（新课标）2020高中物理 第五章 交变电流 第4节 变压器课件 新人教版选修3-2

第五章交变电流第五章交变电流第四节变压器•素养目标定位※知道变压器的构造※理解变压器的工作原理※※掌握变压器原副线圈中电压与匝数的关系，电流与匝数的关系•素养思维脉络课前预习反馈•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____________相连的线圈。•(2)副线圈：与________相连的线圈。知识点1变压器原理交流电源负载•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________，不改变交变电流的________和________。互感磁场感应电动势电压周期频率知识点2电压与匝数的关系1．理想变压器没有____________的变压器。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：U1U2＝______。3．两类变压器(1)降压变压器：副线圈的电压比原线圈的电压______的变压器。(2)升压变压器：副线圈的电压比原线圈的电压______的变压器。能量损失匝数n1n2低高•『判一判』•(1)变压器的工作原理是电磁感应。()•(2)变压器的工作基础是互感现象。()•(3)各种电流接入变压器的输入端，变压器都能正常工作。()•(4)原线圈的电压不随副线圈的输出电流的变化而变化。()•(5)原线圈的电流随副线圈的输出电流的增大而增大。()•(6)理想变压器的原线圈中的电流通过铁芯流到了副线圈。()思考辨析√√×√√ו『选一选』•(2019·云南省富宁一中高二下学期期中)如图所示，为四种亮度可调的台灯的电路示意图，它们所用白炽灯泡相同，且都是“220V,40W”，当灯泡所消耗的功率都调于20W时，哪种台灯消耗的功率最小()•解析：C图为理想变压器调节，而理想变压器不消耗能量，A、B、D三图中均利用电阻来调节灯泡上的电压，故一定要消耗能量。C•『想一想』•汽车等交通工具中用电火花点燃汽油混合气，如图所示，已知汽车蓄电池电压为12V，变压器匝数之比为1∶100。当开关S闭合后，火花塞上电压为多少？•当开关S从闭合到突然断开，可为火花塞提供瞬时高电压，产生电火花。蓄电池提供的是直流电，为什么变压器的副线圈也能得到高电压呢？•答案：当开关S闭合后，变压器的原线圈中是恒定电流，铁芯中的磁通量不变，副线圈中没有感应电动势，火花塞上电压为零。当开关从闭合到突然断开，铁芯中磁通量突然变小，在副线圈中会产生一个瞬时高电压(脉冲高电压可达104V左右)，使火花塞产生电火花。课内互动探究探究一理想变压器的工作原理及规律•如图所示，把两个没有导线相连的线圈套在同一个闭合铁芯上，一个线圈连到交流端，另一个线圈连到小灯泡上。•请同学们观察实验并思考：两个线圈没有直接连接，为什么灯泡却亮了？如果将学生电源打到适当的直流电压挡上，灯泡还亮吗？1•提示：①当一个线圈中接上交变电流时，变化的电流产生变化的磁场，变化的磁场通过闭合的铁芯的导磁作用，进入另一个线圈中，产生感应电动势，灯泡中有了感应电流，故灯泡发光。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。•②虽然学生电源的电压并不等于灯泡的额定电压，但是灯泡可以正常发光，这说明，通过中间这个装置——变压器，使加在灯泡上的电压等于灯泡的额定电压。说明，变压器可以改变交变电流的电压。•③如果将图中的学生电源打到适当的直流电压挡上，灯泡就不亮了。•1．理想变压器的特点•(1)原、副线圈的电阻不计，不产生热量。•(2)变压器的铁芯无漏磁，原、副线圈磁通量无差别。•(3)变压器自身的能量损耗不计，原线圈的输入功率等于副线圈的输出功率。•2．工作原理•原线圈上加交变电压时铁芯中产生交变磁场，即在副线圈中产生交变磁通量，从而在副线圈中产生交变电动势；当副线圈接负载时，副线圈相当于交流电源向外界负载供电。从能量转化角度看，变压器是把电能转化为磁场能，再将磁场能转化为电能的装置，一般地说，经过转化后电压、电流均发生了变化。3．电动势关系由于互感现象，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＝n1n24．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＝n1n25．功率关系对于理想变压器，不考虑能量损失，P入＝P出。6．电流关系由功率关系，当只有一个副线圈时，由U1I1＝U2I2，得I1I2＝U2U1，由U1U2＝n1n2，得：I1I2＝n2n1若有多个副线圈时，有P1＝P2＋P3＋…，即U1I1＝U2I2＋U3I3＋…将U1∶U2∶U3∶…＝n1∶n2∶n3∶…代入得n1I1＝n2I2＋n3I3＋…•特别提醒：(1)变压器的电动势关系、电压关系和电流关系是有效值(或最大值)间的关系，对于某时刻的瞬时值其关系不成立。•(2)变压器高压圈匝数多而导线细，低压圈匝数少而导线粗，这是区别高、低压线圈的方法。例1(多选)图中理想变压器的原、副线圈匝数之比为2∶1，电阻R1＝R2＝10Ω，电表、均为理想交流电表。若R1两端电压u1＝102sin100πt(V)，则下列说法正确的有()A．电压表示数为14.14VB．电流表的示数为0.5AC．R1消耗的功率为20WD．原线圈输入交流电频率为50HzBD•解题指导：解答本题应注意以下几个方面：(1)原、副线圈中电流的频率关系。(2)原、副线圈中电压、电流与匝数的关系。(3)变压器的电动势关系、电压关系、电流关系指的都是交流电的有效值(或最大值)间的关系。