2019-2020学年高中物理 第二章 交变电流 6 变压器课件 教科版选修3-2

6变压器[课标解读]1.知道变压器的构造，了解变压器的工作原理.2.理解理想变压器原、副线圈中电压与匝数的关系，能应用它分析解决有关问题.3.探究理想变压器原、副线圈中电流与匝数的关系，能应用它分析解决有关问题.4.了解电压互感器和电流互感器．01课前自主梳理02课堂合作探究03课后巩固提升课时作业一、变压器的结构与原理1．结构：一个和两组与电源相连的一组线圈称为，也叫线圈；另一组接负载，称为，也叫次级线圈．如图甲、乙所示，分别表示变压器模型与符号．2．工作原理：变压器工作的基础是现象．铁芯线圈原线圈初级副线圈电磁感应[思考]如果将变压器的原线圈接到直流电源上，在副线圈上还能输出电压吗？提示：不能．在原线圈上接直流电源，在铁芯中不会形成变化的磁场，所以在副线圈上不会有感应电动势产生．二、变压器的电压、电流与匝数的关系1．变压器的电压与匝数的关系(1)理想变压器没有漏磁(磁通量全部集中在铁芯内)和发热损失(原、副线圈及铁芯上的电流的热效应不计)的变压器，即没有的变压器叫做理想变压器．(2)理想变压器原、副线圈两端的电压跟它们的匝数成，即.2．电流与匝数的关系I2I1＝(只适用于一个副线圈)．能量损失正比U1U2＝n1n2n1n2[判断](1)理想变压器不考虑铁芯漏磁与发热．()(2)U1U2＝n1n2只适用于一个原线圈和一个副线圈组成的变压器．()(3)在理想变压器中，即使有多个(大于等于3个)线圈同时工作，I1I2＝n2n1也同样适用．()提示：(1)√(2)×(3)×三、电压互感器和电流互感器1．电压互感器：如图甲所示，它是一种降压变压器．原线圈在高压电路中，副线圈接电压表．互感器将变为，通过电压表测低电压，结合匝数比可计算出高压电路的电压．并联高压低压2．电流互感器：如图乙所示，它是一种升压变压器．原线圈在待测高电流电路中，副线圈接电流表．互感器将变成，通过电流表测出小电流，结合匝数比可计算出大电流电路的电流．串联大电流小电流[思考]电压互感器中，哪一个线圈应该用粗一点的导线？提示：匝数少的电流大，应用较粗的导线．要点一理想变压器的特点及规律1．理想变压器的特点(1)没有漏磁，即通过原、副线圈的每一匝的磁通量都一样．(2)原、副线圈没有电阻，即忽略原、副线圈中的焦耳热损耗(铜损)．(3)铁芯中不产生涡流．(4)理想变压器是一种理想化模型．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ΔΦΔt，根据法拉第电磁感应定律有E1＝n1ΔΦΔt，E2＝n2ΔΦΔt，所以E1E2＝n1n2.3．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U1U2＝n1n2.4．功率关系：对于理想变压器，不考虑能量损失，P入＝P出．5．电流关系由功率关系知，当只有一个副线圈时，I1U1＝I2U2，得I1I2＝U2U1＝n2n1.[特别提醒](1)据U1U2＝n1n2知，当n2n1时，U2U1，这种变压器称为升压变压器；当n2n1时，U2U1，这种变压器称为降压变压器．(2)对于公式U1U2＝n1n2，无论副线圈一端是空载还是负载，此公式都是适用的．但I1I2＝n2n1只能在只有一个副线圈且n2有负载工作时才成立，当有多个副线圈有负载工作时，必须应用能量守恒P入＝P出来解决问题．[例1]如图所示，一理想变压器的原线圈匝数n1＝1100匝，副线圈匝数n2＝220匝．交流电源的电压u＝2202sin100πtV，电阻R＝44Ω，电压表、电流表均为理想电表，则下列说法错误的是()A．该交变电流的频率为50HzB．电流表的示数为0.2AC．电流表的示数为1.4AD．电压表的示数为44V[思路点拨]解答本题时应把握以下三点：(1)交流电表测量的是交变电流的有效值．