2018-2019學年高中物理 第五章 交變電流 5.4 變壓器課件 新人教版選修3-2.ppt

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4變壓器,一、變壓器的原理1.構(gòu)造:由閉合鐵芯和繞在鐵芯上的兩個線圈組成,與_____連接的線圈叫原線圈,與_____連接的線圈叫副線圈。,電源,負載,2.原理:_____現(xiàn)象是變壓器的工作基礎(chǔ)。原線圈中電流的大小、方向不斷變化,在鐵芯中激發(fā)的_____也不斷變化,變化的磁場在副線圈中產(chǎn)生___________。3.作用:改變交變電流的_____,不改變交變電流的_____和_____。,互感,磁場,感應電動勢,電壓,周期,頻率,二、電壓與匝數(shù)的關(guān)系1.理想變壓器:沒有_________的變壓器。2.電壓與匝數(shù)的關(guān)系:原、副線圈的電壓之比,等于兩個線圈的_____之比,即:=。,能量損失,匝數(shù),3.兩類變壓器:(1)副線圈電壓比原線圈電壓低的變壓器叫_____變壓器。(2)副線圈電壓比原線圈電壓高的變壓器叫_____變壓器。4.應用:(1)遠距離輸電中,升壓和降壓后提供給用戶。(2)滿足各種不同電壓要求的用電設(shè)備。,降壓,升壓,【思考辨析】(1)我們所用的比較好的變壓器就是理想變壓器。()(2)理想變壓器的輸入功率和輸出功率相等。()(3)輸入交變電流的頻率越高,輸出交變電流的電壓就越高。(),(4)變壓器能改變所有電流的電壓。()(5)我們可以根據(jù)變壓器線圈導線的粗細判斷其匝數(shù)的多少。(),提示:(1)。任何實際的變壓器都會有能量損失,所以理想變壓器是不存在的。(2)√。理想變壓器沒有能量損失,所以輸入功率和輸出功率相等。(3)。變壓器的輸出電壓由輸入電壓和原、副線圈的匝數(shù)比決定,與交變電流的頻率無關(guān)。,(4)。變壓器是依據(jù)電磁感應工作的,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。(5)√。根據(jù)變壓器的電流與匝數(shù)關(guān)系,電流大的線圈匝數(shù)少,為了減小導線上的電阻發(fā)熱,要求用較粗的導線繞制,電流小的線圈匝數(shù)多,要求用較細的導線繞制,故可利用導線的粗細判斷線圈匝數(shù)的多少。,【生活鏈接】一般在輸電系統(tǒng)、大工廠、電氣化生產(chǎn)車間里用變壓器,我們普通的家庭中也會用到變壓器嗎?,提示:家庭里用到變壓器的地方也很多,如電冰箱、洗衣機、電視機、收音機、手機甚至一個很小的充電器也離不開變壓器。,知識點一理想變壓器電壓和電流與匝數(shù)的關(guān)系探究導入:如圖所示是一個變壓器,(1)理想變壓器有哪些特點?它實際存在嗎?(2)變壓器的變壓原理是什么?原、副線圈的電壓和電流與線圈的匝數(shù)有什么關(guān)系?,提示:(1)原、副線圈的電阻不計,不產(chǎn)生熱量;鐵芯內(nèi)不考慮有感應電流產(chǎn)生;變壓器的鐵芯無漏磁,它沒有能量損失,實際上是不存在理想變壓器的。(2)變壓器的工作原理是互感現(xiàn)象;原、副線圈的電壓和匝數(shù)成正比,原、副線圈的電流(只有一個副線圈時)與線圈的匝數(shù)成反比。,【歸納總結(jié)】1.理想變壓器的特點:(1)原、副線圈的電阻不計,不產(chǎn)生熱量。(2)變壓器的鐵芯不漏磁。(3)在鐵芯內(nèi)產(chǎn)生的感應電流及產(chǎn)生的熱量不計。理想變壓器是一個沒有能量損失的理想化模型。,2.電動勢關(guān)系:由于互感現(xiàn)象,且沒有漏磁,原、副線圈中每一匝線圈都具有相同的,根據(jù)法拉第電磁感應定律有3.電壓關(guān)系:由于不計原、副線圈的電阻,因此原線圈兩端的電壓U1=E1,副線圈兩端的電壓U2=E2,所以當有n組線圈時,則有:,4.