高中物理 第二章 交變電流 第六節(jié) 變壓器學(xué)案 粵教版選修3-2

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1、 第六節(jié)　變壓器 學(xué)習(xí)目標(biāo) 重點(diǎn)難點(diǎn) 1．能記住變壓器的構(gòu)造，能記住變壓器的工作原理． 2．能記住理想變壓器原、副線圈中電壓與匝數(shù)的關(guān)系，會應(yīng)用它分析解決有關(guān)問題． 3．了解變壓器在生活中的應(yīng)用． 重點(diǎn)：探究變壓比和匝數(shù)比的關(guān)系． 難點(diǎn)：理解變壓器輸入功率與輸出功率的變化關(guān)系． 一、變壓器 1．概念及結(jié)構(gòu) 變壓器是改變交流電電壓的設(shè)備．由閉合鐵芯和繞在鐵芯上的兩個(gè)線圈組成，其中跟電源連接的線圈，叫原線圈；跟負(fù)載連接的線圈，叫副線圈． 2．工作原理 變壓器工作的基礎(chǔ)是互感現(xiàn)象，原線圈中的交變電流在鐵芯中產(chǎn)生交變的磁通量既穿過副線圈，也穿過原線圈，在原、副線圈

2、中同樣要引起感應(yīng)電動(dòng)勢． 預(yù)習(xí)交流1 變壓器能改變恒定電流的電壓嗎？ 答案：不能． 二、理想變壓器 1．概念 對于忽略原、副線圈的電阻和各種電磁能量損耗的變壓器，叫理想變壓器． 2．電壓、電流與線圈匝數(shù)的關(guān)系 原、副線圈兩端的電壓之比等于兩個(gè)線圈的匝數(shù)之比，公式表示為＝，當(dāng)n2＞n1時(shí)，U2＞U1，這種變壓器叫升壓變壓器；當(dāng)n2＜n1時(shí)，U2＜U1，這種變壓器叫降壓變壓器．只有一個(gè)副線圈時(shí)，原、副線圈中的電流跟它們的匝數(shù)成反比，關(guān)系式是＝． 預(yù)習(xí)交流2 一個(gè)變壓器原線圈匝數(shù)為1 100匝，接在220 V的交流電源上，若要得到6 V的輸出電壓，則副線圈的匝數(shù)應(yīng)為多少？ 答案

3、：30匝 根據(jù)＝得 n2＝n1＝×1 100匝＝30匝． 一、變壓器的工作原理 1．把兩個(gè)沒有用導(dǎo)線相連的線圈套在同一個(gè)閉合鐵芯上，一個(gè)線圈連到交流電源的兩端，另一個(gè)線圈連到小燈泡上．接通電源，我們會看到小燈泡發(fā)光，結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象思考以下問題： （1）變壓器的原、副線圈沒有連在一起，探究分析原線圈中的電流是如何“流到”副線圈中去的． 答案：變壓器的原、副線圈雖然都套在同一個(gè)鐵芯上，但兩線圈是彼此絕緣的，原線圈是利用了互感現(xiàn)象在副線圈中感應(yīng)出電流的，并不是原線圈的電流直接流到副線圈中去． （2）探究變壓器中閉合鐵芯的作用是什么． 答案：變壓器的鐵芯為閉合鐵芯，形成一

4、個(gè)閉合磁路，使原線圈中的磁通量變化與副線圈中的磁通量變化基本相同． （3）變壓器的閉合鐵芯一般是用硅鋼片壓合而成的，試分析這樣做有什么用意． 答案：變壓器的閉合鐵芯用硅鋼片壓合而成，這樣有利于減小閉合鐵芯中的渦流，從而減少了電能的損失． 2．原、副線圈間沒有用導(dǎo)線連接，是靠線圈中的磁通量變化來傳輸功率的，請思考討論能量在傳輸過程中是否會有損失． 答案：會有損失．一方面，磁感線不會完全集中在鐵芯中，有漏磁情況，靠磁通量變化傳輸能量有損失；另一方面磁通量的變化會在鐵芯中產(chǎn)生渦流損失；再一方面，在線圈和導(dǎo)線上也會有熱量損失． 如圖所示為汽油機(jī)中點(diǎn)火裝置示意圖，它使用的是12 V直流電源

