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

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第70課時(shí)　變壓器、電能的輸送(重點(diǎn)突破課) [考點(diǎn)一　理想變壓器] 理想變壓器的構(gòu)造、原理的理解，各物理量之間的基本關(guān)系、制約關(guān)系，以及變壓器電路的動(dòng)態(tài)分析既是高考重點(diǎn)，也是學(xué)習(xí)難點(diǎn)。 1．構(gòu)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(yīng)、電磁感應(yīng)。 3．理想變壓器三個(gè)基本關(guān)系 電壓 電流 功率 關(guān)系式 ＝ n1I1＝n2I2 P入＝P出 依據(jù) E＝n U1I1＝U2I2 能量守恒 注意 電流關(guān)系式僅適用于一個(gè)副線圈的情況 [考法細(xì)研] 考法1　理想變壓器關(guān)系式的應(yīng)用　 [例1]　(2018天津高考) 教學(xué)用發(fā)電機(jī)能夠產(chǎn)生正弦式交變電流。利用該發(fā)電機(jī)(內(nèi)阻可忽略)通過(guò)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(jī)線圈的轉(zhuǎn)速變?yōu)樵瓉?lái)的，則(　　) 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(guò)R的交變電流頻率不變 [解析]　發(fā)電機(jī)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(jī)線圈的轉(zhuǎn)速n變?yōu)樵瓉?lái)的，根據(jù)＝，則電壓表V的讀數(shù)變?yōu)閁，通過(guò)R的電流變?yōu)樵瓉?lái)的，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(cuò)誤；交變電流的頻率f等于線圈的轉(zhuǎn)速n，故D錯(cuò)誤。 [答案]　B (1)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，電動(dòng)勢(shì)最大值發(fā)生變化，交變電流的頻率發(fā)生變化。 (2)當(dāng)R兩端的電壓變?yōu)樵瓉?lái)的時(shí)，R消耗的功率變?yōu)樵瓉?lái)的?！　? 考法2　理想變壓器的動(dòng)態(tài)分析　 [例2]　(2019三門(mén)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(guò)輸電線輸送給用戶(hù)(小燈泡等用電器)，R表示輸電線的電阻，則(　　) A．用電器增加時(shí)，變壓器輸出電壓增大 B．要提高用戶(hù)的電壓，滑動(dòng)觸頭P應(yīng)向上滑 C．用電器增加時(shí)，輸電線的熱損耗減小 D．用電器增加時(shí)，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(huì)影響輸出電壓，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；根據(jù)變壓器的變壓比可知輸出電壓U2＝U1，當(dāng)滑動(dòng)觸頭P向上滑時(shí)，n2增大，所以輸出電壓增大，用戶(hù)的電壓增大，選項(xiàng)B正確；由于用電器是并聯(lián)的，因此用電器增加時(shí)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(xiàng)C錯(cuò)誤；用電器增加時(shí)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(xiàng)D錯(cuò)誤。 [答案]　B [規(guī)律方法] 理想變壓器動(dòng)態(tài)變化問(wèn)題的分析方法 (1)分清不變量：①線圈匝數(shù)比；②負(fù)載電阻。 (2)弄清理想變壓器中的制約關(guān)系： [集訓(xùn)沖關(guān)] 1.(多選)(2019安慶檢測(cè))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(dāng)輸入電壓U為燈泡額定電壓的10倍時(shí)，兩燈泡均能正常發(fā)光。下列說(shuō)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(shí)a和b的電功率之比為9∶1 D．此時(shí)a和b的電功率之比為1∶9 解析：選AD　設(shè)燈泡的額定電壓為U0，輸入電壓為燈泡額定電壓的10倍時(shí)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(xiàng)A正確，B錯(cuò)誤；由9U0Ia＝U0Ib得，流過(guò)b燈泡的電流是流過(guò)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(xiàng)C錯(cuò)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(jì)。從某時(shí)刻開(kāi)始在原線圈兩端加上交變電壓，其瞬時(shí)值表達(dá)式為u1＝220sin 100πt V。下列說(shuō)法中正確的是(　　) A．t＝ s時(shí)，電壓表的示數(shù)為220 V B．t＝ s時(shí)，a、c兩點(diǎn)間電壓瞬時(shí)值為110 V C．滑動(dòng)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(kāi)關(guān)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(cè)量的是有效值即22 V，故A錯(cuò)誤；t＝ s 時(shí)，a、c兩點(diǎn)間電壓瞬時(shí)值為110 V，故B錯(cuò)誤；滑動(dòng)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(kāi)關(guān)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(cuò)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(guò)降壓給用戶(hù)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(fù)載變化時(shí)輸入電壓不會(huì)有大的波動(dòng)，可以認(rèn)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(dòng)變阻器R表示用戶(hù)用電器的總電阻。如果變壓器上的能量損失忽略不計(jì)，當(dāng)用戶(hù)的用電器增加時(shí)，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(cuò)誤；當(dāng)用電器增加時(shí)，相當(dāng)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(cuò)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(shí)，輸出功率變大，所以原線圈的輸入功率也變大，因?yàn)檩斎腚妷翰蛔?