2020版高中物理 第五章 4 变压器课件 新人教版选修3-2

4变压器[学习目标]1.了解变压器的构造及几种常见的变压器,理解互感现象和变压器的工作原理.2.理解理想变压器匝数与电压和电流的关系,并能用其解决基本问题.3.理解理想变压器的功率关系,并能推导出原、副线圈的电流关系.课前预习掌握新知知识梳理一、变压器的原理1.构造:如图,变压器由铁芯和绕在铁芯上的组成.闭合(1)原线圈:与连接的线圈,也叫.(2)副线圈:与连接的线圈,也叫.两个线圈交流电源初级线圈负载次级线圈2.原理:现象是变压器的工作基础.原线圈中电流的大小、方向在不断变化,在铁芯中激发的也不断变化,变化的磁场在副线圈中产生.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.二、电压与匝数的关系1.理想变压器:没有的变压器,输出功率等于输入功率,它是一个理想化模型.互感2.电压与匝数的关系:原、副线圈的电压之比,等于两个线圈的之比,即12UU=12nn.磁场感应电动势能量损失匝数3.两类变压器(1)降压变压器:副线圈的电压比原线圈电压低的变压器,其原线圈匝数n1(选填“大于”或“小于”)副线圈匝数n2.(2)升压变压器:副线圈的电压比原线圈电压高的变压器,其原线圈匝数n1(选填“大于”或“小于”)副线圈匝数n2.大于小于科学思维1.思考判断(1)变压器的两个线圈间是绝缘的,但通过磁场联系在一起,利用互感现象实现了电能向磁场能再到电能的转化.()√(2)恒定电流接入变压器后也可发生互感现象,也可起到变压作用.()(3)在理想变压器中原、副线圈的磁通量的变化率是与它们的匝数有关的.()(4)理想变压器不仅可以改变交变电流的电压和电流,还可以改变交变电流的功率和频率.()(5)变压器的铁芯由很薄的硅钢片叠合而成.()(6)12UU=12nn适用于任何理想变压器.()×××√√2.思维探究如图所示,把两个线圈套在同一个闭合铁芯上,一个线圈连接到交流电源的两端,另一个线圈连接到小灯泡上,小灯泡能发光.(1)两个线圈并没有直接接触,灯泡为什么能发光?(2)从能量传输的角度来看,这说明了怎样的能量传输方向?答案:(1)当左边线圈有交变电流时,它在铁芯中产生周期性变化的磁通量,从而在右边线圈中产生感生电动势,灯泡中有了感应电流,小灯泡就会发光.(2)通过互感现象,电源的能量可以从一个线圈传输给另一个线圈.课堂探究突破要点要点一变压器的原理及电压与匝数的关系[探究导学]如图所示,把两个线圈套在同一个闭合铁芯上,一个线圈与小灯泡连成闭合回路,将另一个线圈连到交流电源的两端,闭合开关,小灯泡能发光.(1)变压器中闭合铁芯的作用是什么?(2)小灯泡两端电压与哪些因素有关?(3)若将另一个线圈连到恒定的直流电源的两端,小灯泡不能发光,分析讨论小灯泡不能发光的原因.答案:(1)闭合铁芯的作用是形成一个闭合磁路,使副线圈中的磁通量的变化与原线圈中磁通量的变化基本相同.(2)小灯泡两端电压与两个线圈的匝数及学生电源的电压有关.(3)因为恒定的直流电不会产生变化的磁场,因此也不会在另一个线圈中激发感生电场,从而不会产生感生电动势,灯泡中也就没有感应电流,故灯泡不发光.[要点归纳]1.变压器的工作基础是互感现象,由于互感作用,对理想变压器,穿过原、副线圈的磁通量相等,磁通量的变化率t相等,若原线圈匝数为n1,根据法拉第电磁感应定律有E1=n1t,E2=n2t,所以12EE=12nn.2.原、副线圈的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.(1)只有一个副线圈:12UU=12nn.(2)有多个副线圈:11Un=22Un=33Un=….3.变压器不改变交流电的周期与频率,即原、副线圈的交变电流的周期T和频率f相同.[例1](2019·广西南宁检测)下列关于变压器的说法正确的是()A.变压器工作的基础是自感现象B.在原线圈中,电能转化为磁场能C.