高考物理一輪復(fù)習(xí) 專題45 理想變壓器遠(yuǎn)距離輸電（講）（含解析）1

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專題45 理想變壓器遠(yuǎn)距離輸電（講） 1．交變電流的產(chǎn)生及其各物理量的變化規(guī)律，應(yīng)用交流電的圖象解決問(wèn)題． 2．利用有效值的定義，對(duì)交變電流的有效值進(jìn)行計(jì)算． 3．理想變壓器原、副線圈中電流、電壓、功率之間的關(guān)系應(yīng)用，變壓器動(dòng)態(tài)變化的分析方法． 4．遠(yuǎn)距離輸電的原理和相關(guān)計(jì)算． 5．傳感器的簡(jiǎn)單使用，能夠解決與科技、社會(huì)緊密結(jié)合的問(wèn)題． 6．高考對(duì)本章知識(shí)的考查主要體現(xiàn)在“三突出”：①突出考查交變電流的產(chǎn)生過(guò)程；②突出考查交變電流的圖象和交變電流的四值；③突出考查變壓器，對(duì)變壓器的原理理解的同時(shí)，還要掌握變壓器的靜態(tài)計(jì)算和動(dòng)態(tài)分析，遠(yuǎn)距離輸電也要重視。對(duì)本專題知識(shí)點(diǎn)高考每年必考．命題頻率較高的知識(shí)點(diǎn) 有交變電流的變化規(guī)律（包括圖象）、最大值與有效值等，以選擇題的形式出現(xiàn)。變壓器的原理，電壓比、電流比及功率關(guān)系是考查的重點(diǎn)；將本章知識(shí)與電磁感應(yīng)等結(jié)合的力、電綜合題，或考查與本章知識(shí)有關(guān)的實(shí)際應(yīng)用。 1．理解變壓器的原理，會(huì)用功率關(guān)系、電壓比、電流比進(jìn)行有關(guān)的計(jì)算． 2．能夠?qū)ψ儔浩鬟M(jìn)行動(dòng)態(tài)分析． 3．會(huì)分析計(jì)算遠(yuǎn)距離輸電問(wèn)題． 一、理想變壓器 1．工作原理 互感現(xiàn)象． 2．基本關(guān)系式 （1）功率關(guān)系：P入＝P出． （2）電壓關(guān)系：只有一個(gè)副線圈時(shí)，；有多個(gè)副線圈時(shí)，＝…． （3）電流關(guān)系：只有一個(gè)副線圈時(shí)，． 由P入＝P出及P＝UI推出有多個(gè)副線圈時(shí)，U1I1＝U2I2＋U3I3＋…． 3．幾種常用的變壓器 （1）自耦變壓器——調(diào)壓變壓器． （2）互感器 4．理想變壓器的理解 （1）沒(méi)有能量損失； （2）沒(méi)有磁通量損失． 二、遠(yuǎn)距離輸電 1．輸電過(guò)程（如圖所示） 2．輸送電流 （1）I＝；（2）I＝． 3．輸電導(dǎo)線上的能量損失：主要是由輸電線的電阻發(fā)熱產(chǎn)生的，表達(dá)式為Q＝I2Rt． 4．電壓損失 （1）ΔU＝U－U′；（2）ΔU＝IR． 5．功率損失 （1）ΔP＝P－P′；（2）ΔP＝I2R＝（）2R 6．降低輸電損耗的兩個(gè)途徑 （1）減小輸電線的電阻，由電阻定律R＝ρ可知，在輸電距離一定的情況下，為了減小電阻，應(yīng)采用電阻率小的材料，也可以增加導(dǎo)線的橫截面積． （2）減小輸電導(dǎo)線中的輸電電流，由P＝UI可知，當(dāng)輸送功率一定時(shí)，提高輸電電壓，可以減小輸電電流． 考點(diǎn)一　理想變壓器原、副線圈基本關(guān)系的應(yīng)用 1．基本關(guān)系 （1）P入＝P出； （2），有多個(gè)副線圈時(shí)，仍然成立． （3），電流與匝數(shù)成反比，只對(duì)一個(gè)副線圈的變壓器適用．有多個(gè)副線圈時(shí)，由輸入功率和輸出功率相等確定電流關(guān)系． （4）原、副線圈的每一匝的磁通量都相同，磁通量變化率也相同，頻率也就相同． 2．