，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?yàn)殡妷罕鞻2的示數(shù)不變，所以電壓表V3的示數(shù)變小，D正確。 [考點(diǎn)二　三類(lèi)特殊的變壓器] 三類(lèi)特殊變壓器的結(jié)構(gòu)和工作情景復(fù)雜，成為變壓器問(wèn)題的難點(diǎn)，其中兩類(lèi)互感器結(jié)構(gòu)類(lèi)似，容易造成混淆。對(duì)此類(lèi)問(wèn)題，關(guān)鍵還是理解三類(lèi)特殊變壓器的工作原理，用好各物理量之間的基本關(guān)系。 1．自耦變壓器 自耦變壓器(又稱(chēng)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，如圖所示。當(dāng)交流電源接不同的端點(diǎn)時(shí)，它可以升壓(如圖甲)也可以降壓(如圖乙)，變壓器的基本關(guān)系對(duì)自耦變壓器均適用。 2．多副線圈的變壓器 分析具有兩個(gè)(或兩個(gè)以上)副線圈的變壓器問(wèn)題時(shí)，應(yīng)注意三個(gè)關(guān)系： (1)電壓關(guān)系：＝＝＝… (2)電流關(guān)系：n1I1＝n2I2＋n3I3＋… (3)功率關(guān)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(xì)研] 類(lèi)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(gè)線圈，將其接在a、b間作為原線圈。通過(guò)滑動(dòng)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(shí)，c、d間的輸出電壓為U2。在將滑動(dòng)觸頭從M點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到N點(diǎn)的過(guò)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(dòng)觸頭由M點(diǎn)移動(dòng)到N點(diǎn)的過(guò)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(xiàng)C正確。 [答案]　C 類(lèi)型2　多副線圈的變壓器　 [例2]　如圖所示，理想變壓器有兩個(gè)副線圈，匝數(shù)分別為n1和n2，所接負(fù)載4R1＝R2，當(dāng)只閉合S1時(shí)，電流表示數(shù)為1 A，當(dāng)S1和S2都閉合時(shí)，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(dāng)只閉合S1時(shí)，UI＝，當(dāng)S1和S2都閉合時(shí)，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(xiàng)B對(duì)。 [答案]　B 對(duì)于副線圈有兩個(gè)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(guān)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(jìn)行求解?！　? 類(lèi)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(jì)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(guò)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(xiàng)A正確。 [答案]　A 考點(diǎn)三　遠(yuǎn)距離輸電問(wèn)題 1．一條線路 2．兩處關(guān)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(dǎo)致的電壓損耗UR＝U2－U3＝IRR。 (2)功率損耗：輸電線路發(fā)熱導(dǎo)致的功率損耗PR＝P2－P3＝IR2R＝，注意PR≠。 [典例]　如圖所示，甲是遠(yuǎn)距離輸電線路的示意圖，乙是發(fā)電機(jī)輸出電壓隨時(shí)間變化的圖像，則(　　) A．用戶(hù)用電器上交流電的頻率是100 Hz B．發(fā)電機(jī)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(dāng)用戶(hù)用電器的總電阻增大時(shí)，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(xiàng)A錯(cuò)誤；交流電的最大值Um＝500 V，故有效值U＝＝250 V，選項(xiàng)B錯(cuò)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(xiàng)C錯(cuò)誤；當(dāng)用戶(hù)用電器的總電阻增大時(shí)，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(xiàng)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(duì)應(yīng)，即PR＝IR2R＝＝URIR，不要把輸電線上的輸電電壓U和輸電導(dǎo)線上損失的電壓UR相混淆?！　? [集訓(xùn)沖關(guān)] 1．在電能輸送過(guò)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(shí)，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(yuǎn)距離輸電示意圖，發(fā)電機(jī)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(dāng)用戶(hù)用電器的總電阻減小時(shí)(　　) A．U1∶U2＝U4∶U3 B．用戶(hù)的電壓U4增大 C．輸電線上損失功率增大 D．用戶(hù)消耗的功率等于發(fā)電機(jī)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(dāng)用戶(hù)用電器總電阻減小時(shí)，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(jī)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(hù)的電壓U4減小，故C正確，B錯(cuò)誤；用戶(hù)消耗的功率等于發(fā)電機(jī)的輸出功率與輸電線上損失的功率之差，故D錯(cuò)誤。 3．如圖為遠(yuǎn)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(guān)系可得＝，則U2＝；因?yàn)檩斔碗姽β蕿镻，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(xiàng)C正確。