考物理-復習方案-第2講 變壓器 電能的傳輸

1、變 壓 器圖10211構造和原理(如圖1021所示)(1)主要構造：由原線圈、副線圈和鐵芯組成。(2)工作原理：電磁感應的互感現(xiàn)象。2理想變壓器不考慮銅損(線圈電阻產生的焦耳熱)、鐵損(渦流產生的焦耳熱)和漏磁的變壓器，即它的輸入功率和輸出功率相等。3基本關系式(1)功率關系：P入P出；(2)電壓關系：只有一個副線圈時，；有多個副線圈時，。(3)電流關系：只有一個副線圈時，。由P入P出及PUI推出有多個副線圈時，U1I1U2I2U3I3UnIn。4幾種常用的變壓器(1)自耦變壓器的原、副線圈共用一個線圈，如圖1022A、B所示。(2)電壓互感器：屬降壓變壓器，并聯(lián)在電路中，用于測高電壓，如圖1

2、022C所示。(3)電流互感器：屬于升壓變壓器，串聯(lián)在電路中，用于測大電流，如圖1022D所示。圖10221理想變壓器原、副線圈基本量的關系基 本 關 系功率關系原線圈的輸入功率等于副線圈的輸出功率即P入P出電壓關系原、副線圈的電壓比等于匝數(shù)比，公式：，與負載情況、副線圈個數(shù)的多少無關電流關系只有一個副線圈，電流和匝數(shù)成反比即有多個副線圈時，由輸入功率和輸出功率相等確定電流關系：I1U1I2U2I3U3InUn頻率關系原、副線圈中交流電的頻率相等即f1f2制約關系電壓副線圈電壓U2由原線圈電壓U1和匝數(shù)比決定功率原線圈的輸入功率P1由副線圈的輸出功率P2決定電流原線圈電流I1由副線圈電流I2和

3、匝數(shù)比決定2關于理想變壓器的幾點說明(1)變壓器不能改變恒定的直流電壓。(2)變壓器只能改變交變電流的電壓和電流，不能改變交變電流的頻率。(3)理想變壓器本身不消耗能量。(4)理想變壓器基本關系中的U1、U2、I1、I2均為有效值。(5)當原線圈中串聯(lián)電阻(或燈泡)時，U1為加在原線圈兩端的電壓，并不是電源的電壓。3理想變壓器動態(tài)分析問題(1)匝數(shù)比不變的情況：圖1023U1不變，根據(jù)，輸入電壓U1決定輸出電壓U2，不論負載電阻R如何變化，U2也不變。當負載電阻發(fā)生變化時，I2變化，輸出電流I2決定輸入電流I1，故I1發(fā)生變化。I2變化引起P2變化，P1P2，故P1發(fā)生變化。(2)負載電阻不變

4、的情況：圖1024U1不變，發(fā)生變化，故U2變化。R不變，U2改變，故I2發(fā)生變化。根據(jù)P2，P2發(fā)生變化，再根據(jù)P1P2，故P1變化，P1U1I1，U1不變，故I1發(fā)生變化。(3)分析動態(tài)問題的思路程序可表示為：U1U2I2I1P1。1(2011·新課標高考)如圖1025，一理想變壓器原副線圈的匝數(shù)比為12；副線圈電路中接有燈泡，燈泡的額定電壓為220 V，額定功率為22 W，原線圈電路中接有電壓表和電流表。現(xiàn)閉合開關，燈泡正常發(fā)光。若用U和I分別表示此時電壓表和電流表的讀數(shù)，則()圖1025AU110 V，I0.2 ABU110 V，I0.05 ACU110 V，I0.2 ADU

5、110 V，I0.2 A解析：選A由變壓原理可得U1110 V，即電壓表示數(shù)為110 V。由P入P出，燈泡正常發(fā)光可得P入U1I1P出22 W，I1 A0.2 A，故A正確。遠距離輸電1輸電導線上的能量損失主要是由輸電線的電阻發(fā)熱產生的，表達式為P損I2R線。2降低輸電損耗的兩個途徑(1)減小輸電線的電阻。由電阻定律R可知，在輸電距離一定的情況下，為減小電阻，應采用電阻率小的材料，也可增加導線的橫截面積。(2)減小輸電導線中的輸電電流。由PUI可知，當輸送功率一定時，提高輸電的電壓，可以減小輸電電流。這兩種方法中，適用于遠距離輸電的是減小輸電電流，即利用高壓輸電。3高壓輸電的原理由輸送功率PU

6、I，其中U為輸電電壓，I為輸電電流，因而當輸送功率一定時，可以提高輸電電壓，以減小輸電電流，則線路上的功率損耗P損I2R可大幅度減小，這是行之有效的方法。(1)對高壓輸電問題，應按“發(fā)電機升壓變壓器遠距離輸電線降壓變壓器用電器”這樣的順序，或從“用電器”倒推到“發(fā)電機”一步一步進行分析。(2)遠距離高壓輸電的幾個基本關系(如圖1026所示)：圖1026功率關系：P1P2，P3P4，P2P線P3。電壓、電流關系：，U2UU3，I2I3I線。輸電電流：I線。輸電線上損耗的功率：P損I線UIR線()2R線。當輸送的電功率一定時，輸電電壓增大到原來的n倍，輸電線上損耗的功率就減少到原來的。(3)解決遠