电能能够从原线圈传递到副线圈,是因为原、副线圈通过导线连在一起D.变压器对恒定电流也能变压B核心点拨:(1)变压器工作的基础是原、副线圈的互感现象.(2)原线圈中的电能转化为磁场能传递到副线圈,在副线圈中磁场能转化成电能.解析:变压器工作的基础是原、副线圈的互感现象,并不是自感现象,在原线圈中电能转化为磁场能,在副线圈中磁场能转化成电能,电能是通过磁场从原线圈传递到副线圈的,变压器只能对变化的电流有变压作用,综上所述,只有B正确.学霸笔记(2)变压器不能改变交流电的周期和频率.(3)理想变压器的效率是100%.理想变压器的几个特点(1)变压器能改变交流电压,不能改变恒定直流电压.(教师备用)AD例1-1:(多选)关于变压器,下列说法正确的是()A.变压器的工作原理是电磁感应B.所有变压器的工作基础都是互感现象C.各种电流接入变压器的输入端,变压器都能持续正常工作D.只有交变电流接入变压器的原线圈中,变压器才能持续正常工作解析:变压器之所以能变压,是因为原线圈接交流电源时,有交变电流流过原线圈,引起穿过原、副线圈的磁通量发生变化,在原、副线圈中都产生了感应电动势,所以变压器的工作原理是电磁感应,故A正确;有一种变压器叫自耦变压器,它只有一个线圈绕在铁芯上,但有三个抽头,可升压、也可降压,这种变压器的工作原理是自感,也就是说,当变压器是利用两个线圈变压时,其工作原理是互感,当变压器是利用一个线圈变压时,其工作原理是自感,故B错误;变压器要想持续正常工作,原线圈必须接入交变电流,若接入直流电,原、副线圈中不可能出现持续的感应电动势,变压器不能持续正常工作,故C错误,D正确.[针对训练1-1](2019·江苏无锡检测)关于理想变压器的工作原理,以下说法正确的是()A.通有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不相等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芯流到了副线圈C解析:通有正弦交变电流的原线圈产生的磁场是变化的,由于面积S不变,故磁通量Φ变化,A错误;因理想变压器无漏磁,故B错误;由互感现象知C正确;原线圈中的电能转化为磁场能传递到副线圈,又转化为电能,原、副线圈通过磁场联系在一起,故D错误.要点二理想变压器中的功率关系及电流关系[探究导学](1)什么是理想变压器?(2)理想变压器原、副线圈中的功率有什么关系?(3)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:(1)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.(2)理想变压器的输入功率等于输出功率,即P入=P出.(3)由能量守恒定律,有P入=P出,即U1I1=U2I2,所以12II=21UU=21nn.[要点归纳]1.理想变压器的特点(1)变压器铁芯内无漏磁.(2)铁芯中不产生涡流.(3)原、副线圈不计内阻,即不产生焦耳热.2.功率关系从能量守恒看,理想变压器的输入功率等于输出功率,即P入=P出,U1I1=U2I2.3.电流关系(1)只有一个副线圈时,由U1I1=U2I2,得n1I1=n2I2,即12II=21nn.(2)当有多个副线圈时,由I1U1=I2U2+I3U3+…得:n1I1=n2I2+n3I3+….4.电压、电流、功率的制约关系(1)电压制约:输入电压U1决定输出电压U2.(2)功率制约:P出决定P入,这体现了能量守恒的特点.(3)电流制约:输出电流I2决定输入电流I1.[例2]如图所示,理想变压器原、副线圈匝数比n1∶n2=2∶1,V和A均为理想电表,灯泡电阻RL=6Ω,AB两端电压u1=12sin(100πt)V.下列说法正确的是()A.电流频率为100HzB.V的读数为24VC.A的读数为0.5AD.变压器输入功率为6WD核心点拨:(1)原线圈输入电压的最大值为12V,角速度ω=100πrad/s,可以计算出输入电压的有效值U1,频率f.