變化的情況：一般情況下，我們認(rèn)為原線圈輸入電壓和匝數(shù)不變，當(dāng)副線圈匝數(shù)增大時，副線

10、圈兩端電壓增大，流過副線圈的電流增大，變壓器輸出功率增大，則理想變壓器的輸入功率增大，流過原線圈的電流增大。 要點六、線圈串、并聯(lián)的分析和計算方法 對于線圈的串、并聯(lián)，與電阻的串、并聯(lián)相類似，一方面要判斷兩線圈兩接頭的連接關(guān)系，另一方面還要判斷兩線圈的繞向關(guān)系。 判斷方法：可假定某時刻一線圈中有某一流向的電流，例如下圖中兩線圈，將相連，作為輸出端，假設(shè)電流從端流入，則兩線圈電流反向，故兩線圈磁通量相抵消，其匝數(shù)為兩線圈匝數(shù)差。 【典型例題】 類型一、變壓器的原理 例1．(2014 宿遷模擬)如圖所示，一理想變壓器原線圈的匝數(shù)n

11、1＝1100匝，副線圈的匝數(shù)n2＝220匝，交流電源的電壓，R為負(fù)載電阻，電壓表、電流表均為理想電表，則下列說法中正確的是(　　) A．交流電的頻率為100 Hz B．電壓表的示數(shù)為44 V C．電流表A1的示數(shù)大于電流表A2的示數(shù) D．變壓器的輸入功率大于輸出功率 【答案】B 【解析】由交流電源的電壓，可得交流電的頻率為50 Hz，選項A錯誤；變壓器輸入電壓為220 V，由變壓公式，變壓器輸出電壓為44 V，電壓表的示數(shù)為44 V，選項B正確；根據(jù)變壓器電流關(guān)系，電流表A1的示數(shù)小于電流表A2的示數(shù)，選項C錯誤；根據(jù)理想變壓器功率關(guān)系，變壓器的輸入功率等于輸出功率，選項D錯誤

12、。 舉一反三 【高清課堂：變壓器 例2】 【變式】在繞制變壓器時，某人將兩個線圈繞在如圖所示變壓器鐵芯的左右兩個臂上。當(dāng)通以交變電流時，每個線圈產(chǎn)生的磁通量都只有一半通過另一個線圈，另一半通過中間的臂。已知線圈的匝數(shù)之比，則在不接負(fù)載的情況下，下列說法中正確的是（ ） A．當(dāng)線圈的輸入電壓為時，線圈的輸出電壓為110 V B．當(dāng)線圈的輸入電壓為時，線圈的輸出電壓為 C．當(dāng)線圈的輸入電壓為時，線圈的輸出電壓為 D．當(dāng)線圈的輸入電壓為時，線圈的輸出電壓為 【答案】BD 【解析】本題考查學(xué)生是否對變壓器的工作原理有深刻理

13、解。在不考慮原、副線圈內(nèi)電阻的情況下，變壓器原、副線圈電壓之比（）等于原、副線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢之比（）。 當(dāng)給線圈1輸入電壓U1時：， 當(dāng)從線圈2輸入電壓U2時：。 【總結(jié)升華】對于“”形鐵芯，原線圈繞在一個臂上，通正弦式電流時，磁感線平均分配在另兩個臂中。 類型二、理想變壓器中的電壓、電流和功率關(guān)系 例2．一理想變壓器原副線圈的匝數(shù)比為，電源電壓，原線圈電路中接入一熔斷電流的保險絲，副線圈中接入一可變電阻，如圖所示，為了使保險絲不致熔斷，調(diào)節(jié)時，其阻值最低不能小于（ ） 　　 　　 A． B．

14、 C． D． 【答案】C 【解析】本題考查變壓器的基本規(guī)律，關(guān)鍵要知道保險絲熔斷電流為電流的有效值。 當(dāng)原線圈電流時，副線圈中的電流（即副線圈中電流的有效值）為 ， 副線圈的輸出電壓有效值為 ． 因此副線圈電路中負(fù)載電阻的最小值為 ． 故選項C正確。 【總結(jié)升華】保險絲熔斷電流為電流的有效值而不是最大值，公式及中的電壓和電流既可以是有效值，也可以是最大值，但必須要對應(yīng)。 舉一反三 【高清課堂：變壓器 例9】 【變式】如圖所示，理想變壓器的端加上某一交流電壓（電壓有效值保持不變），副線圈端所接燈泡恰好正常發(fā)光。此時滑線變阻器的滑片于圖示位置。

