高中物理粤教版 (2019)选择性必修 第二册第三节 变压器学案

这是一份高中物理粤教版 (2019)选择性必修 第二册第三节 变压器学案，共19页。
2．理解自耦变压器和互感器的工作原理。
3．掌握变压器的原理，会解答具有多个副线圈的变压器问题。
理想变压器的动态变化问题
1．理想变压器动态变化的两种情况
(1)原、副线圈的匝数比不变，分析各物理量随负载电阻的变化而变化的情况，进行动态分析的顺序是R→I2→P2→P1→I1。
(2)负载电阻不变，分析各物理量随原、副线圈的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。
2．需要注意的几点
(1)负载增多，不等于电阻变大。并联的负载增多，对应用电器增多，消耗功率增大，其总电阻减小。
(2)负载发生变化时，电流和电压如何变化的判断：先要由U1U2＝n1n2判断U2是否变化，再根据U2及负载电阻变大或变小的情况，由欧姆定律确定副线圈中的电流I2的变化情况，最后再由P入＝P出判断原线圈中电流的变化情况。
3．动态问题的分析思路可表示为
U1U1U2=n1n2 决定 U2I2=U2R负载 决定 I2P1=P2I1U1=I2U2 决定 P1P1=I1U1 决定 I1。
【典例1】 理想变压器的原线圈连接电流表，副线圈接入电路的匝数可以通过触头Q调节，在副线圈输出端连接了定值电阻R0和滑动变阻器R，在原线圈上加一电压为U的交流电，如图所示。下列情况可能出现的是( )
A．若Q位置不变，将P向上滑动，U′变大
B．若Q位置不变，将P向上滑动，电流表的读数变大
C．若P位置不变，将Q向上滑动，电流表的读数变大
D．若P位置不变，将Q向上滑动，变压器的输入功率不变
C [当理想变压器的输入电压U，以及原、副线圈的匝数比不变时，副线圈两端的电压也不变，A项错误；由P出＝U'2R+R0知R增大时，输出功率减小，又由P入＝P出得原线圈中的电流表读数要减小，B项错误；Q向上滑动时，U′增大，而负载电阻不变，输出功率要增大，则输入功率也要增大，原线圈中的电流就要增大，C项正确，D项错误。]
含有变压器的动态电路问题分析
[跟进训练]
1．如图，理想变压器的副线圈上通过输电线接有两个相同的灯泡L1和L2；输电线的等效电阻为R，开始时，电键K断开，当K接通时，以下说法正确的是( )
A．灯泡L1的亮度增加
B．原线圈中的电流增大
C．副线圈两端M、N的输出电压减小
D．副线圈输电线等效电阻R上的电压减小
B [根据U1U2＝n1n2得U2＝n2n1U1，理想变压器的输出电压是由输入电压和匝数比决定的，由于输入电压和匝数比不变，所以副线圈的输出电压也不变，故C错误；当K接通后，两个灯泡并联，电路的总电阻减小，副线圈的电流I2＝U2R总变大，所以通过电阻R的电流变大，电压UR＝I2R变大，那么L1的电压UL1＝U2－UR减小，所以通过灯泡L1的电流IL1＝UL1RL1减小，灯泡L1的亮度变低，故A、D错误；由理想变压器电流关系I1I2＝n2n1知，I2增大，所以原线圈中的电流I1增大，故B正确。]
几种特殊的变压器
1．自耦变压器
图甲所示是自耦变压器的示意图。这种变压器的特点是铁芯上只绕有一个线圈。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
【典例2】 (多选)如图所示，L1、L2是高压输电线，图中两电表示数分别是220 V和10 A，已知甲图中原、副线圈匝数比为100∶1，乙图中原、副线圈匝数比为1∶10，则( )
A．甲图中的电表是电压表，输电电压为22 000 V
B．甲图是电流互感器，输电电流是100 A
C．乙图中的电表是电压表，输电电压为22 000 V
D．乙图是电流互感器，输电电流是100 A
AD [题图甲是电压互感器，电表是电压表，故B错误；根据匝数比U1U2＝n1n2，有U1＝n1n2U2＝1001×220 V＝22 000 V，故A正确；题图乙是电流互感器，电表是电流表，故C错误；只有一个副线圈的变压器，电流与匝数的关系为I1I2＝n2n1，有I1＝n2n1I2＝101×10 A＝100 A，故D正确。]
互感器的区分技巧
(1)电压互感器是降压变压器，据U1U2＝n1n2知n1>n2。
电流互感器是升压变压器，据I1I2＝n2n1知n1n2，当原、副线圈减少相同的匝数时，其变压比n1'n2'变大，根据U1U2＝n1'n2'，因U1一定，U2变小，故小灯泡变暗，选项A错误，选项B正确；由U1U2＝n1'n2'知，原、副线圈电压的比值变大，选项C错误；根据I1I2＝n2'n1'，则通过原、副线圈电流的比值变小，选项D错误。]
8．(2022·四川双流中学高二阶段练习)如图所示为一理想自耦式变压器，原线圈两端加220 V交流电，V1、V2为理想电压表。下列说法正确的是( )
A．若P不动，F向下滑动时，V1、V2示数都变小
B．若P不动，F向上滑动时，灯泡消耗的功率变小
C．若F不动，P向上滑动时，V1、V2示数都变小
D．若F不动，P向下滑动时，灯泡消耗的功率变小