(2)V的读数为副线圈的电压的有效值,由输入电压U1和原、副线圈匝数比决定.(3)A的读数为副线圈的电流的有效值,由副线圈电压U2和副线圈上的负载电阻决定.解析:根据u1=122sin(100πt)V及U=m2U知U1=12V,f=2π=50Hz,选项A错误;根据12UU=12nn得U2=21nnU1=12×12V=6V,即V的读数为6V,选项B错误;又I2=2LUR=66A=1A,即A的读数为1A,选项C错误;根据P1=P2及P2=22LUR=266W=6W,选项D正确.学霸笔记原、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.(教师备用)例2-1:如图所示,将额定电压为60V的用电器,通过一理想变压器接在正弦交变电源上.闭合开关S后,用电器正常工作,交流电压表和交流电流表(均为理想电表)的示数分别为220V和2.2A,以下判断正确的是()A.变压器输入功率为484WB.通过原线圈的电流的有效值为0.6AC.通过副线圈的电流的最大值为2.2AD.变压器原、副线圈匝数比n1∶n2=3∶11D解析:变压器的输入功率P1=P2=I2U2=2.2×60W=132W,选项A错误;由12UU=12nn得12nn=12UU=60220=311,选项D正确;由12II=21nn得I1=21nnI2=113×2.2A=8.1A,选项B错误;根据I=m2I得通过副线圈的电流的最大值I2m=2I2=1125A,选项C错误.[针对训练2-1]如图所示,理想变压器的原线圈接在u=2202sin(100πt)V的交流电源上,副线圈接有R=55Ω的负载电阻,原、副线圈匝数之比为2∶1,电流表、电压表均为理想电表.下列说法正确的是()A.原线圈的输入功率为2202WB.电流表的读数为1AC.电压表的读数为1102VD.副线圈输出交流电的周期为50sB解析:变压器的电压之比等于匝数之比,原线圈两端电压的有效值为220V,所以副线圈两端电压的有效值为110V,则电压表的读数为110V,选项C错误;变压器的输入功率和输出功率相等,P1=P2=22UR=211055W=220W,选项A错误;由P1=U1I1,得I1=11PU=220220A=1A,则电流表的读数为1A,选项B正确;变压器不会改变交变电流的周期和频率,所以副线圈中输出交流电的周期为T=2π100πs=0.02s,选项D错误.要点三几种特殊的变压器:自耦变压器、互感器[探究导学]自耦变压器铁芯上只绕有一个线圈,原、副线圈都只取该线圈的某部分.(1)自耦变压器的工作原理和其他变压器相同吗?(2)图中原、副线圈的匝数哪个多?电阻R的电压比输入电压大还是小?(3)自耦变压器的电压与匝数的关系、功率关系及电流关系与其他变压器的相同吗?答案:(1)不相同.自耦变压器的工作原理是自感现象.(2)副线圈的匝数比原线圈的匝数多,电阻R的电压比输入电压大.(3)自耦变压器的电压与匝数的关系、功率关系及电流关系与其他变压器的相同.[要点归纳]1.自耦变压器图(甲)所示是自耦变压器的示意图.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,它的构造如图(乙)所示.线圈AB绕在一个圆环形的铁芯上,AB之间加上输入电压U1,移动滑动触头P的位置就可以调节输出电压U2.2.互感器电压互感器电流互感器原理图原线圈的连接并联在高压电路中串联在待测高流电路中副线圈的连接连接电压表连接电流表互感器的作用将高电压变为低电压将大电流变成小电流原理关系式12UU=12nnI1n1=I2n2[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()A.ab接MN,cd接PQ,IabIcdB.ab接MN,cd接PQ,IabIcdC.ab接PQ,cd接MN,IabIcdD.ab接PQ,c