功率關(guān)系:對于理想變壓器,不考慮能量損失,P入=P出。5.電流關(guān)系:由功率關(guān)系,當只有一個副線圈時,I1U1=I2U2,得當有多個副線圈時,I1U1=I2U2+I3U3+…得I1n1=I2n2+I3n3+…,【易錯提醒】(1)變壓器只能改變交變電流的電壓不能在直流電路中使用。(2)原、副線圈的電壓、電流發(fā)生變化,而頻率不變。(3)當副線圈有多個線圈時,電壓關(guān)系仍適用,而電流關(guān)系式不再適用。,【典題通關(guān)】考查角度1變壓器的工作原理【典例1】關(guān)于理想變壓器的工作原理,以下說法正確的是()A.通有正弦交變電流的原線圈產(chǎn)生的磁通量不變B.穿過原、副線圈的磁通量在任何時候都不相等,C.穿過副線圈磁通量的變化使得副線圈產(chǎn)生感應電動勢D.原線圈中的電流通過鐵芯流到了副線圈,【正確解答】選C。通有正弦交變電流的原線圈產(chǎn)生的磁通量是按照正弦規(guī)律周期性變化的,故A錯誤;由于是理想變壓器,穿過原、副線圈的磁通量在任何時候都相等,故B錯誤;穿過副線圈磁通量的變化使得副線圈產(chǎn)生感應電動勢,符合法拉第電磁感應定律,故C正確;變壓器的工作原理是互感現(xiàn)象,原、副線圈并沒有直接相連,故D錯誤。,考查角度2理想變壓器基本規(guī)律的應用【典例2】(多選)如圖,理想變壓器原、副線圈分別接有額定電壓相同的燈泡a和b①。當輸入電壓U為燈泡額定電壓的10倍時②,兩燈泡均能正常發(fā)光③。下列說法正確的是(),A.原、副線圈匝數(shù)之比為9∶1B.原、副線圈匝數(shù)之比為1∶9C.此時a和b的電功率之比為9∶1D.此時a和b的電功率之比為1∶9,【審題關(guān)鍵】,【正確解答】選A、D。設(shè)燈泡的額定電壓為U0,兩燈均能正常發(fā)光,所以原線圈輸出端電壓為U1=9U0,副線圈兩端電壓為U2=U0,故A正確,B錯誤;根據(jù)公式由于小燈泡兩端的電壓相等,所以根據(jù)公式P=UI可得兩者的電功率之比為1∶9,C錯誤,D正確。,【誤區(qū)警示】理想變壓器的四點注意(1)變壓器不能改變直流電壓。(2)變壓器只能改變交變電流的電壓和電流,不能改變交變電流的頻率。(3)理想變壓器本身不消耗能量。(4)理想變壓器基本關(guān)系中的U1、U2、I1、I2均為有效值。,【過關(guān)訓練】1.(多選)理想變壓器正常工作時,在其兩側(cè)的原、副線圈中一定相同的物理量是()A.交流電的頻率B.輸入、輸出功率C.磁通量的變化率D.電壓的最大值,【解析】選A、B、C。理想變壓器原、副線圈中的頻率相同,磁通量的變化率相同,電壓不一定相同,功率相同。故A、B、C正確,D錯誤。,2.如圖所示,接在家庭電路上的理想降壓變壓器給小燈泡L供電,如果將原、副線圈減少相同匝數(shù),其他條件不變,則()A.小燈泡變亮B.小燈泡變暗C.原、副線圈兩端電壓的比值不變D.通過原、副線圈電流的比值不變,【解題指南】解答本題時應從以下兩點進行分析:(1)變壓器電壓與匝數(shù)關(guān)系:(2)變壓器電流與匝數(shù)關(guān)系:,【解析】選B。根據(jù)變壓器電壓與匝數(shù)關(guān)系:因為是降壓變壓器,則n1>n2,當原、副線圈減少相同匝數(shù)時,由數(shù)學知識可知變大,則U2減小,故燈泡變暗,選項A、C錯誤,B正確;根據(jù)可知通過原、副線圈電流的比值變小,選項D錯誤。故選B。,【補償訓練】1.圖甲為一理想變壓器,負載電路中R=5Ω,若原線圈兩端輸入電壓u是如圖乙所示的正弦式交流電,電壓表示數(shù)為10V,則(),A.輸入電壓u=100sin50πtVB.電流表示數(shù)為0.2AC.變壓器原、副線圈匝數(shù)比為5∶1D.若輸入電壓穩(wěn)定,R阻值減小,則輸入電功率減小,【解析】選B。