(2)理解变压器不改变交变电流的频率．(3)原、副线圈中的电压和电流的最大值、有效值都满足理想变压器的电压和电流关系．[解析]根据交流电源的电压u＝2202sin100πtV可知，该交变电流的电压的最大值为2202V，电压的有效值为220V，频率为50Hz.变压器可以改变交变电流的电压、电流大小，但不改变交变电流的频率，故副线圈上交变电流的频率为50Hz.交流电表的读数为有效值，根据变压器中原、副线圈的电压关系U1U2＝n1n2，得U2＝44V，即电压表的示数为44V．由欧姆定律得I2＝U2R＝1A，即电流表的示数为1A．根据变压器中原、副线圈的电流关系I1I2＝n2n1，得I1＝0.2A，即电流表的示数为0.2A.[答案]C(1)解决理想变压器问题时应利用原、副线圈的几个关系，特别是“功率相等”的关系，利用功率关系可使问题快速得到解决．(2)当原线圈串接用电器时，要特别注意对原线圈上电压的理解．公式U1U2＝n1n2中的U1是加在原线圈上的电压，若用电压关系不易解决时，可变通用电流关系解决．1．(多选)如图所示，理想变压器原、副线圈匝数比为2∶1，电池和交变电源的电动势都为6V，内阻均不计，下列说法正确的是()A．S与a接通的瞬间，R中无感应电流B．S与a接通稳定后，R两端的电压为0C．S与b接通稳定后，R两端的电压为3VD．S与b接通稳定后，原、副线圈中电流的频率之比为2∶1解析：S与a接通的瞬间，副线圈中有瞬间的感应电流，选项A错误；S与a接通稳定后，理想变压器的原线圈电流稳定不变，R两端电压为零，选项B正确；S与b接通稳定后，根据U1∶U2＝n1∶n2，可得R两端的电压为3V，选项C正确；原、副线圈中电流的频率相同，选项D错误．答案：BC2.如图所示，理想变压器原线圈与一10V的交流电源相连，副线圈并联两个小灯泡a和b.小灯泡a的额定功率为0.3W，正常发光时电阻为30Ω.已知两灯泡均正常发光，流过原线圈的电流为0.09A，可计算出原、副线圈的匝数比为________．流过灯泡b的电流为________A.解析：根据P＝U2R和P＝I2R得灯泡a两端的电压U2＝PR＝0.3×30V＝3V，通过灯泡a的电流Ia＝PR＝0.330A＝0.1A，根据U1U2＝n1n2得原、副线圈匝数之比n1n2＝U1U2＝103，根据I1I2＝n2n1，得副线圈上的电流I2＝n1n2I1＝103×0.09A＝0.3A，根据I2＝Ia＋Ib，得流过灯泡b的电流为Ib＝I2－Ia＝0.2A.答案：10∶30.2变压器的电压关系、电流关系是有效值(或最大值)间的关系，即如公式U1U2＝n1n2中，若U1是有效值则U2就是有效值，若U1是最大值则U2就是最大值．要点二理想变压器各量的制约关系及动态分析1．电压制约当变压器原、副线圈的匝数比n1n2一定时，输出电压U2由输入电压决定，即U2＝n2U1n1.2．电流制约当变压器原、副线圈的匝数比n1n2一定，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＝n2I2n1.3．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＝P2U2.(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．4．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，分析各物理量随负载电阻变化而变化的情况，进行动态分析的顺序是R→I2→P2→P1→I1.(2)负载电阻不变，分析各物理量随匝数比的变化而变化的情况，进行动态分析的顺序是n1、n2→U2→I2→P2→P1→I1.[特别提醒](1)理想变压器将电能由原线圈传给副线圈时总是“量出为入”，即用户消耗多少，原线圈就提供多少，因而输出功率决定输入功率．