2019-2020学年物理人教版选修3-2(浙江新高考专用)讲义:第五章 交变电流 4 Word版含答案.pdf
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1、4 变压器 变压器 知识内容选考要求课时要求 变压器c 1.知道变压器的基本结构及符号,会区分原、副线圈. 2.了解变压器的工作原理及应用. 3.掌握理想变压器的电压与匝数的关系并能用它解决简单问题. 4.知道理想变压器的功率关系,能推导出原、副线圈的电流与匝 数的关系并能用它解决简单问题. 一、变压器的原理 1.构造:由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成,与交流电源连接的线圈叫原线圈,与负 载连接的线圈叫副线圈. 2.原理:互感现象是变压器工作的基础.原线圈中电流的大小、方向不断变化,在铁芯中激发 的磁场也不断变化,变化的磁场在副线圈中产生感应电动势. 二、电压与匝数的关系 1.理想变压器:
2、没有能量损失的变压器叫做理想变压器,它是一个理想化模型. 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匝数之比,即. U1 U2 n1 n2 3.理想变压器原、副线圈功率关系 P1P2(填“”“”或“U1,U2降低 B.U2U1,U2升高 C.U2n2知U2n2,n3n4 C.甲图中的电表是电压表,输出端不可短路 D.乙图中的电表是电流表,输出端不可断路 答案 CD 解析 题图甲中的原线圈并联在电路中,为电压互感器,是降压变压器,n1n2,其中的电表 为电压表;题图乙中的原线圈串联在电路中,为电流互感器,是升压变压器,n3n4,其中的 电表为电流表,故选项 C、D 正确. 四、理想
3、变压器的动态分析 1.电压、电流、功率的制约关系 (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 n1 n2 . n2U1 n1 (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 n1 n2 电流 I2决定原线圈中的电流 I1,即 I1(只有一个副线圈时). n2I2 n1 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,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
4、是 RI2P出P入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、 n2U2I2P出P入I1. 例 5 (2018嘉兴市高二第一学期期末)如图 8 所示是一个理想变压器, K 为单刀双掷开关, P 是滑动变阻器的滑动触头,U1为加在原线圈两端电压,I1为通过原线圈的电流,则( ) 图 8 A.K 合在 b 处,保持 U1不变,使 P 上滑,I1将增大 B.K 合在 b 处,保持 P 的位置不变,减小 U1,I1将增大 C.保持 U1及 P 的位置不变,K 由 b 合向 a 后,I1将增大 D.保持 U1及 P 的位置不变,K 由 b 合向 a 后
5、,R 消耗的功率将减小 答案 D 解析 保持 U1不变, K 合在 b 处, 原、 副线圈匝数不变, 所以副线圈电压不变, 现使 P 上滑, 阻值变大,则副线圈电流 I2减小,理想变压器的电流与匝数关系: ,可知原线圈 I1将 n1 n2 I2 I1 减小,故 A 错误;K 合在 b 处,保持 P 的位置不变,减小 U1,根据,可知 U2减小, n1 n2 U1 U2 副线圈电流 I2减小, 理想变压器的电流与匝数关系 : , 可知原线圈 I1将减小, 故 B 错误 ; n1 n2 I2 I1 保持 U1及 P 的位置不变,K 由 b 合向 a 后,根据,n1增大,可知 U2减小,副线圈电 n
6、1 n2 U1 U2 流 I2减小,理想变压器的电流与匝数关系: ,可知原线圈 I1将减小,根据 PI22R,可 n1 n2 I2 I1 知 R 消耗的功率减小,故 C 错误、D 正确. 针对训练 (多选)如图 9 所示, 理想变压器原线圈的匝数 n11 100 匝, 副线圈的匝数 n2110 匝, R0、 R1、 R2均为定值电阻, 且 R0R1R2, 电流表、 电压表均为理想电表.原线圈接 u220 sin314t (V)的交流电源.起初开关 S 处于断开状态.下列说法中正确的是( )2 图 9 A.电压表示数为 22 V B.当开关 S 闭合后,电压表示数变小 C.当开关 S 闭合后,电
