（通用版）2020版高考物理一輪復習 第十一章 第70課時 變壓器、電能的輸送（重點突破課）講義（含解析）.doc

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第70課時　變壓器、電能的輸送(重點突破課) [考點一　理想變壓器] 理想變壓器的構造、原理的理解，各物理量之間的基本關系、制約關系，以及變壓器電路的動態(tài)分析既是高考重點，也是學習難點。 1．構造：如圖所示，變壓器是由閉合鐵芯和繞在鐵芯上的原線圈和副線圈組成的。 2．原理：電流磁效應、電磁感應。 3．理想變壓器三個基本關系 電壓 電流 功率 關系式 ＝ n1I1＝n2I2 P入＝P出 依據(jù) E＝n U1I1＝U2I2 能量守恒 注意 電流關系式僅適用于一個副線圈的情況 [考法細研] 考法1　理想變壓器關系式的應用　 [例1]　(2018天津高考) 教學用發(fā)電機能夠產(chǎn)生正弦式交變電流。利用該發(fā)電機(內(nèi)阻可忽略)通過理想變壓器向定值電阻R供電，電路如圖所示，理想交流電流表A、理想交流電壓表V的讀數(shù)分別為I、U，R消耗的功率為P。若發(fā)電機線圈的轉速變?yōu)樵瓉淼模瑒t(　　) A．R消耗的功率變?yōu)镻 B．電壓表V的讀數(shù)變?yōu)閁 C．電流表A的讀數(shù)變?yōu)?I D．通過R的交變電流頻率不變 [解析]　發(fā)電機線圈產(chǎn)生的感應電動勢最大值Em＝NBSω，其中ω＝2πn，理想變壓器的輸入電壓(有效值)U1＝，若發(fā)電機線圈的轉速n變?yōu)樵瓉淼?，根?jù)＝，則電壓表V的讀數(shù)變?yōu)閁，通過R的電流變?yōu)樵瓉淼?，R消耗的功率變?yōu)镻，根據(jù)＝，電流表A的讀數(shù)變?yōu)镮，故B正確，A、C錯誤；交變電流的頻率f等于線圈的轉速n，故D錯誤。 [答案]　B (1)發(fā)電機轉速變化時，電動勢最大值發(fā)生變化，交變電流的頻率發(fā)生變化。 (2)當R兩端的電壓變?yōu)樵瓉淼臅r，R消耗的功率變?yōu)樵瓉淼??！　? 考法2　理想變壓器的動態(tài)分析　 [例2]　(2019三門峽月考)如圖所示，變壓器輸入有效值恒定的電壓，副線圈匝數(shù)可調(diào)，輸出電壓通過輸電線輸送給用戶(小燈泡等用電器)，R表示輸電線的電阻，則(　　) A．用電器增加時，變壓器輸出電壓增大 B．要提高用戶的電壓，滑動觸頭P應向上滑 C．用電器增加時，輸電線的熱損耗減小 D．用電器增加時，變壓器的輸入功率減小 [解析]　由于變壓器原、副線圈的匝數(shù)不變，而且輸入電壓不變，因此用電器增加不會影響輸出電壓，選項A錯誤；根據(jù)變壓器的變壓比可知輸出電壓U2＝U1，當滑動觸頭P向上滑時，n2增大，所以輸出電壓增大，用戶的電壓增大，選項B正確；由于用電器是并聯(lián)的，因此用電器增加時總電阻變小，輸出電壓不變，總電流增大，故輸電線的熱損耗增大，選項C錯誤；用電器增加時總電阻變小，總電流增大，變壓器輸出功率增大，所以輸入功率增大，選項D錯誤。 [答案]　B [規(guī)律方法] 理想變壓器動態(tài)變化問題的分析方法 (1)分清不變量：①線圈匝數(shù)比；②負載電阻。 (2)弄清理想變壓器中的制約關系： [集訓沖關] 1.(多選)(2019安慶檢測)如圖所示，理想變壓器原、副線圈分別接有額定電壓相同的燈泡a和b。