(2)可以把理想变压器的副线圈看做给用户供电的无阻电源，对负载电路进行动态分析时，可以参照直流电路动态分析的方法．[例2](多选)如图所示的电路中，P为滑动变阻器的滑片，保持理想变压器的输入电压U1不变，闭合开关S，下列说法正确的是()A．P向下滑动时，灯L变亮B．P向下滑动时，变压器的输出电压不变C．P向上滑动时，变压器的输入电流变小D．P向上滑动时，变压器的输出功率变大[解析]对于理想变压器U2＝n2n1U1，U1不变则U2不变，与调节P无关，故B正确．又UL＝U2，所以灯的亮度不变，A错误．P向上滑动时RP减小，则R总减小，P出＝U22R总增大，P入＝P出＝U1I1，所以I1增大，可知C错误，D正确．[答案]BD1．(多选)如图所示，理想变压器原线圈接有交流电源，当副线圈上的滑片P处于图示位置时，灯泡L能发光．要使灯泡变亮，可以采取的方法有()A．向下滑动PB．增大交流电源的电压C．增大交流电源的频率D．减小电容器C的电容解析：向下滑动P时，副线圈的匝数变少，由变压比公式可知，副线圈两端的电压变小，灯泡变暗，A项错误；增大交流电源的电压，由变压比公式可知，副线圈两端的电压增大，灯泡变亮，B项正确；电压不变，增大交流电源的频率，可减小电容器的容抗，电路中的电流变大，灯泡变亮，C项正确；减小电容器的电容，电容器的容抗增大，电路中电流减小，灯泡变暗，D项错误．答案：BC2．(多选)为探究理想变压器原、副线圈电压、电流的关系，将原线圈接到电压有效值不变的正弦交流电源上，副线圈连接相同的灯泡L1、L2，电路中分别接了理想交流电压表V1、V2和理想交流电流表A1、A2，导线电阻不计，如图所示．当开关S闭合后()A．A1示数变大，A1与A2示数的比值不变B．A1示数变大，A1与A2示数的比值变大C．V2示数变小，V1与V2示数的比值变大D．V2示数不变，V1与V2示数的比值不变解析：交流电源的电压有效值不变，即V1示数不变，因U1U2＝n1n2，故V2示数不变，V1与V2示数的比值不变，D对．S闭合使负载总电阻减小，I2＝U2R，所以I2增大．因I1I2＝n2n1，所以A1示数增大，A1与A2示数的比值不变，A对．答案：AD[随堂训练]1．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又转化为电能，原副线圈通过磁场联系在一起，故D错误．答案：C2．在图甲所示的电路中，理想变压器原线圈两端的正弦式交变电压变化规律如图乙所示．已知变压器原、副线圈的匝数比n1∶n2＝10∶1，串联在原线圈电路中电流表的示数为1A，则下列说法正确的是()甲乙A．电压表的示数为2002VB．变压器的输出功率为200WC．变压器输出端交流电的频率为100HzD．电流表的示数为0.1A解析：由图乙可知，f＝50Hz，由变压器的原理可知，副线圈输出的电流频率为50Hz，C错误；由U1＝200V可知，A错误；由P出＝P入＝U1I1得P出＝200W，B正确；由I2I1＝n1n2得I2＝10A，D错误．答案：B3．(多选)一理想变压器原、副线圈的匝数比为10∶1，原线圈输入电压的变化规律如图甲所示，副线圈所接电路如图乙所示，P为滑动变阻器的触头．下列说法正确的是()A．副线圈输出电压的频率为50HzB．副线圈输出电压的有效值为31VC．P向右移动时，原、副线圈的电流比减小D．P向右移动时，变压器的输入功率增加解析：变压器不改变电压的频率，副线圈中的电压频率等于原线圈中的电压频率，f＝1T＝12×10－2Hz＝50Hz；由U1U2＝n1n2可得副线圈中电压的最大值为31V，故有效值为312V；由I1I2＝n1n2可知原、副线圈的电流比不变；P向右移动时，输出电路中电压不变，电阻减小，电流增大，输出功率增大，变压器的输入功率等于输出功率也增大，故正确的选项为A、D.答案：AD4．图甲中理想变压器原、副线圈的匝数之比n1∶n2＝5∶1，电阻R＝20Ω