精选沪科版高中物理选修32第3章第2节《变压器为什么能改变电压 电能的开发与利用》word学案物理.docx

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精选沪科版高中物理选修32第3章第2节《变压器为什么能改变电压电能的开发与利用》word学案物理

学案2　变压器为什么能改变电压　电能的开发与利用

[学习目标定位]1.了解变压器的构造及几种常见的变压器，理解变压器的工作原理.2.掌握理想变压器的电压与匝数的关系并能用它解决相关问题.3.掌握理想变压器的功率关系，并能推导出原、副线圈的电流关系.4.了解我国电能开发与利用的现状及前景．

1．当一个线圈中的电流变化时，在另一个线圈中产生感应电动势的现象，称为互感．利用互感现象，可以把能量从一个线圈传递到另一个线圈．

2．电流在一段电路上做功的功率P等于电流I与这段电路两端的电压U的乘积，即P＝UI.

一、变压器

1．变压器主要由铁心和绕在铁心上的线圈两部分组成．接电源的线圈叫原线圈（或初级线圈），接负载的线圈叫副线圈（或次级线圈）．

2．变压器工作的基本原理是电磁感应．

二、探究变压器原、副线圈电压、电流与匝数的关系

1．理想变压器的输入电压跟输出电压之比，等于它的原、副线圈匝数之比．公式：

＝.

2．理想变压器原、副线圈电路中的电流之比，与原、副线圈的匝数成反比．公式：

＝.

三、常见的变压器

常见的变压器有：

电力变压器、自耦变压器、互感器、电源变压器等．

四、电能的开发与利用的前景

新能源主要有：

太阳能、核能、风能、地热能、海浪能、潮汐能等.

一、变压器的原理及电压与匝数的关系

[问题设计]

把两个没有导线相连的线圈套在同一个闭合铁心上，一个线圈通过开关连到交流电源的两端，另一个线圈连到小灯泡上（如图1所示）．

图1

（1）小灯泡能发光吗？

为什么？

（2）若小灯泡发光，那么小灯泡两端电压与什么因素有关？

（3）若将原线圈接到恒定的直流电源上，小灯泡亮不亮？

分析讨论原因．

答案　

（1）能发光，当左边线圈加上交变电压时，左边线圈中就有交变电流，它在铁心中产生周期性变化的磁场，根据法拉第电磁感应定律知，在左、右线圈中都要产生感应电动势，右线圈作为电源给小灯泡供电，小灯泡就会发光．

（2）左、右线圈中每一圈上磁通量的变化率都相同，若左边匝数为n1，则E1＝n1；若右边匝数为n2，则E2＝n2，故有＝；若忽略左边线圈的电阻，则有E1＝E电源，这样看来小灯泡两端电压与左侧交流电源电动势及两线圈匝数比都有关系．

（3）不亮．原线圈接到恒定直流电源上，通过原线圈的电流的大小、方向均不变，它产生的磁场通过副线圈的磁通量不变，因此在副线圈中不会产生感应电动势，副线圈两端没有电压，所以小灯泡不亮．

[要点提炼]

1．互感现象是变压器的工作基础．因此变压器只对变化的电流起作用，对恒定电流不起作用．（后两空填“变化”或“恒定”）

2．变压器不能（填“能”或“不能”）改变交变电流的频率．

3．变压器中的电压关系：

（1）只有一个副线圈：

＝.

（2）有多个副线圈：

＝＝＝……

4．原、副线圈的地位

（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．

二、理想变压器中的功率及电流关系

[问题设计]

1．什么是理想变压器？

理想变压器输入与输出功率有什么关系？

答案　理想变压器的理想化条件一般指的是：

忽略原、副线圈内阻上的分压，忽略原、副线圈磁通量的差别，忽略变压器自身的能量损耗．所以理想变压器的输入功率等于输出功率，即P入＝P出．

2．若只有一个副线圈，原、副线圈中的电流与匝数有什么关系？

答案　由能量守恒定律，有P入＝P出，即U1I1＝U2I2.