5、，在變壓器的輸出端卻可得到高達(dá)10 000 V的高壓，開關(guān)是自動(dòng)控制的，如果我們在副線圈兩端要得到一個(gè)高壓，應(yīng)該（　?。? A．開關(guān)總處于接通狀態(tài) B．開關(guān)由接通時(shí)斷開 C．開關(guān)由斷開時(shí)接通 D．開關(guān)總處于斷開狀態(tài) 答案：BC 解析：欲使副線圈兩端得到一個(gè)高壓必須使變壓器鐵芯中的磁通量發(fā)生變化，即原線圈中的電流必須發(fā)生變化，只有當(dāng)開關(guān)閉合、斷開的瞬間原線圈中的電流才有變化．故選B、C． 1．變壓器的變壓原理是電磁感應(yīng)．當(dāng)原線圈上加交流電壓U1時(shí)，原線圈中就有交變電流，它在鐵芯中產(chǎn)生交變的磁通量，在原、副線圈中都要產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢．如果副線圈是閉合的，則副線圈中將產(chǎn)生交變的感應(yīng)電

6、流，它也在鐵芯中產(chǎn)生交變的磁通量，在原、副線圈中同樣要引起感應(yīng)電動(dòng)勢． 2．能量轉(zhuǎn)換：變壓器原、副線圈間雖然不相連，電能卻可以通過磁場從原線圈傳遞到副線圈，其能量轉(zhuǎn)換方式為：→→． 3．變壓器是依據(jù)電磁感應(yīng)工作的，因此只能在交流電路中工作． 二、理想變壓器的工作規(guī)律 1．理想變壓器的“理想”是什么意思呢？ 答案：（1）原、副線圈的繞線的電阻為零，電流通過時(shí)不因發(fā)熱損失電能． （2）原、副線圈的電流產(chǎn)生的磁場均約束在閉合鐵芯內(nèi)，沒有因“漏磁”而損耗電能． （3）閉合鐵芯中的渦流為零，沒有因渦流造成的電能損失． 總之，理想變壓器把原線圈的輸入功率等大地通過副線圈又輸送出來，即P

7、入＝P出． 2．若副線圈有多個(gè)線圈，分析原、副線圈中＝的關(guān)系是否還成立． 答案：成立．當(dāng)副線圈有多個(gè)線圈時(shí)，原、副線圈中磁通量的變化率始終相同，由U1＝n1，U2＝n2可得＝．其實(shí)，繞在同一鐵芯上的任意兩個(gè)線圈兩端的電壓都與匝數(shù)成正比． 3．若副線圈有多個(gè)線圈，分析原、副線圈中＝是否還成立． 答案：不成立．當(dāng)副線圈有多個(gè)線圈時(shí)U1I1＞U2I2，所以＞＝．因此≠． 4．思考討論升壓變壓器原、副線圈各有什么特點(diǎn)． 答案：由＝知，升壓變壓器的副線圈匝數(shù)比原線圈多，而＝，原線圈電流較大，因此副線圈的導(dǎo)線細(xì)些，而原線圈的導(dǎo)線粗些． 如圖所示，理想變壓器三個(gè)線圈的匝數(shù)之比為n1∶n2∶

8、n3＝10∶5∶1，其中n1作為原線圈接到220 V的交流電源上，兩個(gè)副線圈n2和n3分別與電阻R2、R3組成閉合電路．已知通過電阻R3的電流I3＝2 A，電阻R2＝110 Ω，求通過電阻R2的電流和通過原線圈的電流． 答案：1 A　0.7 A 解析：閉合鐵芯中磁通量的變化率處處相同，對繞在同一鐵芯上的線圈來說，每一匝產(chǎn)生的電動(dòng)勢相同，所以有U1∶U2∶U3＝n1∶n2∶n3． 根據(jù)功率關(guān)系P1＝P2＋P3則得U1I1＝U2I2＋U3I3，由此可見I1/I2并不等于n1/n2． 根據(jù)電壓比的關(guān)系，得U2＝U1＝110 V， 通過R2的電流I2＝U2/R2＝1 A， 根據(jù)功率關(guān)系