制約關(guān)系 （1）電壓：副線圈電壓U2由原線圈電壓U1和匝數(shù)比決定． （2）功率：原線圈的輸入功率P1由副線圈的輸出功率P2決定． （3）電流：原線圈電流I1由副線圈電流I2和匝數(shù)比決定． 3．兩種特殊的變壓器模型 （1）自耦變壓器 高中物理中研究的變壓器本身就是一種忽略了能量損失的理想模型，自耦變壓器（又稱調(diào)壓器），它只有一個(gè)線圈，其中的一部分作為另一個(gè)線圈，當(dāng)交流電源接不同的端點(diǎn)時(shí)，它可以升壓也可以降壓，變壓器的基本關(guān)系對(duì)自耦變壓器均適用． （2）互感器 分為：電壓互感器和電流互感器，比較如下： 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)在待測(cè)高流電路中 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? 將大電流變成小電流 利用的公式 I1n1＝I2n2 ★重點(diǎn)歸納★ 1、關(guān)于理想變壓器的四點(diǎn)說(shuō)明 ?。?）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． 2．解決變壓器問(wèn)題的三種思路 （1）電壓：變壓器原、副線圈的電壓之比為；當(dāng)變壓器有多個(gè)副線圈時(shí)，＝…． （2）功率：理想變壓器的輸入、輸出功率為P入＝P出，當(dāng)變壓器有多個(gè)副線圈時(shí)，P1＝P2＋P3＋…． （3）電流：由知，對(duì)只有一個(gè)副線圈的變壓器有，當(dāng)變壓器有多個(gè)副線圈時(shí)有n1I1＝n2I2＋n3I3＋…． ★典型案例★（多選）如圖所示，發(fā)電機(jī)中線圈的匝數(shù)為N，線圈的面積為S，線圈做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的角速度為，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，電流表和電壓表為理想電表，定值電阻的阻值為R，當(dāng)P在圖示位置時(shí)，變壓器的匝數(shù)比為，一開(kāi)始線圈與磁場(chǎng)垂直，下列判斷正確的是： （ ） A．電壓表的讀數(shù)為2NBS B．電流表的讀數(shù)為 C．線圈由圖示位置旋轉(zhuǎn)四分之一周，通過(guò)電流表的電荷量為 D．P向上移動(dòng)時(shí)，電壓表的示數(shù)表小，電流表示數(shù)變大 【答案】BC 匝數(shù)與電流反比，電流表的示數(shù)為：，故B正確；交流發(fā)電機(jī)內(nèi)電阻不計(jì)，故變壓器輸入電壓不變，根據(jù)理想變壓器的變壓比公式：，當(dāng)P位置向上移動(dòng)，輸出電壓變小，故電流變小，功率變小，故輸入電流也變小，故電流表讀數(shù)變小，矩形線圈從圖示位置經(jīng)過(guò)時(shí)間時(shí)為，故通過(guò)電流表的電荷量為：，故D錯(cuò)誤C正確。 【名師點(diǎn)睛】對(duì)于變壓器需要掌握公式、，以及知道副線圈的電流以及功率決定了原線圈中的電流和功率，理想變壓器是理想化模型，一是不計(jì)線圈內(nèi)阻；二是沒(méi)有出現(xiàn)漏磁現(xiàn)象．同時(shí)當(dāng)電路中有變壓器時(shí)，只要將變壓器的有效值求出，則就相當(dāng)于一個(gè)新的恒定電源，其值就是剛才的有效值 ★針對(duì)練習(xí)1★如圖所示，面積為，內(nèi)阻不計(jì)的100匝矩形線圈ABCD，繞垂直于磁場(chǎng)的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為。矩形線圈通過(guò)滑環(huán)與理想變壓器相連，觸頭P可移動(dòng)，副線圈所接電阻，電表均為理想交流電表，當(dāng)線圈平面與磁場(chǎng)方向平行時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，下列說(shuō)法正確的是： （ ） A．