解析：若R1两端电压u1＝102sin100πt(V)，则R1两端电压的峰值为102V，所以有效值为10V，由于电阻R1＝R2＝10Ω，则R2两端电压也为10V，因此电压表示数为10V，故A错误；根据A选项分析可知，副线圈的电压有效值为20V，而电阻R1＝R2＝10Ω，由欧姆定律得：I＝UR，可得，副线圈的电流I′＝2010＋10A＝1A，由于原、副线圈匝数之比为2∶1，且匝数与电流成反比，原线圈的电流为0.5A，即电流表的示数为0.5A，故B正确；根据功率表达式：P＝U2R＝10210W＝10W，故C错误；因R1两端电压u1＝102sin100πt(V)，其频率为：f＝ω2π＝100π2π＝50Hz，那么原线圈的频率也为50Hz，故D正确。故选BD。〔对点训练1〕(多选)(2019·广东省实验中学高二下学期期中)如图所示，一理想变压器的原线圈A、B两端接入电压为u＝2202sin(100πt)V的交变电流。原线圈匝数n＝1100匝，副线圈匝数n1＝60匝，副线圈匝数n2＝550匝，C、D之间接一电容器，E、F之间接一灯泡，都能安全工作。则()A．两电流表示数I1＝0，I2≠0B．该电容器的耐压值至少为12VC．副线圈中磁通量变化率的最大值为0.22Wb/sD．若将接入原线圈电压改为u′＝2202sin(220πt)V，则电流表A1示数将增大CD解析：因电容器能“通交流，阻直流”，可知I1和I2均不为零，选项A错误；电容器两端电压最大值为：U1m＝n1nUm＝601100×2202V＝122V，则该电容器的耐压值至少为122V，选项B错误；因原线圈中磁通量变化率的最大值为ΔΦΔt＝Umn＝22021100Wb/s＝0.22Wb/s，则副线圈中磁通量变化率的最大值为0.22V，选项C正确；若将接入原线圈电压改为u′＝2202sin(200πt)V，则交流电的频率变大，则电容器的容抗减小，因电压的有效值不变，则电流表A1示数将增大，选项D正确。探究二变压器工作时的制约关系及动态分析•如图所示，一低压交流稳压器中，变压器的原、副线圈都带有滑动头，通过上下调节P1、P2的位置，可以改变变压器原、副线圈的匝数。图中L是一个小灯泡，R2是定值电阻，R1、R3是滑动变阻器，若只移动P1、P2、P3、P4中的一个滑动触头，而增大灯泡L的亮度，可以采取的方法有哪些？2提示：根据变压器的变压原理U1U2＝n1n2，要增大输出电压，需要使P1下移或P2上移；滑动变阻器R1是分压接法，P3上移可以使灯泡两端电压增大，灯泡功率也就增大，灯泡变亮；滑动变阻器R3的触头P4上移也能使灯泡两端的电压增大，灯泡变亮。•1．电压制约•当变压器原、副线圈的匝数比(n1/n2)一定时，输出电压U2由输入电压决定，即U2＝n2U1/n1•2．电流制约•当变压器原、副线圈的匝数比(n1/n2)一定，且输入电压U1确定时，原线圈的电流I1由副线圈中的输出电流I2决定，即I1＝n2I2/n1•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＝P2/U2•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作给用户供电的无内阻电源，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。•(多选)如图所示，变压器初级线圈接电压一定的交流电，在下列措施中能使电流表示数减小的是()•A．只将S1从2拨向1•B．只将S2从4拨向3•C．只将S3从闭合改为断开•D．只将变阻器R3的滑动触头上移BCD例2•解析：只将S1从2拨向1时，原线圈匝数减小，输出电压变大，故输出电流变大，输入电流即电流表的示数也变大，故A错误；只将S2从4拨向3时，副线圈匝数减小，输出电压变小，故输出电流变小，输入电流变小，故B正确；只将S3从闭合变为断开，少一个支路，电压不变，总电阻变大，输出功率减小，则输入功率也减小，电流表的示数减小，故C正确；只将变阻器R3的滑动触头上移，负载总电阻变大，输出电流变小，故输入电流减小，故D正确。•〔对点训练2〕(2019·新疆乌鲁木齐市第四中学高二下学期阶段测试)如图所示，变压器为理想变压器，交流电源的电压不变，L1、L2是完全相同的灯泡，V1、V2和A1、A2为理想电表，导线电阻不计。当开关S由闭合变为断开后，则()•A．A1示数变小B．A2示数变大•C．V2示数变小D．V1示数变小A解析：V1的示数是由发电机决定的，所以是一定的；V2示数是由输入电压和匝数比决定，输入电压和匝数比不变，所以V2示数不变，选项CD错误；开关S断开后，变压器副线圈的负载电阻增大，V2示数不变，由欧姆定律可得A2示数变小，由I1I2＝n2n1知A1示数也变小，故A正确，B错误。核心素养提升•1．自耦变压器•如图所示，铁芯上只绕一个线圈，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。几种常见的变压器规律：U1U2＝n1n2，I1I2＝n2n1。•2．电压互感器•(1)构造：小型降压变压器，如图所示。•(2)接法：原线圈并联在高压电路中，副线圈接电压表；为了安全，外壳和副线圈应接地。•(3)作用：将高电压变为低电压，通过测量低电压，计算出高压电路的电压。•3．电流互感器•(1)构造：小型升压变压器，如图所示。•(2)接法：原线圈串联在被测电路中，副线圈接电流表，为了安全，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。•(多选)如图所示，L1和L2是输电线，甲、乙是两个互感器(圆圈中的电表符号未标出)，通过观测接在甲、乙中的电表读数，可以间接得到输电线两端电压和通电线的电流。若图中n1∶n2＝100∶1，