由圖乙可知輸入的交變電流的周期是0.02s,所以角速度為100π,故選項A錯誤;輸入交變電流的電壓峰值是100V,則有效值是100V,變壓器原、副線圈匝數(shù)比為10∶1,選項C錯誤;由I2=,U1I1=U2I2得I2=2A,I1=0.2A,選項B正確;若輸入電壓穩(wěn)定,R阻值減小,則通過R的電流增大,即輸出功率增大,輸入功率也一定增大,選項D錯誤。,2.如圖所示,一理想變壓器的原線圈匝數(shù)為n1=1100匝,接電壓U1=220V的交流電,副線圈接“20V10W”的燈泡,燈泡正常發(fā)光,可知(),A.副線圈的匝數(shù)n2=200匝B.副線圈中的電流I2=0.5AC.原線圈中的輸入功率為10WD.原線圈中的電流I1=0.1A,【解析】選B、C。本題考查變壓器的知識。意在考查學生對變壓器知識的理解。由于理想變壓器的電壓比等于匝數(shù)比,副線圈匝數(shù)n2=100匝,A錯誤;理想變壓器的原、副線圈的功率相等。所以原線圈的輸入功率為10W,C正確;由功率P=UI可得副線圈中的電流I2=0.5A,原線圈中的電流I1=I2≈0.045A,B正確,D錯誤。,知識點二理想變壓的制約關(guān)系和動態(tài)分析探究導入:在一個原、副線圈匝數(shù)確定的變壓器中(1)理想變壓器的電壓、電流和功率輸入與輸出之間存在怎樣的制約關(guān)系?(2)如何分析變壓器的動態(tài)變化情況?,提示:(1)理想變壓器的輸入電壓決定著輸出電壓,輸出功率和電流決定著輸入功率和電流。(2)把副線圈當作輸出電路的電源,根據(jù)閉合電路歐姆定律分析。或根據(jù)原、副線圈的電壓、電流與線圈的匝數(shù)關(guān)系分析。,【歸納總結(jié)】1.電壓制約:當變壓器原、副線圈的匝數(shù)比()一定時,輸出電壓U2由輸入電壓U1決定,即U2=,2.電流制約:當變壓器原、副線圈的匝數(shù)比()一定,且輸入電壓U1確定時,原線圈中的電流I1由副線圈中的輸出電流I2決定,即I1=3.功率制約:(1)變壓器副線圈中的功率P2由用戶負載決定,P2=P負1+P負2+…。(2)總功率P入=P線+P2,即變壓器的輸入功率是由輸出功率決定的。,4.對理想變壓器進行動態(tài)分析的兩種常見情況:(1)原、副線圈匝數(shù)比不變,分析各物理量隨負載電阻變化而變化的情況,進行動態(tài)分析的順序是R→I2→P2→P1→I1。(2)負載電阻不變,分析各物理量隨匝數(shù)比的變化而變化的情況,進行動態(tài)分析的順序是n1、n2→U2→I2→P2→P1→I1。,【特別提醒】(1)理想變壓器將電能由原線圈傳給副線圈時總是“量出為入”,即用戶消耗多少,原線圈就提供多少,因而輸出功率決定輸入功率。(2)可以把理想變壓器的副線圈看作給用戶供電的無阻電源,對負載電路進行動態(tài)分析時,可以參照直流電路動態(tài)分析的方法。,【典題通關(guān)】考查角度1制約關(guān)系的應用【典例1】一含有理想變壓器的電路如圖所示,圖中電阻R1、R2和R3的阻值分別為3Ω、1Ω和4Ω,為理想交流電流表,U為正弦交流電壓,源,輸出電壓的有效值恒定。當開關(guān)S斷開時,電流表的示數(shù)為I;當S閉合時,電流表的示數(shù)為4I。該變壓器原、副線圈匝數(shù)比為()A.2B.3C.4D.5,【正確解答】選B。設(shè)變壓器原、副線圈匝數(shù)分別為n1、n2,當開關(guān)S斷開時,電流表的示數(shù)為I,副線圈電流為I,因此有(U-IR1)I=()2I2(R2+R3);當S閉合時,電流表的示數(shù)為4I,同理有(U-4IR1)4I=()2(4I)2R2,聯(lián)立解得原、副線圈匝數(shù)比為3,故選B。,考查角度2理想變壓器電路的動態(tài)分析【典例2】如圖所示,理想變壓器原線圈接在交流電源上,圖中各電表均為理想電表。下列說法正確的是(),A.當滑動變阻器的滑動觸頭P向上滑動時,R1消耗的功率變大B.