D [若P不动，F向下滑动时，原线圈电压由交流电源决定，故V1示数不变，根据原、副线圈电压比等于匝数比可知，由于副线圈匝数减小，副线圈输出电压减小，由于副线圈电阻不变，可知V2示数变小，A错误；若P不动，F向上滑动时，原线圈电压不变，根据原、副线圈电压比等于匝数比可知，由于副线圈匝数增大，副线圈输出电压增大，由于副线圈电阻都不变，可知副线圈电流增大，灯泡消耗的功率变大，B错误；若F不动，P向上滑动时，原线圈电压由交流电源决定，故V1示数不变，根据原、副线圈电压比等于匝数比可知，由于原、副线圈匝数都不变，副线圈输出电压不变，滑动变阻器接入电路电阻减小，可知滑动变阻器两端电压减小，即V2示数变小，C错误；若F不动，P向下滑动时，可知原线圈电压不变，副线圈输出电压不变，滑动变阻器接入电路电阻增大，副线圈电流减小，故灯泡消耗的功率变小，D正确。]
9．如图所示，理想变压器有三个线圈A、B、C，其中B、C的匝数分别为n2、n3，电压表的示数为U，电流表的示数为I，L1、L2是完全相同的灯泡，根据以上条件不能计算出的物理量是(忽略温度对电阻的影响，电流表、电压表均为理想电表)( )
A．线圈A的匝数
B．灯L2两端的电压
C．变压器的输入功率
D．通过灯L1的电流
A [由题意知线圈B两端的电压为U，设线圈C两端的电压为UC，则UCU＝n3n2，所以UC＝n3n2U；通过L2的电流为I，则可以求出L2的电阻，L2与L1的电阻相同，所以可求出通过L1的电流；根据以上数据可以求出L1、L2的功率，可得变压器总的输出功率，它也等于变压器的输入功率；根据题意无法求出线圈A的匝数，故选项A正确。]
10．如图甲、乙所示电路中，当A、B接10 V交变电压时，C、D间电压为4 V，M、N接10 V直流电压时，P、Q间电压也为4 V。现在C、D间接 4 V交流电压，P、Q间接 4 V直流电压，下面哪个选项可表示A、B间和M、N间的电压( )
A．10 V 10 V B．10 V 4 V
C．4 V 10 V D．10 V 0
B [对于题图甲，当A、B作为输入端，C、D作为输出端时，相当于一个降压变压器，两边电压之比等于两边线圈的匝数之比，当C、D作为输入端，A、B作为输出端时，相当于一个升压变压器，电压比也等于匝数比，所以C、D接4 V交流电压时，A、B间将得到10 V交流电压；题图乙是一个分压电路，当M、N作为输入端时，上、下两个电阻上的电压跟它们的电阻的大小成正比，但是当把电压加在P、Q两端时，电流只经过下面那个电阻，上面的电阻中没有电流，两端也就没有电势差，即M、P两点的电势相等，所以当P、Q接4 V直流电压时，M、N两端的电压也是4 V，故B正确。]
11．(多选)在如图所示的电路中，a、b端接电压恒定的正弦交变电源，已知R1、R2、R3为定值电阻，变压器为理想变压器，电流表、电压表均为理想电表。当闭合开关S后，以下说法正确的是( )
A．R1消耗的功率一定增大
B．电源的输出功率一定减小
C．电流表示数增大，电压表示数不变
D．电流表示数增大，电压表示数减小
AD [当闭合开关S后，则副线圈的电流I2增大，电流表示数增大，由I1I2＝n2n1可知，原线圈电流I1增大，则R1消耗的功率P1＝I12R1增大；原线圈的电压U1＝Uab－I1R1减小，由U1U2＝n1n2可知副线圈电压U2减小，则电压表示数减小，故A、D正确，C错误；a、b端接电压恒定的正弦交变电源，电源的输出功率P0＝UabI1增大，故B错误。]
12．如图所示，一理想变压器原线圈匝数n1＝1 000匝，有两个副线圈，匝数分别为n2＝200匝，n3＝500匝，分别接阻值为R＝55 Ω的相同两电阻。若在原线圈上接入220 V的交流电，求：
(1)两个副线圈上的电流之比I2∶I3为多少？
(2)原线圈中的电流I1为多少？
[解析] (1)由变压比公式U2U1＝n2n1及U3U1＝n3n1可得
U2＝n2n1U1＝44 V
U3＝n3n1U1＝110 V
根据欧姆定律I＝UR
得I2＝U2R＝0.8 A
I3＝U3R＝2 A
故I2∶I3＝2∶5。
(2)由电流关系式n1I1＝n2I2＋n3I3可得I1＝n2I2+n3I3n1＝1.16 A。
[答案] (1)2∶5 (2)1.16 A
13．如图所示，理想变压器原线圈中输入电压U1＝3 300 V，副线圈两端电压U2为220 V，输出端连有完全相同的两个灯泡L1和L2，绕过铁芯的导线所接的电压表V的示数U＝2 V。求：
(1)原线圈n1等于多少匝？
(2)当开关S断开时，电流表A2的示数I2＝5 A。则电流表A1的示数I1为多少？
(3)当开关S闭合时，电流表A1的示数I1′等于多少？
[解析] (1)由电压与变压器匝数的关系可得：
U1n1＝U2n2＝U，则n1＝1 650匝。
(2)当开关S断开时，有：U1I1＝U2I2，I1＝U2I2U1＝13 A。
(3)当开关S断开时，有：RL＝U2I2＝44 Ω。
当开关S闭合时，设副线圈总电阻为R′，有R′＝RL2＝22 Ω，副线圈中的总电流I′2＝U2R'＝10 A。由U1I′1＝U2I′2可知，I′1＝U2I2'U1＝23 A。
[答案] (1)1 650匝 (2)13 A (3)23 A
项目
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
利用的关系式
U1U2＝n1n2
I1n1＝I2n2