線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式為 B．P上移時(shí)，電流表示數(shù)減小 C．時(shí)刻，電壓表示數(shù)為 D．當(dāng)原副線圈匝數(shù)比為時(shí)，電阻上消耗的功率為 【答案】D 【名師點(diǎn)睛】根據(jù)線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，結(jié)合開(kāi)始計(jì)時(shí)位置，即可確定瞬時(shí)表達(dá)式，再由電壓與匝數(shù)成正比，電流與匝數(shù)成反比，變壓器的輸入功率和輸出功率相等，并知道電表是交流電的有效值，逐項(xiàng)分析即可得出結(jié)論。 ★針對(duì)練習(xí)2★如圖所示，甲、乙兩個(gè)交流電路中，電源的電壓、輸出電流均相等。若理想變壓器原、副線圈的匝數(shù)為、，則負(fù)載電阻與的比值為： （ ） A． B． C． D． 【答案】C 【名師點(diǎn)睛】本題主要考查了變壓器電壓與匝數(shù)的關(guān)系以及功率公式的直接應(yīng)用，難度不大，屬于基礎(chǔ)題。 考點(diǎn)二　理想變壓器的動(dòng)態(tài)分析 解決理想變壓器中有關(guān)物理量的動(dòng)態(tài)分析問(wèn)題的方法 （1）分清不變量和變量，弄清理想變壓器中電壓、電流、功率之間的聯(lián)系和相互制約關(guān)系，利用閉合電路歐姆定律，串、并聯(lián)電路特點(diǎn)進(jìn)行分析判定． （2）分析該類問(wèn)題的一般思維流程是： ★重點(diǎn)歸納★ 常見(jiàn)的理想變壓器的動(dòng)態(tài)分析問(wèn)題一般有兩種：匝數(shù)比不變的情況和負(fù)載電阻不變的情況． （1）匝數(shù)比不變的情況 ①U1不變，根據(jù)，輸入電壓U1決定輸出電壓U2，不論負(fù)載電阻R如何變化，U2也不變． ②當(dāng)負(fù)載電阻發(fā)生變化時(shí)，I2變化，輸出電流I2決定輸入電流I1，故I1發(fā)生變化． ③I2變化引起P2變化，由P1＝P2知P1發(fā)生變化． （2）負(fù)載電阻不變的情況 ①U1不變，發(fā)生變化，U2變化． ②R不變，U2變化，I2發(fā)生變化． ③根據(jù)和P1＝P2，可以判斷P2變化時(shí)，P1發(fā)生變化，U1不變時(shí)，I1發(fā)生變化． ★典型案例★ 如圖所示電路，一理想變壓器的原線圈ab間接交流電源，R0為定值電阻，R為滑動(dòng)變阻器，副線圈匝數(shù)n2可調(diào)節(jié)，L為燈泡，則： （ ） A．保持P位置不變，將R的滑片向下滑稍許，變壓器的輸入功率變小 B．保持P位置不變，將R的滑片向下滑稍許，燈泡L的亮度變亮 C．保持R的滑片位置不變，將P向下移動(dòng)少許，變壓器的輸入功率變小 D．保持R的滑片位置不變，將P向下移動(dòng)少許，燈泡L的亮度變亮 【答案】D 【名師點(diǎn)睛】本題考查變壓器的兩類動(dòng)態(tài)分析問(wèn)題（變?cè)褦?shù)、變負(fù)載電阻），其解決方法與閉合電路歐姆定律相同，利用“局部-整體-局部”的分析思路進(jìn)行分析即可求解。 ★針對(duì)練習(xí)1★（多選）下圖是一種理想自耦變壓器示意圖，線圈繞在一個(gè)圓環(huán)形的鐵芯上，P是可移動(dòng)的滑動(dòng)觸頭．A、B間接交流電壓U，輸出端連接了兩個(gè)相同的燈泡L1和L2，Q為滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)觸頭。當(dāng)開(kāi)關(guān)S閉合，P處于如圖所在的位置時(shí)，兩燈均能發(fā)光．