當滑動變阻器的滑動觸頭P向上滑動時,電壓表V示數(shù)變大C.當滑動變阻器的滑動觸頭P向上滑動時,電流表A1示數(shù)變大D.若閉合開關(guān)S,則電流表A1示數(shù)變大,A2示數(shù)變大,【正確解答】選B。當滑動變阻器的滑動觸頭P向上滑動時,R的阻值變大,變壓器的次級線圈電壓不變,則次級電流減小,則R1消耗的功率及兩端電壓均變小,電壓表的示數(shù)等于變壓器次級電壓減去R1兩端的電壓,故電壓表的示數(shù)變大,選項A錯誤,B正確;由于當滑動變阻器的滑動觸頭P向上滑動時,次級電流減小,故初級電流也,減小,電流表A1示數(shù)變小,選項C錯誤;若閉合開關(guān)S,則變壓器的次級電阻減小,次級電流變大,R1的電壓變大,則電壓表V示數(shù)減小,則R2兩端電壓減小,電流表A2讀數(shù)減小,次級電流變大,則初級電流變大,則電流表A1示數(shù)變大,選項D錯誤。,【規(guī)律方法】理想變壓器動態(tài)問題的處理方法(1)抓住三個決定原則:輸入電壓U1決定輸出電壓U2;輸出電流I2決定輸入電流I1;輸出功率P2決定輸入功率P1。(2)把副線圈當作電源,研究副線圈電路電阻變化。,(3)根據(jù)閉合電路的歐姆定律,判定副線圈電流的變化、功率的變化。(4)根據(jù)理想變壓器的變壓規(guī)律、變流規(guī)律和功率規(guī)律判定原線圈電流的變化及輸入功率的變化。,【過關(guān)訓練】1.(多選)(2018哈爾濱高二檢測)如圖是街頭變壓器給用戶供電的示意圖,將此變壓器視為理想變壓器,輸入端接入的電壓u=2200sin100πt(V),輸出電壓通過輸電線輸送給用戶,輸電線的電阻用R表示,理想變壓器原、副線圈的匝數(shù)比為10∶1,題中電表均為理想交流表,則下列說法正確的是(),A.V2表的讀數(shù)為220VB.A1表的示數(shù)隨A2表的示數(shù)的增大而增大C.副線圈中交流電的頻率為50HzD.用戶端閉合開關(guān)S,則V2表讀數(shù)不變,A1表讀數(shù)變大,變壓器的輸入功率增大,【解析】選B、C、D。由電壓表達式公式知原線圈電壓有效值為2200V,電壓與匝數(shù)成正比,所以V2表的讀數(shù)為220V,A錯誤;電流與匝數(shù)成反比,所以A1表的示數(shù)隨A2表的示數(shù)的增大而增大,B正確;由表達式知角速度為100πrad/s,所以頻率為f==50Hz,C正確;用戶端閉合開關(guān)S,則副線圈的電阻減小,電壓由輸入電壓和匝數(shù)比決定,所以V2表讀數(shù)不變,A1表和A2讀數(shù)都變大,變壓器的輸入功率等于輸出功率都增大,D正確。,2.(多選)如圖所示,理想變壓器的原線圈連接一只理想交流電流表,副線圈匝數(shù)可以通過滑動觸頭Q來調(diào)節(jié),在副線圈兩端連接了定值電阻R0和滑動變阻器R,P為滑動變阻器的滑動觸頭,在原線圈上加一電壓為U的正弦交流電,則(),A.保持Q的位置不動,將P向上滑動時,電流表讀數(shù)變大B.保持Q的位置不動,將P向上滑動時,電流表讀數(shù)變小C.保持P的位置不動,將Q向上滑動時,電流表讀數(shù)變大D.保持P的位置不動,將Q向上滑動時,電流表讀數(shù)變小,【解析】選B、C。保持Q的位置不動,將P向上滑動時,滑動變阻器R的有效電阻變大,輸出電壓不變,則輸出電流減少,電流表示數(shù)變小,故選項A錯誤,B正確;保持P的位置不動,將Q向上滑動時,輸出電壓變大,電流表示數(shù)變大,故選項C正確,D錯誤。,【補償訓練】如圖所示,理想變壓器的原、副線圈的匝數(shù)比n1∶n2=2∶1,原線圈接正弦式交流電,副線圈接電動機,電動機線圈電阻為R,當輸入端接通電源后,電流表讀數(shù)為I,電動機帶動一質(zhì)量為m的重物以速度v勻速上升,若電動機因摩擦造成的能量損失不計,則圖中電壓表的讀數(shù)為(),【解析】選A。