當輸入電壓U為燈泡額定電壓的10倍時，兩燈泡均能正常發(fā)光。下列說法正確的是(　　) A．原、副線圈匝數(shù)比為9∶1 B．原、副線圈匝數(shù)比為1∶9 C．此時a和b的電功率之比為9∶1 D．此時a和b的電功率之比為1∶9 解析：選AD　設燈泡的額定電壓為U0，輸入電壓為燈泡額定電壓的10倍時燈泡正常發(fā)光，則變壓器原線圈的電壓為9U0，變壓器原、副線圈的匝數(shù)比為9∶1，選項A正確，B錯誤；由9U0Ia＝U0Ib得，流過b燈泡的電流是流過a燈泡電流的9倍，根據(jù)P＝UI，a、b燈泡的電功率之比為1∶9，選項C錯誤，D正確。 2.(2019江西三校高三聯(lián)考)如圖所示，理想變壓器原、副線圈的匝數(shù)比為10∶1，b是原線圈中心的抽頭，電壓表和電流表均為理想交流電表，除R以外其余電阻不計。從某時刻開始在原線圈兩端加上交變電壓，其瞬時值表達式為u1＝220sin 100πt V。下列說法中正確的是(　　) A．t＝ s時，電壓表的示數(shù)為220 V B．t＝ s時，a、c兩點間電壓瞬時值為110 V C．滑動變阻器滑片向上移，電壓表的示數(shù)不變，電流表的示數(shù)減小 D．單刀雙擲開關由a扳向b，電壓表的示數(shù)不變，電流表的示數(shù)減小 解析：選C　原線圈兩端電壓有效值為220 V，由理想變壓器原、副線圈電壓之比等于匝數(shù)之比可得，副線圈兩端電壓有效值為 22 V，理想交流電壓表測量的是有效值即22 V，故A錯誤；t＝ s 時，a、c兩點間電壓瞬時值為110 V，故B錯誤；滑動變阻器滑片向上移，接入電阻變大，副線圈兩端電壓由匝數(shù)比和輸入電壓決定，電壓表的示數(shù)不變，電流表示數(shù)減小，故C正確；單刀雙擲開關由a扳向b，原、副線圈的匝數(shù)比變小，匝數(shù)與電壓成正比，所以電壓表和電流表的示數(shù)均變大，故D錯誤。 3．(多選)(2019河南中原名校聯(lián)盟質(zhì)檢)如圖所示是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，負載變化時輸入電壓不會有大的波動，可以認為電壓表V1示數(shù)不變。兩條輸電線的總電阻用R0表示，滑動變阻器R表示用戶用電器的總電阻。如果變壓器上的能量損失忽略不計，當用戶的用電器增加時，圖中各表的示數(shù)變化的情況是(　　) A．電流表A1示數(shù)變大　　　 B．電流表A2示數(shù)變小 C．電壓表V2示數(shù)變大 D．電壓表V3示數(shù)變小 解析：選AD　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，所以副線圈的輸出電壓不變，所以電壓表V2的示數(shù)不變，C錯誤；當用電器增加時，相當于R的值減小，副線圈的總電阻減小，所以電流變大，即電流表A2的示數(shù)變大，B錯誤；由于變壓器的輸入功率和輸出功率相等，副線圈的電阻減小時，輸出功率變大，所以原線圈的輸入功率也變大，因為輸入電壓不變，所以輸入電流變大，所以電流表A1的示數(shù)變大，A正確；由于副線圈的電流變大，電阻R0兩端的電壓變大，又因為電壓表V2的示數(shù)不變，所以電壓表V3的示數(shù)變小，D正確。 [考點二　三類特殊的變壓器] 三類特殊變壓器的結構和工作情景復雜，成為變壓器問題的難點，其中兩類互感器結構類似，容易造成混淆。