9、有I1U1＝I2U2＋I(xiàn)3U3，且U3＝U1＝22 V，則有I1＝＝0.7 A． 1．基本關(guān)系： （1）功率關(guān)系：P入＝P出，只有一個(gè)副線圈P1＝P2，存在多個(gè)副線圈時(shí)，P1＝P2＋P3＋… （2）電壓關(guān)系：U1∶U2∶U3∶…＝n1∶n2∶n3∶… （3）電流關(guān)系： 由功率關(guān)系，當(dāng)只有一組副線圈時(shí)，U1I1＝U2I2得＝＝ 當(dāng)有幾組副線圈時(shí)U1I1＝U2I2＋U3I3＋… 結(jié)合電壓匝數(shù)關(guān)系知I1n1＝I2n2＋I(xiàn)3n3＋… 2．交變電流的頻率不變． 3．輸出功率決定輸入功率，輸出電流決定輸入電流，輸入電壓決定輸出電壓． 1．在正常工作的理想變壓器的原、副線圈中，數(shù)值上

10、不一定相等的物理量為（　　）． A．交流電的頻率 B．電壓的最大值 C．電流的有效值 D．電功率 答案：BC 解析：變壓器不改變交流電的頻率；理想變壓器的輸入功率等于輸出功率；端電壓的最大值與匝數(shù)有關(guān)，只有原、副線圈匝數(shù)比為1∶1時(shí)，電壓最大值才相等；電流的有效值與電壓及電路電阻有關(guān)． 2．關(guān)于變壓器的說法，正確的是（　?。? A．高壓線圈匝數(shù)多、電流大、導(dǎo)線粗 B．低壓線圈匝數(shù)少、電流小、導(dǎo)線細(xì) C．高壓線圈匝數(shù)多、電流大、導(dǎo)線細(xì) D．低壓線圈匝數(shù)少、電流大、導(dǎo)線粗 答案：D 解析：高壓線圈的匝數(shù)較低壓線圈的匝數(shù)多，但兩邊的輸入功率和輸出功率相等，電

11、壓和匝數(shù)成正比，則高壓線圈端的電壓高、匝數(shù)多、電流較?。呻娮瓒蒖＝ρ和歐姆定律I＝知，通過導(dǎo)線的電流小，則導(dǎo)線的橫截面積應(yīng)較小，導(dǎo)線細(xì)．高壓線圈匝數(shù)多、電流小、導(dǎo)線細(xì)；低壓線圈匝數(shù)少、電流大、導(dǎo)線粗，所以D項(xiàng)正確． 3．理想變壓器的原、副線圈匝數(shù)之比為1∶15，當(dāng)原線圈接在6 V的蓄電池兩端以后，副線圈的輸出電壓為（　?。? A．90 V B．6 V C．0.4 V D．0 答案：D 解析：變壓器不能改變恒定電流． 4．（2011·蘇州高二檢測）某變壓器原、副線圈匝數(shù)比為55∶9，原線圈所接電源電壓按圖所示規(guī)律變化，副線圈接有負(fù)載．下列判斷正確的是（

12、　?。? A．輸出電壓的最大值為36 V B．原、副線圈中電流之比為55∶9 C．變壓器輸入、輸出功率之比為55∶9 D．交流電源有效值為220 V，頻率為50 Hz 答案：D 解析：由圖可見原線圈（即交流電源）電壓的最大值、周期分別為220 V和2×10－2 s，易得電壓的有效值及其頻率為220 V、50 Hz，故知選項(xiàng)D正確．由＝可得輸出電壓有效值，U2＝U1＝36 V．由＝得＝．故知選項(xiàng)A、B均錯(cuò)．由P入＝P出得＝1．故知C選項(xiàng)也不正確，所以本題正確選項(xiàng)為D． 5．如圖所示的理想變壓器，它的初級線圈接在交流電源上，次級線圈接一個(gè)標(biāo)有“12 V　100 W”的燈泡，已知變壓器初、次級線圈的匝數(shù)比為18∶1，那么小燈泡正常工作時(shí)，圖中的電壓表的讀數(shù)為______V，電流表的讀數(shù)為________A． 答案：216　0.46 解析：兩電表的讀數(shù)均為初級線圈的電壓和電流的有效值．由公式＝得U1＝U2＝18×12 V＝216 V 由公式＝得I1＝I2＝× A＝0.46 A． 5