物理浙江专版人教版选修32讲义第五章 第4节 变压器.docx

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物理浙江专版人教版选修32讲义第五章第4节变压器

第4节变__压__器

变压器的原理　电压与匝数的关系

[探新知·基础练]

1．变压器

（1）构造：

由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成。

①原线圈：

与交流电源连接的线圈；

②副线圈：

与负载连接的线圈。

（2）变压器的工作原理：

变压器工作的基础是互感现象，电流通过原线圈时在铁芯中激发的磁场不仅穿过原线圈，也同时穿过副线圈，由于电流的大小、方向在不断变化，铁芯中的磁场也在不断变化，变化的磁场在副线圈中产生感应电动势。

（3）作用：

改变交变电流的电压，不改变交变电流的周期和频率。

（4）原、副线圈的作用

①原线圈在其所处回路中充当负载；

②副线圈在其所处回路中充当电源。

2．电压与匝数的关系

（1）理想变压器：

没有能量损失的变压器。

（2）电压与匝数的关系：

理想变压器原、副线圈的电压之比，等于两个线圈的匝数之比，即：

＝。

（3）两类变压器：

副线圈的电压比原线圈电压低的变压器叫降压变压器；副线圈的电压比原线圈电压高的变压器叫升压变压器。

[辨是非]（对的划“√”，错的划“×”）

1．变压器只能改变交变电流的电压，不能改变直流电的电压。

（　　）

2．实际生活中，不存在原线圈与副线圈匝数相等的变压器。

（　　）

3．理想变压器可以改变交变电流的频率。

（　　）

4．电流通过铁芯从原线圈流到副线圈。

（　　）

答案：

1.√　2.√　3.×　4.×

[释疑难·对点练]

1．理想变压器的特点

（1）变压器铁芯内无漏磁。

（2）原、副线圈不计内阻，即不产生焦耳热。

2．电动势关系

由于互感现象，且没有漏磁，原、副线圈中每一匝线圈都具有相同的，根据法拉第电磁感应定律有E1＝n1，E2＝n2，所以＝。

3．电压关系

由于不计原、副线圈的电阻，因此原线圈两端的电压U1＝E1，副线圈两端的电压U2＝E2，所以＝。

4．探究理想变压器电压与匝数的关系过程

（1）多用电表交流电压挡量程选择及读数：

要先估计被测电压的大致范围，再选择恰当的量程，若不知道被测电压的大致范围，则应选择交流电的最大量程进行测量。

（2）可拆变压器的组装：

把两个线圈穿在铁芯上，闭合铁芯。

（3）设计实验数据记录表：

n1

n2

n3

n4

1

2

3

（4）输入、输出端电压的测量：

用交流电压表测量输入、输出电压。

（5）改变输入端电压，重新测量输入、输出端电压：

改变输入电压，输出电压也随之改变，但是两者的比值不变。

（6）对调原、副线圈，重新测量输入、输出端电压：

对调原、副线圈后，输出端电压发生变化，两者的比值为对调前的倒数。

（7）改变线圈匝数，重新测量输入、输出端电压：

改变线圈匝数后，输出电压随之变化，输入、输出电压的比值也随之变化。

（8）实验结果分析及结论得出：

在误差允许的范围内，变压器线圈两端的电压与匝数成正比，数学表达式为：

＝。

[试身手]

1．理想变压器原、副线圈匝数比为10∶1，下列说法中正确的是（　　）

A．穿过原、副线圈每一匝磁通量之比是10∶1

B．穿过原、副线圈每一匝磁通量的变化率相等，但穿过每匝线圈的磁通量并不相等

C．原、副线圈每一匝产生的电动势瞬时值之比为10∶1

D．正常工作时，原、副线圈的输入、输出功率之比为1∶1

解析：

选D　对理想变压器，无磁通量损失，因而穿过两个线圈的磁通量相同，磁通量变化率相同，因而每匝线圈产生的感应电动势相等，才导致电压与匝数成正比，选项A、B、C错误；理想变压器可以忽略各种损耗，故输入功率等于输出功率，选项D正确。

理想变压器中的功率关系及电流关系

[探新知·基础练]