15、現(xiàn)將滑片下移 (導(dǎo)線電阻不計)，則以下說法中正確的是（ ） A．燈仍能正常發(fā)光，原線圈輸入電流變小 B．燈不能正常發(fā)光，原線圈輸入功率變大 C．燈不能正常發(fā)光，原線圈輸入電壓變大 D．燈仍能正常發(fā)光，原線圈輸入功率不變 【答案】A 例3．如圖所示，理想變壓器的原、副線圈分別接有相同的白熾燈。原、副線圈的匝數(shù)比為，電源電壓為。求燈兩端電壓為多少？ 　　　　 【答案】 【解析】本題綜合考查理想變壓器的基本規(guī)律、歐姆定律，解題關(guān)鍵是電源電壓和原線圈兩端電壓不相等。 設(shè)原線圈輸入電壓為，副線圈

16、輸出電壓為，由串聯(lián)電路分壓原理可知 　?。? ① 由變壓器原理可知 　　， ② 　?。? ③ 由歐姆定律可知 　　， ④ 　　 ． ⑤ 聯(lián)立①～⑤式，得 ． 【總結(jié)升華】原線圈上串有燈泡，燈泡與原線圈上電壓的分配遵循串聯(lián)電路的分壓原理。 例4．如圖所示，理想變壓器的交流輸入電壓，有兩組副線圈，其中匝，標(biāo)有“”、“”的電燈分別接在兩副線圈上均正常發(fā)光，求： （1）原線圈的匝數(shù)和另一副線圈的匝數(shù)； （2）原線圈中電流。

17、 【答案】（1）匝 匝 （2） 【解析】本題考查了理想變壓器的電壓、電流、功率關(guān)系，關(guān)鍵要看清副線圈有兩個。由于兩組副線圈上的兩個燈均正常發(fā)光，所以兩個副線圈輸出的電壓等于各自連接的燈的額定電壓，根據(jù)電壓與匝數(shù)的正比關(guān)系即可求出原線圈的匝數(shù)和副線圈的匝數(shù)；根據(jù)輸出功率與輸入功率相等的關(guān)系可計算出原線圈上的電流強度。 （1）由于兩燈泡均正常發(fā)光，所以有 ，． 根據(jù)原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系，由 、， 得 匝， 匝． （2）由于，，所以 ． 即 ， 則 ． 【總結(jié)升華】理想變壓器的變壓關(guān)系是一個普適關(guān)系，而電流比則不然，它只適用于副線圈僅有一個的情況。

18、而對副線圈有多個的情況則應(yīng)根據(jù)功率關(guān)系，即來找出各線圈間的電流關(guān)系。 舉一反三: 【變式1】如圖，理想變壓器原、副線圈匝數(shù)之比為20:1，兩個標(biāo)有“12V，6W”的小燈泡并聯(lián)在副線圈的兩端。當(dāng)兩燈泡都正常工作時，原線圈電路中電壓表和電流表（可視為理想的）的示數(shù)分別是 A．120V，0.10A B．240V，0.025A C．120V，0.05 A D．240V，0.05 A 【答案】D 【高清課堂：變壓器 例10】 【變式2】如圖所示，理想變壓器原線圈輸入交變電流，副線圈接有一電流表和負(fù)載電阻，電流表的示數(shù)為。在時（為交流電的

19、周期），原線圈中的電流瞬時值為。由此可知該變壓器的原、副線圈的匝數(shù)比為（ ） A. B. C. D. 【答案】C 例5．如圖所示，接于理想變壓器上的四個燈泡規(guī)格相同，且全部正常發(fā)光，求三個線圈的匝數(shù)比。 　　 　 【答案】 【解析】本題考查變壓器規(guī)律和電路知識的運用。由于四個規(guī)格相同的燈泡都正常發(fā)光，所以三個線圈中的電流均相同，即。 設(shè)三個線圈兩端的電壓分別為，接在原線圈中燈泡兩端的電壓為，則有： 　　， 所以， ， 即 ． 設(shè)電源電壓為，則有 ．