電流與匝數(shù)成反比,副線圈的電流為2I,輸入功率等于副線圈消耗的功率:P=(2I)2R+mgv=UI,所以電壓表的讀數(shù)U=4IR+。故選A。,【拓展例題】考查內(nèi)容:電流互感器和電壓互感器【典例】如圖所示,L1和L2是高壓輸電線,甲、乙是兩只互感器,若已知n1∶n2=1000∶1,n3∶n4=1∶100,圖中電壓表示數(shù)為220V,電流表示數(shù)為10A,則高壓輸電線的送電功率為(),A.2.2103WB.2.210-2WC.2.2108WD.2.2104W,【正確解答】選C。由電流互感器知高壓輸電線中電流I=1000A,由電壓互感器知高壓U=220103V,則高壓輸電線功率P=UI=2.2108W。,物理模型構(gòu)建——理想變壓器模型1.建模背景:原、副線圈的電阻不計,鐵芯不漏磁,鐵芯內(nèi)產(chǎn)生的感應電流及熱量不計。2.模型特點:嚴格遵守P入=P出,,【案例示范】如圖所示,一理想變壓器原、副線圈的匝數(shù)比為1∶2;副線圈電路中接有燈泡,燈泡的額定電壓為220V,額定功率為22W;原線圈電路中接有電壓表和電流表?，F(xiàn)閉合開關(guān),燈泡正常發(fā)光。若用U和I分別表示此時電壓表和電流表的讀數(shù),則(),A.U=110V,I=0.2AB.U=110V,I=0.05AC.U=110V,I=0.2AD.U=110V,I=0.2A,【解析】選A。由于燈泡正常發(fā)光,故副線圈的電壓為220V,由于原、副線圈的匝數(shù)比為1∶2,故原線圈的電壓為110V,所以電壓表的示數(shù)為110V,原、副線圈的功率相等,故電流表的示數(shù)為I==0.2A,故A正確。,【類題訓練】(多選)在如圖所示的電路中,理想變壓器的初級線圈加一個固定的交變電壓,開關(guān)S處于斷開狀態(tài),那么下列情況正確的是(),A.當滑動觸頭P上移時,燈泡L變亮B.當滑動觸頭P上移時,電流表A1的讀數(shù)變大C.當滑動觸頭P上移時,電壓表V的讀數(shù)變大D.當閉合開關(guān)S時,電流表A1的讀數(shù)變大,A2的讀數(shù)不變,【解析】選C、D。當滑動觸頭P上移時,接入電路的電阻變大,因負載電壓不變,故流過副線圈的電流I2減小,燈泡變暗,同時,U1I1=U2I2,故I1將隨著I2的減小而減小,即電流表A1的讀數(shù)變小,所以A、B均錯;電壓表V的讀數(shù)等于U2-I2RL變大,C正確;當閉合S時,負載增大,消耗的電功率增大,P=U1I1,所以電流表A1的讀數(shù)應變大,但副線圈兩端電壓仍不變,電流表A2的讀數(shù)應不變,D正確。,【補償訓練】(2018廊坊高二檢測)如圖是街頭變壓器通過降壓給用戶供電的示意圖。變壓器的輸入電壓是市區(qū)電網(wǎng)的電壓,假設(shè)負載變化時輸入電壓保持不變。輸出電壓通過輸電線輸送給用戶,兩條輸電線的總電阻用R0表示,,變阻器R代表用戶用電器的總電阻,當用電器增加時,相當于R的值減小。忽略變壓器上的能量損失,不計電壓表、電流表的內(nèi)阻對電路的影響。當用戶的用電器增加時,下列說法正確的是(),A.電壓表讀數(shù)增大,電流表讀數(shù)增大B.電壓表讀數(shù)減小,電流表讀數(shù)增大C.電壓表讀數(shù)不變,電流表讀數(shù)增大D.電壓表讀數(shù)不變,電流表讀數(shù)減小,【解析】選C。理想變壓器的輸出電壓是由輸入電壓和匝數(shù)比決定的,由于輸入電壓和匝數(shù)比不變,所以副線圈輸出的電壓也不變,所以V的示數(shù)不變;當用電器增加時,相當于R的值減小,電路中的總的電阻減小,所以電流要變大,即副線圈中的電流示數(shù)變大,副線圈消耗的功率增大;由于變壓器的輸入功率和輸出功率相等,,由于副線圈的功率變大了,所以原線圈的輸入功率也要變大,因為輸入的電壓不變,所以輸入的電流要變大。故C正確,A、B、D錯誤。,