下列說(shuō)法正確的是： （ ） A．將P沿逆時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)，兩燈均變亮 B．P不動(dòng)，將Q向左移動(dòng)，兩燈均變亮 C．P不動(dòng)，將Q向右移動(dòng)，輸入功率變大 D．?dāng)嚅_(kāi)開(kāi)關(guān)S，L1將變暗 【答案】AB 【名師點(diǎn)睛】本題要求知道自耦變壓器的原理，結(jié)合變壓器的特點(diǎn)和歐姆定律去分析。將P沿逆時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)時(shí)，變壓器的原線圈的匝數(shù)不變，副線圈的匝數(shù)增多；保持P的位置不動(dòng)，即是保持變壓器的原、副線圈的匝數(shù)比不變，副線圈兩端的電壓不變；斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S，相當(dāng)于L1處電阻增大。 ★針對(duì)練習(xí)2★如圖所示，為理想變壓器原線圈，其接入電路的匝數(shù)隨著滑動(dòng)接觸點(diǎn)P的上下移動(dòng)而變化，原線圈接在正弦式交流電源上，副線圈接有滑動(dòng)變阻器，下列說(shuō)法正確的是： （ ） A．輸入電壓稍減小時(shí)，可以使P上滑，保持滑動(dòng)變阻器功率不變 B．輸入電壓稍增大時(shí)，可以使Q上滑，保持滑動(dòng)變阻器功率不變 C．保持輸入電壓及P位置不變，Q上滑，原線圈電流增大 D．保持輸入電壓及Q位置不變，P上滑，原線圈電流增大 【答案】C 【解析】根據(jù)公式：，則副線圈電壓：，當(dāng)減小，增大時(shí)導(dǎo)致副線圈電壓減小，則滑動(dòng)變阻器的功率：減小，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤；當(dāng)增大，線圈匝數(shù)不變，則增大，當(dāng)Q上移，則接入電路的電阻減小，故則滑動(dòng)變阻器的功率：增大，故選項(xiàng)B錯(cuò)誤；保持輸入電壓及P位置不變，則原、副線圈的電壓不變，Q上滑，則接入電路的電阻減小，則副線圈的電流增大，根據(jù)公式，可知原線圈電流增大，故選項(xiàng)C正確；保持輸入電壓及Q位置不變，P上滑，則原線圈匝數(shù)增加，則減小，故副線圈電流減小，則原線圈電流減小，故選項(xiàng)D錯(cuò)誤。 【名師點(diǎn)睛】根據(jù)電壓與匝數(shù)成正比，電流與匝數(shù)成反比，變壓器的輸入功率和輸出功率相等，逐項(xiàng)分析即可得出結(jié)論。 考點(diǎn)三　遠(yuǎn)距離輸電問(wèn)題 1．遠(yuǎn)距離輸電的處理思路 對(duì)高壓輸電問(wèn)題，應(yīng)按“發(fā)電機(jī)→升壓變壓器→遠(yuǎn)距離輸電線→降壓變壓器→用電器”，或按從“用電器”倒推到“發(fā)電機(jī)”的順序一步一步進(jìn)行分析． 2．遠(yuǎn)距離高壓輸電的幾個(gè)基本關(guān)系（以圖9為例） （1）功率關(guān)系：P1＝P2，P3＝P4，P2＝P損＋P3． （2）電壓、電流關(guān)系：，，U2＝ΔU＋U3，I2＝I3＝I線． （3）輸電電流：． （4）輸電線上損耗的電功率：P損＝I線ΔU＝IR線＝R線． 當(dāng)輸送功率一定時(shí)，輸電電壓增大到原來(lái)的n倍，輸電線上損耗的功率就減小到原來(lái)的 ★重點(diǎn)歸納★ 遠(yuǎn)距離輸電問(wèn)題的“三二一” （1）理清三個(gè)回路 （2）抓住兩個(gè)聯(lián)系 ①理想的升壓變壓器聯(lián)系了回路1和回路2，由變壓器原理可得：線圈1（匝數(shù)為n1）和線圈2（匝數(shù)為n2）中各個(gè)量間的關(guān)系是，，P1＝P2． ②理想的降壓變壓器聯(lián)系了回路2和回路3，由變壓器原理可得：線圈3（匝數(shù)為n3）和線圈4（匝數(shù)為n4）中各個(gè)量間的關(guān)系是，，P3＝P4． （3）掌握一個(gè)守恒：能量守恒關(guān)系式P1＝P損＋P3 ★典型案例★夏季來(lái)臨，空調(diào)、冷風(fēng)機(jī)等大功率電器使用增多，用戶消耗的功率增大。