20、 根據(jù)理想變壓器的輸入功率等于輸出功率，則有： ， 即 ． 所以 ，． 即 ， 即 ． 因此三個線圈的匝數(shù)比 ． 【總結(jié)升華】對理想變壓器來說，變壓公式和輸入功率等于輸出功率是普遍適用的規(guī)律，對于有幾個副線圈的理想變壓器，電流公式就不能使用了。 類型三、理想變壓器各物理量的動態(tài)分析 例6．如圖所示為一理想自耦變壓器，當(dāng)它們的滑片向方向移動時，和保持不變，電壓表讀數(shù)將________，電流表的讀數(shù)將________；若的位置不動，變阻器滑片向上滑動時，電壓表的讀數(shù)將________，電流表的讀數(shù)將________。（填“變大”“變小”或“不變”，表示滑動

21、變阻器的總電阻） 【答案】變小 變小 不變 變大 【解析】本題考查了理想變壓器各物理量間的決定關(guān)系。電源的電壓設(shè)為，電壓表的讀數(shù)是副線圈兩端電壓，設(shè)為，那么。當(dāng)向移動時，變大，不變，所以變小，即電壓表示數(shù)將變小，如果和不變，則副線圈中的電流將變小，原線圈中的電流將變小，即電流表的讀數(shù)將變小。當(dāng)?shù)奈恢貌蛔儠r副線圈兩端電壓不變，故電壓表的示數(shù)不變，滑動變阻器的觸頭向上滑動時，總電阻減小，副線圈中的電流增大，原線圈中的電流增大，即電流表的示數(shù)將變大。 【總結(jié)升華】此類問題首先要根據(jù)題意分清變量和不變量，其次要明確變量之間的相互制約

22、關(guān)系——電壓：輸入決定輸出；電流和功率：輸出決定輸入。 可按下列動態(tài)分析思路進行分析： 舉一反三 【高清課堂：變壓器 例8】 【變式1】調(diào)壓變壓器是一種自耦變壓器，它的構(gòu)造如圖所示．線圈繞在一個圓環(huán)形的鐵芯上．間加上正弦交流電壓，移動滑動觸頭的位置，就可以調(diào)節(jié)輸出電壓．在輸出端連接了滑動變阻器和理想交流電流表，變阻器的滑動觸頭為．則（ ） A．保持的位置不動，將向下移動時，電流表的讀數(shù)變大 B．保持的位置不動，將向下移動時，電流表的讀數(shù)變小 C．保持的位置不動，將沿逆時針方向移動時，電流表的讀數(shù)變大 D．保持的位置不動，將沿逆

23、時針方向移動時，電流表的讀數(shù)變小 【答案】BC 【變式2】(2015 青島統(tǒng)一檢測）如圖所示，匝數(shù)為10的矩形線框處在磁感應(yīng)強度B＝T的勻強磁場中，繞垂直磁場的軸以恒定角速度ω=10rad/s在勻強磁場中轉(zhuǎn)動，線框電阻不計，面積為0.4m2，線框通過滑環(huán)與一理想自耦變壓器的原線圈相連，副線圈接有一只燈泡L(4W，100Ω)和滑動變阻器，已知圖示狀況下燈泡正常發(fā)光，電流表視為理想電表，則下列說法正確的是（ ） A．此時原副線圈的匝數(shù)比為2:1 B．此時電流表的示數(shù)為0.4A C．若將自耦變壓器觸頭向下滑動，燈泡會變暗 D．若將滑動變阻器滑片向上移動，則電流表示數(shù)增大