1．理想变压器的特点

（1）变压器铁芯内无漏磁；无发热损失。

（2）原、副线圈不计内阻，即无能量损失。

实际变压器（特别是大型变压器）一般可以看成理想变压器。

2．功率关系

P入＝P出。

3．电流关系

由I1U1＝I2U2，可得＝。

[辨是非]（对的划“√”，错的划“×”）

1．在理想变压器中原、副线圈的磁通量的变化率是一致的。

（　　）

2．理想变压器能提高功率。

（　　）

3．利用理想变压器可以提高电流。

（　　）

答案：

1.√　2.×　3.√

[释疑难·对点练]

1．变压器的变压原理：

当原线圈加上交流电压U1时，原线圈中就有交变电流，它在铁芯中产生变化的磁通量，在原、副线圈中都要产生感应电动势。

如果副线圈是闭合的，则副线圈中将产生交变的感应电流，它也在铁芯中产生变化的磁通量，原、副线圈间虽然不相连，电能却可以通过磁场从原线圈传递到副线圈。

2．能量转化：

变压器通过闭合铁芯，利用互感现象实现了电能向磁场能再到电能的转化。

3．根据理想变压器输入功率等于输出功率，即I1U1＝I2U2，可得＝，即通过原、副线圈的电流与原、副线圈的匝数成反比。

4．由功率关系，当只有一个副线圈时，I1U1＝I2U2，得＝＝，当有多个副线圈时，I1U1＝I2U2＋I3U3＋…，得I1n1＝I2n2＋I3n3＋…。

[试身手]

2．如图所示，一理想变压器原、副线圈的匝数比为1∶2，副线圈电路中接有灯泡，灯泡的额定电压为220V，额定功率为22W，原线圈电路中接有电压表和电流表。

现闭合开关，灯泡正常发光。

若用U和I分别表示此时电压表和电流表的读数，则（　　）

A．U＝110V，I＝0.2A

B．U＝110V，I＝0.05A

C．U＝110V,I＝0.2A

D．U＝110V，I＝0.2A

解析：

选A　在副线圈电路中，I2＝＝0.1A，再根据＝，及＝，得U1＝110V，I1＝0.2A，故B、C、D错，A正确。

变压器工作时的制约关系及动态分析

[探新知·基础练]

1．电压制约

当变压器原、副线圈的匝数之比一定时，输出电压U2由输入电压决定，即U2＝。

2．电流制约

当变压器原、副线圈的匝数之比一定，且输入电压U1确定时，原线圈中的电流I1由副线圈中的输出电流I2决定，即I1＝。

3．负载制约

（1）变压器副线圈中的功率P2由用户负载决定，P2＝P负1＋P负2＋…。

（2）变压器副线圈中的电流I2由用户负载及电压U2确定，I2＝。

（3）总功率P入＝P线＋P2，即变压器的输入功率是由输出功率决定的。

[辨是非]（对的划“√”，错的划“×”）

1．对于理想变压器，无论有几个副线圈，输入功率和输出功率总是相等。

（　　）

2．理想变压器的输出功率决定输入功率，即输出端需要多大的功率，输入端就可提供多大的功率。

（　　）

3．对于理想变压器，＝的成立是需要条件的。

（　　）

4．负载变化时，可能引起原线圈电压的变化。

（　　）

答案：

1.√　2.√　3.√　4.×

[释疑难·对点练]

含有变压器的动态电路的分析方法

变压器的动态电路分析：

一是要符合变压器的基本规律（电压、电流、功率关系）；二是要遵循欧姆定律。

首先确定是哪些量在变，哪些量不变，然后根据相应的规律判断，具体问题具体分析。

（1）原、副线圈匝数比不变，分析原、副线圈的电压U1、U2，电流I1、I2，输出和输入功率P2、P1随负载电阻变化而变化的情况。

将变压器接到交流电源上，原线圈的输入电压为U1，副线圈两端电压U2为定值，流过副线圈的电流I2随负载电阻的减小而增大，变压器输出功率P2（P2＝I2U2）也随着增大，不计变压器损失的能量，则变压器输入功率P1（P1＝P2）也增大，流过原线圈的电流I1也增大。

进行动态分析的顺序是U1→U2→I2→P2→P1→I1。

（2）负载不变，上述物理量随原线圈、副线圈匝数比的变化而变化的情况。

若原线圈输入电压U1和匝数n1不变，当副线圈匝数n2增大时，副线圈两端电压U2增大，流过副线圈的电流I2增大，变压器的输出功率P2（P2＝I2U2）增大，则理想变压器的输入功率P1增大，流过原线圈的电流I1增大。