7、流表示数变大 D.当开关 S 闭合后,变压器的输出功率增大 答案 BCD 学科素养 通过改变原、副线圈的匝数、滑动变阻器滑片的位置、开关闭合等方式分析理 想变压器的动态问题,使学生进一步熟练掌握理想变压器的原理,熟练掌握理想变压器原、 副线圈中的电压、电流、功率关系 :, (一个副线圈),P1P2,及 U1决定 U2、I2 U1 U2 n1 n2 I1 I2 n2 n1 决定 I1、P2决定 P1等制约关系,培养了学生的综合分析能力,较好地体现了“科学思维”的 学科素养. 1.(变压器的工作原理)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
8、.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 答案 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 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. 2.(理想变压器基本关系的应用)(多选)(2018温州十五校联合体高二第一学期期末)如图 10 所 示,理想变压器原、副线圈匝数之比为 101,原线圈接正弦交流电源,电压 u3 110sin 100t (V
9、),副线圈接入“220 V 100 W”灯泡一只,则( ) 图 10 A.灯泡正常发光 B.电源输出功率为 1 000 W C.电流表的示数为 0.045 A D.电流表的示数为 4.5 A 答案 AC 3.(互感器)(多选)(2018温州十五校联合体高二第二学期期中)如图 11 所示,把两块铁芯固定 在一把钳子上, 可以做成一个钳形测量仪.利用它可以在不切断导线的情况下, 通过电流表 A, 测量导线中的电流强度.关于该测量仪,下列说法正确的是( ) 图 11 A.能测交流,也能测直流 B.只能测交流,不能测直流 C.电流表 A 是直流电流表 D.电流表 A 是交流电流表 答案 BD 4.(理
10、想变压器的动态分析)(2016天津卷)如图 12 所示,理想变压器原线圈接在交流电源上, 图中各电表均为理想电表.下列说法正确的是( ) 图 12 A.当滑动变阻器的滑动触头 P 向上滑动时,R1消耗的功率变大 B.当滑动变阻器的滑动触头 P 向上滑动时,电压表 V 示数变大 C.当滑动变阻器的滑动触头 P 向上滑动时,电流表 A1示数变大 D.若闭合开关 S,则电流表 A1示数变大,A2示数变大 答案 B 解析 当滑动变阻器的滑动触头 P 向上滑动时,接入电路的阻值变大,变压器副线圈两端电 压不变, 副线圈中的电流减小, 则 R1消耗的功率及其两端电压均变小, 故电压表的示数变大, 选项 A
11、 错误,B 正确;当滑动变阻器的滑动触头 P 向上滑动时,副线圈中的电流减小,则原 线圈中的电流也减小,电流表 A1示数变小,选项 C 错误 ; 若闭合开关 S,副线圈电路中总电 阻减小,副线圈中的电流变大,R1两端电压变大,R2两端电压减小,电流表 A2示数减小; 原线圈中的电流变大,电流表 A1示数变大,选项 D 错误. 训练训练 1 变压器的工作原理及基本关系 变压器的工作原理及基本关系 一、选择题 考点一 变压器的工作原理 1.(多选)理想变压器正常工作时,原、副线圈中一定相同的物理量是( ) A.每匝线圈中磁通量的变化率 B.交变电流的频率 C.原线圈的输入功率和副线圈的输出功率 D
12、.原线圈的感应电动势和副线圈的感应电动势 答案 ABC 2.如图所示的四个电路,能够实现升压的是 ( ) 答案 D 解析 变压器只能对交变电流变压,不能对直流变压,故 A、B 错误;由于电压与线圈匝数 成正比,所以 D 能实现升压,C 不能实现升压,故 C 错误、D 正确. 3.(2017台州市高二检测)如图 1 所示,理想变压器原、副线圈的匝数比为 n1n241,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的示数是 12 mA, 则电流 表 A2的示数为(稳定后)( ) 图 1 A.3 mA B.0 C.48 mA D.与负载 R 的值有关 答案 B 解析 导体棒向左
13、匀速切割磁感线时,在线圈 n1中通过的是恒定电流,原线圈中电流稳定后 不能引起穿过线圈 n2的磁通量变化, 在副线圈 n2上无感应电动势产生, 所以 A2中无电流通过. 考点二 理想变压器基本关系的应用 4.(多选)对于理想变压器,下列说法正确的是( ) A.原线圈的输入功率随副线圈输出功率的增大而增大 B.原线圈的输入电流随副线圈输出电流的增大而增大 C.原线圈的电流不随副线圈输出电流的变化而变化 D.当副线圈的电流为零时,原线圈的电压也为零 答案 AB 解析 理想变压器的原线圈的输入功率等于副线圈的输出功率,且随副线圈输出功率的变化 而变化,原线圈的输入电流取决于副线圈的输出电流,当副线圈