所以＝＝

3．若有多个副线圈时，电流与匝数间的关系是什么？

答案　若有多个副线圈P1＝P2＋P3＋……，即U1I1＝U2I2＋U3I3＋……

将U1∶U2∶U3∶……＝n1∶n2∶n3∶……代入得

n1I1＝n2I2＋n3I3＋……

[要点提炼]

1．理想变压器的特点：

（1）变压器铁心内无漏磁；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：

（1）若只有一个副线圈，有I1U1＝I2U2，即＝.

（2）当有多个副线圈时I1U1＝I2U2＋I3U3＋……

得I1n1＝I2n2＋I3n3＋……

三、几种常见的变压器

1．自耦变压器如图2所示，铁心上只绕有一个线圈，低压线圈是高压线圈的一部分，既可以作为升压变压器使用，也可以作为降压变压器使用．

图2

规律　＝　＝.

2．电压互感器

（1）构造：

小型降压变压器，如图3甲所示．

（2）接法：

原线圈并联在高压电路中，副线圈上接入交流电压表；为了安全，电压互感器的铁壳和副线圈应接地．

（3）作用：

将高电压变成低电压，通过测量低电压，计算出高压电路中的电压．

图3

3．电流互感器

（1）构造：

小型升压变压器，如图乙所示．

（2）接法：

原线圈串联在被测电路中，副线圈上接入交流电流表；如果被测电路是高压电路，为了安全，电流互感器的外壳和副线圈应接地．

（3）作用：

将大电流变成小电流，通过测量小电流，计算出被测电路中的大电流．

四、理想变压器中各量的制约关系和动态分析

1．变压器工作时的制约关系

（1）电压制约：

当变压器原、副线圈的匝数比（）一定时，输入电压U1决定输出电压U2，即U2＝.

（2）功率制约：

P出决定P入，P出增大，P入增大；P出减小，P入减小，P出为0，P入为0.

（3）电流制约：

当变压器原、副线圈的匝数比（）一定，且输入电压U1确定时，副线圈中的输出电流I2决定原线圈中的电流I1，即I1＝.

2．对理想变压器进行动态分析的两种常见情况

（1）原、副线圈匝数比不变，负载电阻变化，进行动态分析的顺序是R→I2→P出→P入→I1；

（2）负载电阻不变，匝数比变化进行动态分析的顺序是n1、n2→U2→I2→P出→P入→I1.

一、对变压器的原理的理解

例1　关于理想变压器的工作原理，以下说法正确的是（　　）

A．通过正弦交变电流的原线圈产生的磁通量不变

B．穿过原、副线圈的磁通量在任何时候都相等

C．穿过副线圈磁通量的变化使得副线圈产生感应电动势

D．原线圈中的电流通过铁心流到了副线圈

解析　B∝I，由于面积S不变，故Φ∝I，A错误．因理想变压器无漏磁，故B、C正确．原线圈中的电能转化为磁场能又转化为电能，故D错．

答案　BC

二、理想变压器基本规律的应用

例2　理想变压器连接电路如图4甲所示，已知原、副线圈匝数比为10∶1，当输入电压波形如图乙时，电流表读数为2A，则（　　）

图4

A．电压表读数为282VB．电压表读数为28.2V

C．输入功率为56.4WD．输入功率为40W

解析　由题图乙可知，Um＝282V，则输入电压有效值U1＝≈200V．根据＝知，U2＝20V，再根据＝知，I1＝0.2A，输入功率P＝U1I1＝40W，故A、B、C错，D正确．

答案　D

三、常见的变压器

例3　普通的交流电流表不能直接接在高压输电线路上测量电流，通常要通过电流互感器来连接，图5中电流互感器ab一侧线圈的匝数较少，工作时电流为Iab，cd一侧线圈的匝数较多，工作时电流为Icd，为了使电流表能正常工作，则（　　）