如圖所示，發(fā)電機(jī)的輸出電壓U1和輸電線的電阻r均不變、變壓器均為理想變壓器，則下列說(shuō)法中正確的： （ ） A．變壓器的輸出電壓U2增大，且U2＞U1 B．變壓器的輸出電壓U4增大，且U4＜U3 C．輸電線損耗的功率占發(fā)電機(jī)輸出功率的比例增大 D．輸電線損耗的功率減小 【答案】C 【名師點(diǎn)睛】正確解答本題需要掌握：理想變壓器的輸入功率由輸出功率決定，輸出電壓由輸入電壓決定；明確遠(yuǎn)距離輸電過(guò)程中的功率、電壓的損失與哪些因素有關(guān)，明確整個(gè)過(guò)程中的功率、電壓關(guān)系．理想變壓器電壓和匝數(shù)關(guān)系。 ★針對(duì)練習(xí)1★（多選）如圖所示是發(fā)電廠通過(guò)升壓變壓器進(jìn)行高壓輸電，接近用戶端時(shí)再通過(guò)降壓變壓器降壓給用戶供電的示意圖（圖中變壓器均可視為理想變壓器，圖中電表均為理想交流電表）。設(shè)發(fā)電廠輸出的電壓一定，兩條輸電線總電阻用R0表示，變阻器R相當(dāng)于用戶用電器的總電阻。當(dāng)用電器增加時(shí)，相當(dāng)于R變小，則當(dāng)用電進(jìn)入高峰時(shí)： （ ） A．電壓表V1、V2的讀數(shù)均不變，電流表A1、A2的讀數(shù)均增大 B．電壓表V3、V4的讀數(shù)均減小，電流表A3的讀數(shù)也減小 C．電流表V2、V3的讀數(shù)之差與電流表A2 的讀數(shù)的比值不變 D．發(fā)電廠的輸出功率增大 【答案】ACD 【名師點(diǎn)睛】此題是遠(yuǎn)距離輸電電路的動(dòng)態(tài)分析；根據(jù)表達(dá)式知道電壓和頻率，與閉合電路中的動(dòng)態(tài)分析類似，可以根據(jù)R的變化，確定出總電路的電阻的變化，進(jìn)而可以確定總電路的電流的變化的情況，再根據(jù)電壓不變，來(lái)分析其他的元件的電流和電壓的變化的情況。 ★針對(duì)練習(xí)2★（多選）如圖所示，（a）是遠(yuǎn)距離輸電線路的示意圖．（b）是用戶得到的電壓隨時(shí)間變化的圖象已知降壓變壓器的匝數(shù)比為10：1．不考慮降壓變壓器與用戶間導(dǎo)線的電阻．則： （ ） A．發(fā)電機(jī)輸出交流電的頻率是50Hz B．升壓變壓器的輸出電壓為2200 V C．輔電繞的電流只由降壓變壓器原副線圈的匝數(shù)比決定 D．當(dāng)用戶用電器的總電阻增大時(shí)，輸電線上損失的功率減小 【答案】AD 【解析】變壓器不會(huì)改變交流電的頻率，有圖b可知周期為T=0．02s，故頻率為，故A正確；在降壓變壓器中，根據(jù)可得U3=2200V，有與輸電線路上有電阻，故損失一部分電壓，故升壓變壓器輸送的電壓大于2200V，故B錯(cuò)誤；輸電線的電流由輸送的功率與電壓決定的，與降壓變壓器原副線圈的匝數(shù)比無(wú)關(guān)，故C錯(cuò)誤；當(dāng)用戶用電器的總電阻增大時(shí)，用戶的功率減小，降壓變壓器的輸出功率減小，則輸入的功率減小，輸入的電流減小，輸電線上損失的功率減小，故D正確；故選AD。 【名師點(diǎn)睛】本題考查了有關(guān)交流電描述的基礎(chǔ)知識(shí)，要根據(jù)交流電圖象正確求解最大值、有效值、周期、頻率、角速度等物理量，同時(shí)要能正確書寫交流電的表達(dá)式．；電路的動(dòng)態(tài)分析中，基本與直流電路的動(dòng)態(tài)分析方法一致。