14、的电流为零时,原线圈的电 流也为零,但原线圈电压并不一定为零,故 A、B 正确,C、D 错误. 5.(2018牌头中学高二上学期期中)如图 2 所示为一理想变压器工作电路图,今欲使变压器的 输入功率增大到原来的 2 倍,在其他条件不变的情况下,可行的办法是( ) 图 2 A.原线圈的匝数 n1增加到原来的 2 倍 B.副线圈的匝数 n2增加到原来的 2 倍 C.负载电阻的阻值 R 变为原来的 2 倍 D.n2和 R 都变为原来的 2 倍 答案 D 解析 原线圈匝数增加使得副线圈电压减小,输出功率减小,输入功率也减小,故 A 错误; 副线圈匝数增加 2 倍,副线圈电压增大 2 倍,根据 P,故输
15、出功率增加到原来的 4 倍, U2 R 故 B 错误;负载电阻增大,而电压不变,所以输出功率和输入功率都减小,故 C 错误;副线 圈匝数和负载电阻都增加 2 倍, 副线圈电压增大 2 倍, 根据 P, 输出功率增加到原来的 2 U2 R 倍,故输入功率增加到原来的 2 倍,故 D 正确. 6.(多选)如图 3 所示,理想变压器原线圈匝数 n11 210 匝,副线圈匝数 n2121 匝,原线圈 输入电压 u311sin 100t (V),负载电阻 R44 ,电表均为理想电表,各电表的读数应为 ( ) 图 3 A.V1读数为 311 V B.A1读数为 0.05 A C.V2读数为 31.1 V
16、D.A2读数为 0.5 A 答案 BD 解析 电压表 V1示数为交流电原线圈电压的有效值,故 U1 V220 V;根据公式 311 2 U1 U2 可得电压表 V2的读数为 22 V; 根据欧姆定律可得副线圈中的电流为 I2 A0.5 A, n1 n2 U2 R 22 44 即电流表 A2的读数为 0.5 A;根据公式 可得电流表 A1的读数为 0.05 A.故 B、D 正确. I1 I2 n2 n1 7.(多选)(2017诸暨市期末)如图 4 所示为理想变压器的电路,它的原线圈匝数 n1600 匝,交 流电源电压为 U1220 V,原线圈串联一个额定电流为 0.2 A 的保险丝,副线圈匝数
17、n2120 匝,副线圈上接一个电阻 R,为保证保险丝不被烧断,则( ) 图 4 A.负载功率不能超过 44 W B.负载电阻不能大于 44 C.副线圈交流电的有效值不能超过 1 A D.原线圈交流电的瞬时值不能超过 0.2 A 答案 AC 解析 为保证保险丝不被烧断, 通过原线圈的电流最大为 0.2 A, 由输入功率等于输出功率知, 负载功率不能超过PmU1I1220 V0.2 A44 W, 选项A正确 ; 由得U2 U1 U1 U2 n1 n2 n2 n1 120 600 220 V44 V, 由 P得, 负载电阻的最小值 R44 , 选项 B 错误 ; 由 PUI U2 R U22 Pm
18、44 V2 44 W 得副线圈中电流的有效值 I21 A,选项 C 正确 ; 保险丝的额定电流为有效值, 故 Pm U2 44 W 44 V 通过原线圈的电流的有效值不能超过 0.2 A,选项 D 错误. 8.如图 5 甲所示,一理想变压器给一个小灯泡供电.当原线圈输入如图乙所示的交变电压时, 额定功率为 10 W 的小灯泡恰好正常发光, 已知灯泡的电阻为 40 , 图中电压表为理想电表, 下列说法正确的是( ) 图 5 A.变压器输入电压的瞬时值表达式为 u220 sin t (V)2 B.电压表的示数为 220 V C.变压器原、副线圈的匝数比为 111 D.变压器的输入功率为 110 W
19、 答案 C 解析 由题图乙可知,100 rad/s,故 A 错误;原线圈输入电压为 220 V,电压表示 2 T 数为灯泡的额定电压 U220 V, 故 B 错误 ; 由 B 项分析, 结合电压与匝数的关系得PR n1 n2 ,故 C 正确;理想变压器的输入功率与输出功率相等,为 10 W,故 D 错误. U1 U2 11 1 9.(多选)如图 6,理想变压器原、副线圈分别接有额定电压相同的灯泡 a 和 b.当输入电压 U 为 灯泡额定电压的 10 倍时,两灯泡均能正常发光.下列说法正确的是( ) 图 6 A.原、副线圈匝数比为 91 B.原、副线圈匝数比为 19 C.此时 a 和 b 的电功
20、率之比为 91 D.此时 a 和 b 的电功率之比为 19 答案 AD 解析 设灯泡的额定电压为 U0,两灯泡均能正常发光,所以原线圈两端电压为 U19U0,副 线圈两端电压为 U2U0,故 ,A 正确,B 错误;根据公式 可得, ,由于 n1 n2 U1 U2 9 1 I1 I2 n2 n1 I1 I2 1 9 小灯泡两端的电压相等,所以根据公式 PUI 可得,灯泡 a 和 b 的电功率之比为 19,C 错 误,D 正确. 10.如图 7 所示,理想变压器原、副线圈接有三个完全相同的灯泡,其额定电压均为 U,且三 个灯泡均能正常发光.下列说法中正确的是( ) 图 7 A.原、副线圈匝数比为
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