對此類問題，關鍵還是理解三類特殊變壓器的工作原理，用好各物理量之間的基本關系。 1．自耦變壓器 自耦變壓器(又稱調(diào)壓器)，它只有一個線圈，其中的一部分作為另一個線圈，如圖所示。當交流電源接不同的端點時，它可以升壓(如圖甲)也可以降壓(如圖乙)，變壓器的基本關系對自耦變壓器均適用。 2．多副線圈的變壓器 分析具有兩個(或兩個以上)副線圈的變壓器問題時，應注意三個關系： (1)電壓關系：＝＝＝… (2)電流關系：n1I1＝n2I2＋n3I3＋… (3)功率關系：P1＝P2＋P3＋… 3．電壓互感器和電流互感器 電壓互感器 電流互感器 原理圖 原線圈的連接 并聯(lián)在高壓電路中 串聯(lián)在交流電路中 副線圈的連接 連接電壓表 連接電流表 互感器的作用 將高電壓變?yōu)榈碗妷? 將大電流變?yōu)樾‰娏? 利用的公式 ＝ I1n1＝I2n2 [考法細研] 類型1　自耦變壓器　 [例1]　(2016江蘇高考)一自耦變壓器如圖所示，環(huán)形鐵芯上只繞有一個線圈，將其接在a、b間作為原線圈。通過滑動觸頭取該線圈的一部分，接在c、d間作為副線圈。在a、b間輸入電壓為U1的交變電流時，c、d間的輸出電壓為U2。在將滑動觸頭從M點順時針旋轉到N點的過程中(　　) A．U2＞U1，U2降低　　　　B．U2＞U1，U2升高 C．U2＜U1，U2降低 D．U2＜U1，U2升高 [解析]　a、b間原線圈的匝數(shù)大于c、d間副線圈的匝數(shù)，在滑動觸頭由M點移動到N點的過程中，副線圈的匝數(shù)減小，由變壓器工作原理＝知，U2＜U1，且U2降低，選項C正確。 [答案]　C 類型2　多副線圈的變壓器　 [例2]　如圖所示，理想變壓器有兩個副線圈，匝數(shù)分別為n1和n2，所接負載4R1＝R2，當只閉合S1時，電流表示數(shù)為1 A，當S1和S2都閉合時，電流表示數(shù)為2 A，則n1∶n2為(　　) A．1∶1 B．1∶2 C．1∶3 D．1∶4 [解析]　變壓器原、副線圈的磁通量變化率相同，所以U∶U1∶U2＝n∶n1∶n2，根據(jù)能量守恒，輸出功率等于輸入功率，所以當只閉合S1時，UI＝，當S1和S2都閉合時，UI′＝＋＝，代入數(shù)據(jù)I＝1 A、I′＝2 A可得U22＝4U12，即U1∶U2＝1∶2，所以n1∶n2＝1∶2，選項B對。 [答案]　B 對于副線圈有兩個及以上的理想變壓器，電壓與匝數(shù)成正比是成立的，而電流與匝數(shù)成反比的規(guī)律不成立。但在任何情況下，電流關系都可以根據(jù)原線圈的輸入功率等于所有副線圈的輸出功率之和進行求解?！　? 類型3　電壓互感器和電流互感器　 [例3]　(2019合肥一中等六校聯(lián)考)如圖所示，L1和L2是不計電阻的輸電線，甲是電壓互感器，乙是電流互感器。若已知甲的變壓比為500∶1，乙的變流比為200∶1，并且已知加在電壓表兩端的電壓為220 V，通過電流表的電流為5 A，則輸電線的輸送功率為(　　) A．1.1108 W B．1.1106 W C．1.1104 W D．1.1102 W [解析]　已知變壓比為500∶1，電壓表示數(shù)為220 V，故傳輸電壓為：U＝220500 V＝1.1105 V；已知變流比為200∶1，電流表示數(shù)為5 A，故傳輸電流為：I＝5200 A＝1 000 A；故輸送功率為：P＝UI＝1.1105 V1 000 A＝1.1108 W，故選項A正確。 [答案]　A 考點三　遠距離輸電問題 1．一條線路 2．兩處關系 升壓變壓器T1兩端 降壓變壓器T2兩端 ＝，＝，P1＝P2 ＝，＝，P3＝P4 3.兩種損耗 (1)電壓損耗：輸電線路上I2＝IR＝I3，總電阻R導致的電壓損耗UR＝U2－U3＝IRR。 (2)功率損耗：輸電線路發(fā)熱導致的功率損耗PR＝P2－P3＝IR2R＝，注意PR≠。 [典例]　如圖所示，甲是遠距離輸電線路的示意圖，乙是發(fā)電機輸出電壓隨時間變化的圖像，則(　　) A．用戶用電器上交流電的頻率是100 Hz B．發(fā)電機輸出交流電的電壓有效值是500 V C．輸電線的電流只由降壓變壓器原、副線圈的匝數(shù)比決定 D．當用戶用電器的總電阻增大時，輸電線上損失的功率減小 [解析]　由ut圖像可知，交流電的周期T＝0.02 s，故頻率f＝＝50 Hz，選項A錯誤；交流電的最大值Um＝500 V，故有效值U＝＝250 V，選項B錯誤；輸電線上的電流還受降壓變壓器副線圈上的電阻的影響，選項C錯誤；當用戶用電器的總電阻增大時，降壓變壓器副線圈上的電流減小，根據(jù)＝，降壓變壓器原線圈(輸電線)上的電流減小，根據(jù)P＝I12R，得輸電線損失的功率減小，選項D正確。 [答案]　D 輸電線上損失的功率必須與輸電線上的電流和電壓相對應，即PR＝IR2R＝＝URIR，不要把輸電線上的輸電電壓U和輸電導線上損失的電壓UR相混淆?！　? [集訓沖關] 1．在電能輸送過程中，若輸送的電功率一定、輸電線電阻一定，則在輸電線上損失的功率(　　) A．與輸電線上電壓的二次方成正比 B．與輸送電流的二次方成反比 C．與輸電線上損失的電壓的二次方成正比 D．與輸送電流成正比 解析：選C　輸電線上的功率損失ΔP＝I線2R線，電壓損失ΔU＝U－U′＝I線R線，輸電電流I線＝，所以ΔP＝I線2R線＝＝2R線，可知在輸送功率一定和輸電線電阻一定時，ΔP與I線2成正比，與ΔU2成正比，與U2成反比，C正確。 2．(多選)如圖為遠距離輸電示意圖，發(fā)電機的輸出電壓和輸電線的電阻、理想變壓器匝數(shù)均不變，且n1∶n2＝n4∶n3。當用戶用電器的總電阻減小時(　　) A．U1∶U2＝U4∶U3 B．用戶的電壓U4增大 C．輸電線上損失功率增大 D．用戶消耗的功率等于發(fā)電機的輸出功率 解析：選AC　根據(jù)＝，＝，以及n1∶n2＝n4∶n3，知U1∶U2＝U4∶U3，故A正確；當用戶用電器總電阻減小時，則電流增大，所以輸電線上的電流增大，根據(jù)P損＝I2R知，輸電線上損耗的功率增大，根據(jù)ΔU＝IR知，輸電線上的電壓損失變大，發(fā)電機的輸出電壓不變，則升壓變壓器的輸出電壓不變，降壓變壓器的輸入電壓變小，用戶的電壓U4減小，故C正確，B錯誤；用戶消耗的功率等于發(fā)電機的輸出功率與輸電線上損失的功率之差，故D錯誤。 3．如圖為遠距離輸電示意圖，兩變壓器均為理想變壓器，升壓變壓器T的原、副線圈匝數(shù)分別為n1、n2，在T的原線圈兩端接入一電壓u＝Umsin ωt的交流電源，若輸送電功率為P，輸電線的總電阻為2r，不考慮其他因素的影響，則輸電線上損失的電功率為(　　) A．　　　　　　　 B． C．422r D．422r 解析：選C　升壓變壓器T的原線圈兩端電壓的有效值為U1＝；由變壓關系可得＝，則U2＝；因為輸送電功率為P，輸電線中的電流為I2＝＝，則輸電線上損失的電功率為ΔP＝I222r＝，故選項C正確。