图5

A．ab接MN、cd接PQ，Iab

B．ab接MN、cd接PQ，Iab>Icd

C．ab接PQ、cd接MN，Iab

D．ab接PQ，cd接MN，Iab>Icd

答案　B

解析　根据单一副线圈的理想变压器原理，电流比值等于匝数比的倒数，可得ab接MN、cd接PQ，Iab>Icd，故B正确．

四、理想变压器中的动态分析

例4　如图6所示为一理想变压器，K为单刀双掷开关，P为滑动变阻器的滑动触头，U1为加在原线圈两端的交变电压，I1为原线圈中的电流，则（　　）

图6

A．保持U1及P的位置不变，K由a扳向b时，I1将增大

B．保持U1及P的位置不变，K由b扳向a时，R消耗功率减小

C．保持U1不变，K接在a处，使P上滑，I1将增大

D．保持P的位置不变，K接在a处，若U1增大，I1将增大

解析　保持U1及P的位置不变，K由a扳向b时，n1减小，增大，由U2＝U1知U2变大，则输出电流I2增大，输出功率增大，输入功率也增大，由P1＝U1I1知，I1增大，A正确．同理，K若由b扳向a，R消耗功率将减小，B正确．U1不变，K接在a处，使P上滑时，I2减小，I1也减小，故C错．保持P的位置不变，K接在a处，使若U1增大，则U2也增大，即I2＝增大，则P2增大，P1＝P2，故I1也应增大，故D正确．

答案　ABD

1．（对变压器原理的理解）如图7所示，理想变压器原、副线圈匝数之比n1∶n2＝4∶1，当导线在平行导轨上匀速切割磁感线时，电流表的示数是12mA，则副线圈中电流表的示数是（　　）

图7

A．3mAB．48mAC．零D．与R阻值有关

答案　C

解析　当导线在平行导轨上匀速运动时，产生的电流是恒定的电流，不会使副线圈的磁通量变化，因而副线圈中无感应电流，选项C正确．

2．（理想变压器基本规律的应用）如图8所示，理想变压器原、副线圈匝数比为20∶1，两个标有“12V,6W”的小灯泡并联在副线圈的两端．当两灯泡都正常工作时，原线圈电路中电压表和电流表（可视为理想电表）的示数分别是（　　）

图8

A．120V,0.10AB．240V,0.025A

C．120V,0.05AD．240V,0.05A

答案　D

解析　灯泡正常工作，副线圈电压U2＝12V，副线圈电流I2＝2×A＝1A，根据匝数比得原线圈电流I1＝I2＝0.05A，原线圈电压U1＝20U2＝240V，选项D正确．

3．（互感器的应用）如图9所示，L1和L2是高压输电线，甲、乙是两只互感器，若已知n1∶n2＝1000∶1，n3∶n4＝1∶100，图中电压表示数为220V，电流表示数为10A，则高压输电线的电功率为（　　）

图9

A．2.2×108WB．2.2×10－2W

C．2.2×108WD．2.2×10W

答案　C

解析　由电流互感器知高压输电线中电流I＝1000A，由电压互感器知U＝220×103V，则高压输电线功率P＝UI＝2.2×108W.

4．（理想变压器中的动态分析）

图10

如图10所示，理想变压器原、副线圈的匝数比为10∶1，b是原线圈的中心抽头，电压表和电流表均为理想交流电表，从某时刻开始在原线圈两端加上交变电压u，其瞬时值表达式为u＝220sin（100πt）V，现把单刀双掷开关与a连接，则（　　）

A．电压表的示数为22V

B．流过滑动变阻器的电流的方向每秒改变100次

C．在滑动变阻器的触头P向上移动的过程中，电压表和电流表的示数均变大

D．若把单刀双掷开关由a扳向b时，保持滑动变阻器的触头P不动，电压表示数变大，电流表的示数变小

答案　AB

解析　理想变压器可以变压、变流，但不改变功率和频率；由交变电压的表达式可知，该交变电压的频率为50Hz，而产生交变电压的线圈每转一圈，其电流变向两次，故B正确；电压表的读数是有效值，根据理想变压器的变压比等于匝数比可知，该电压表的读数为22V，A正确；滑动变阻器的触头P向上移动，其接入电路的阻值减小，而变压器两端的电压不变，则电压表的读数不变，副线圈中的电流变大，则电流表的读数变大，C错误；单刀双掷开关由a扳向b，变压器的原线圈的有效匝数减小，由＝可知，U′变大，变压器的输出功率和输入功率变大，故电压表和电流表的读数都变大，D错误．

题组一　对理想变压器原理的理解

1．如图所示四个电