24、【答案】ACD 【解析】A、輸入電壓的最大值為：，變壓器輸入電壓的有效值為：，開關(guān)閉合時兩燈泡均正常發(fā)光，所以，此時原副線圈的匝數(shù)比為：，故A正確； B、由歐姆定律得：，根據(jù)得：此時電流表的示數(shù)為：，故B錯誤； C、若將自耦變壓器觸頭向下滑動，副線圈匝數(shù)變小，根據(jù)可知輸出電壓減小，所以燈泡變暗，故C正確； D、若將自耦變壓器觸頭向上滑動，副線圈匝數(shù)變大，根據(jù)可知輸出電壓增大，，又，可知電流表示數(shù)增大，故D正確。 故選：ACD 類型四、綜合應(yīng)用 例7．某理想變壓器，當(dāng)其輸入端接在電動勢為、內(nèi)阻為的交流電源上，輸出端接在電阻為的負(fù)載上時，上可得最大功率。求：

25、 （1）這時輸入電流是多大？負(fù)載上最大功率是多少？ （2）負(fù)載上獲得最大功率時，變壓器的原副線圈上的電壓各為多少？ （3）變壓器的變壓比為多少?電源的效率為多少？ 【答案】見解析 【解析】本題綜合考查了變壓器的功率關(guān)系、閉合電路的歐姆定律等知識。 （1）如圖所示，交流電源與原線圈組成一閉合電路，負(fù)載獲得最大功率時，變壓器輸入功率也達最大，變壓器輸入功率 ， 所以 ． 當(dāng)時，負(fù)載功率最大， ． （2）副線圈與電阻組成回路，副線圈為電源，由功率公式： ， 所以 ， 而原線圈的輸入電壓

26、 ． （3）從原、副線圈的電壓比得變壓比為 。 電源的效率為 ， 代入可得 =50％。 【總結(jié)升華】變壓器的輸入功率即上消耗的功率；副線圈作為電源對供電；電源和原線圈組成回路可選用閉合電路的歐姆定律。 舉一反三 【高清課堂：變壓器 例11】 【變式】如圖所示，理想變壓器原、副線圈的匝數(shù)比為，輸出端接有一交流電動機，其線圈的電阻為。將原線圈接在正弦交流電源兩端，變壓器的輸入功率為時，電動機恰好能帶動質(zhì)量為的物體勻速上升，此時理想電流表的示數(shù)為。若不計電動機的機械損耗，重力加速度為，則下列說法正確的是（ ） A．電動機的輸出功

27、率為 B．原線圈兩端電壓的有效值為 C．原線圈中電流的有效值為 D．副線圈兩端電壓的有效值為 【答案】C 例8．汽車等交通工具中用電火花點燃汽油混合氣，如圖所示，已知汽車蓄電池電壓為，變壓器匝數(shù)之比為。當(dāng)開關(guān)閉合后，火花塞上電壓為多少？當(dāng)開關(guān)從閉合到突然斷開，可為火花塞提供瞬時高電壓，產(chǎn)生電火花。蓄電池提供的是直流，為什么變壓器的副線圈也能得到高電壓呢？ 　　　 【答案】見解析 【解析】本題考查變壓器的實際應(yīng)用。 當(dāng)開關(guān)閉合后，變壓器的原線圈中是恒定電流，鐵芯中的磁通量不變，副線圈中沒有感應(yīng)電動勢，

28、火花塞上電壓為零。當(dāng)開關(guān)從閉合到突然斷開，鐵芯中磁通量突然變小，在副線圈中會產(chǎn)生一個瞬時高電壓（脈沖高電壓可達左右），使火花塞產(chǎn)生電火花。 【總結(jié)升華】（1）解題中很容易出現(xiàn)套用電壓公式求出的錯誤結(jié)果。排除失誤方法：掌握變壓器的工作原理，副線圈中沒有磁通量變化，不能產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。（2）當(dāng)開關(guān)突然斷開時，副線圈中磁通量突然變?yōu)榱悖苄?，很大，可產(chǎn)生高電壓，與原線圈上電壓是交流還是直流無關(guān)。 舉一反三 【高清課堂：變壓器 例12】 【變式】如圖所示，理想變壓器的原、副線圈匝數(shù)比為，原線圈兩端的交變電壓為 氖泡在兩端電壓達到時開始發(fā)光，下列說法中正確的有（ ） A．開關(guān)接通后，氖泡的發(fā)光頻率為 B．開關(guān)接通后，電壓表的示數(shù)為 C．開關(guān)斷開后，電壓表的示數(shù)變大 D．開關(guān)斷開后，變壓器的輸出功率不變 【答案】AB