[试身手]

3．用理想变压器给负载电阻R供电，变压器输入电压一定时，在下列四个办法中，哪种可以使变压器输出功率增加（　　）

A．增加变压器原线圈匝数，而副线圈匝数及负载电阻R保持不变

B．减小负载电阻的阻值，而变压器原、副线圈匝数不变

C．增加负载电阻的阻值，而变压器原、副线圈匝数不变

D．减小变压器副线圈匝数，而原线圈匝数和负载电阻保持不变

解析：

选B　由＝，当n1增加时，U2减小，P2＝，P2减小，A错误；U1、n1、n2不变，则U2不变，R减小时，P2＝，P2增大，B正确，C错误；当n1、U1不变，n2减小时，则U2减小，由P2＝（R不变），P2会减小，D错误。

理想变压器的原理及基本规律

1.理想变压器原理：

电磁感应原理

2．基本规律

一原一副，P入＝P出，＝，＝。

[典例1]　如图所示，理想变压器原、副线圈的匝数比n1∶n2＝4∶1，当导体棒在匀强磁场中向左做匀速直线运动切割磁感线时，电流表A1的示数为12mA，则电流表A2的示数为（　　）

A．3mA　　　　　B．0

C．48mAD．与负载R的值有关

[解析]　当导体棒做匀速直线运动切割磁感线时，在原线圈中产生恒定不变的电流，铁芯中产生的磁场是不变的，穿过副线圈的磁通量不变，不能在副线圈中产生感应电流，即A2的示数为0，B正确。

[答案]　B

[典例2]　一理想变压器原、副线圈匝数之比n1∶n2＝11∶5，原线圈与正弦交变电源连接，输入电压U如图所示。

副线圈仅接入一个10Ω的电阻，则（　　）

A．流过电阻的电流是20A

B．与电阻并联的电压表的示数是100V

C．经过1分钟电阻发出的热量是6×103J

D．变压器的输入功率是1×103W

[思路点拨]

[解析]　由电压的有效值和最大值的关系得U1＝＝220V。

根据理想变压器电压与匝数的关系＝，得U2＝U1＝×220V＝100V，故电压表的示数是100V，B错误；I2＝＝A＝10A，A错误；1分钟内电阻发出的热量Q＝I2Rt＝102×10×60J＝6×104J，C错误；变压器的输入功率等于输出功率，即P入＝P出＝U2I2＝100×10W＝1×103W，故D正确。

[答案]　D

对于理想变压器来说，变压公式和输入功率等于输出功率是普遍适用的规律，对于有几个副线圈的理想变压器，变流公式就不能使用了。

理想变压器的动态变化

[典例3]　如图所示，理想变压器的副线圈上通过输电线接有两个相同的灯泡L1和L2，输电线的等效电阻为R。

开始时，开关S断开。

当开关S接通时，以下说法中不正确的是（　　）

A．副线圈两端M、N的输出电压减小

B．副线圈输电线等效电阻R上的电压增大

C．通过灯泡L1的电流减小

D．原线圈中的电流增大

　[解析]　由于输入电压不变，所以当S接通时，理想变压器副线圈M、N两端输出电压不变。

并联灯泡L2，总电阻变小，由欧姆定律I2＝知，流过R的电流增大，电阻上的电压UR＝IR增大。

副线圈输出电流增大，根据输入功率等于输出功率I1U1＝I2U2得，I2增大，原线圈输入电流I1也增大。

UMN不变，UR变大，所以UL1变小，流过灯泡L1的电流减小。

综上所述，应选A。

[答案]　A

处理这类问题的关键是要分清变量与不变量，弄清理想变压器中各量间的联系和制约关系，在理想变压器中，U2由U1和匝数比决定；I2由U2和负载电阻决定，I1由I2和匝数比决定。

各种常见变压器

1.自耦变压器

图甲所示是自耦变压器的示意图。

这种变压器的特点是铁芯上只绕有一个线圈。

如果把整个线圈作原线圈，副线圈只取线圈的一部分，就可以降低电压；如果把线圈的一部分作原线圈，整个线圈作副线圈，就可以升高电压。

调压变压器就是一种自耦变压器，它的