7、距離高壓輸電問題的方法：先畫出遠距離輸電的示意圖，并在圖中標出已知量和待求量；抓住輸電的兩端電源和用電器；分析一條線輸電線；研究兩次電壓變換升壓和降壓；以變壓器為界將整個輸電線路劃分為幾個獨立回路，各回路分別分析，注意原、副線圈的電壓、電流與匝數(shù)的關系及輸入功率等于輸出功率的關系。2在如圖1027所示的遠距離輸電電路圖中，升壓變壓器和降壓變壓器均為理想變壓器，發(fā)電廠的輸出電壓和輸電線的電阻均不變。隨著發(fā)電廠輸出功率的增大，下列說法中正確的有()圖1027A升壓變壓器的輸出電壓增大B降壓變壓器的輸出電壓增大C輸電線上損耗的功率增大D輸電線上損耗的功率占總功率的比例增大解析：選CD設升壓變壓器的原

8、、副線圈匝數(shù)比為N1，降壓變壓器的原、副線圈匝數(shù)比為N2，發(fā)電廠輸出電壓為U1，輸出功率為P1，則升壓變壓器的輸出電壓為U1/N1，輸電線中的電流為P1/(U1/N1)，輸電線損耗的功率為，降壓變壓器輸出電壓為()，輸電線上損耗的功率占總功率的比例為，可見，當輸出功率P1增大時，升壓變壓器輸出電壓不變，降壓變壓器的輸出電壓減小，輸電線上損耗功率增大，輸電線上損耗的功率占總功率的比例增大，選項C、D正確變壓器基本規(guī)律的應用命題分析本考點為高考熱點，主要考查變壓器的電壓、電流及功率關系，常與交流電的描述綜合在一起，以選擇題呈現(xiàn)。例1(2012·重慶高考)如圖1028所示，理想變壓器的原線

9、圈接入u11 000sin 100t(V)的交變電壓，副線圈通過電阻r6 的導線對“220 V880 W”的電器RL供電，該電器正常工作。由此可知()圖1028A原、副線圈的匝數(shù)比為501B交變電壓的頻率為100 HzC副線圈中電流的有效值為4 AD變壓器的輸入功率為880 W思維流程第一步：抓信息關鍵點關鍵點信息獲取(1)原線圈電壓u11 000sin 100t (V)U111 000 V，f50 Hz(2)副線圈通過有電阻的導線接RL副線圈兩端的電壓大于220 V第二步：找解題突破口從用電器RL正常工作入手，可求出副線圈回路里的電流，導線r分擔的電壓，進而求出副線圈兩端電壓。第三步：條理作

10、答解析用電器RL正常工作，可得副線圈里的電流I2 A4 A，C項正確；副線圈兩端的電壓U2I2rU(4×6220) V244 V，原、副線圈的匝數(shù)比<50，故A項錯誤；導線r消耗的電功率PrIr96 WP入P出880 W96 W976 W，D項錯誤；由原線圈u11 000sin 100t (V)可知交流電壓的頻率f50 Hz，故B項錯誤。 答案C(1)變壓器基本關系中U1、U2、I1、I2均為有效值。(2)利用f(U1,U2)f(n1,n2)時，U1必須是原線圈兩端的電壓，它不一定等于電源電壓(當原線圈回路里串聯(lián)電阻或燈泡時，U1小于電源電壓)；U2是副線圈兩端的電壓，它是副線

11、圈與用電器構成的回路里的總電壓，等于各部分電壓的和。(3)對理想變壓器P入P出，P出為副線圈回路里消耗的總的電功率，變壓器可以改變交變電壓、電流，但不能改變功率，也不能改變交流電的頻率。變式訓練1(2012·山東高考)圖1029甲是某燃氣爐點火裝置的原理圖。轉換器將直流電壓轉換為圖乙所示的正弦交變電壓，并加在一理想變壓器的原線圈上，變壓器原、副線圈的匝數(shù)分別為n1、n2，V 為交流電壓表。當變壓器副線圈電壓的瞬時值大于5 000 V時，就會在鋼針和金屬板間引發(fā)電火花進而點燃氣體。以下判斷正確的是()圖1029A電壓表的示數(shù)等于5 VB電壓表的示數(shù)等于 VC實現(xiàn)點火的條件是>1

12、000D實現(xiàn)點火的條件是<1 000解析：選BC電壓表示數(shù)為電壓有效值，由題圖乙可得U V，選項A錯誤，B正確；副線圈電壓峰值為5 000 V時，1 000，由于引發(fā)電火花的條件是副線圈電壓峰值大于5 000 V，故>1 000，選項C正確，D錯誤。理想變壓器的動態(tài)分析問題命題分析本考點為高考熱點，主要考查變壓器中電壓、電流、功率隨匝數(shù)比或負載變化的關系，以選擇題呈現(xiàn)。例2(2012·福建高考)圖10210如圖10210所示，理想變壓器原線圈輸入電壓uUmsin t，副線圈電路中R0為定值電阻，R是滑動變阻器。V1 和V2 是理想交流電壓表，示數(shù)分別用U1和U2表示；A1

13、 和A2是理想交流電流表，示數(shù)分別用I1和I2表示。下列說法正確的是()AI1和I2表示電流的瞬時值BU1和U2表示電壓的最大值C滑片P向下滑動過程中，U2不變、I1變大D滑片P向下滑動過程中，U2變小、I1變小解析交流電表的示數(shù)表示交流電的有效值，選項A、B錯誤；滑片P向下滑動過程中，原、副線圈的匝數(shù)n1、n2不變，U1不變，則U2不變；R連入電路的電阻減小，則流過副線圈的電流I2變大，根據(jù)U1I1U2I2，可知I1變大，選項C對，D錯。答案C(1)處理此類問題的關鍵是要分清變量和不變量，弄清理想變壓器中各物理量之間的聯(lián)系和相互制約關系U2由U1和匝數(shù)比決定；I2由U2和負載電阻決定；I1由

14、I2和匝數(shù)比決定。(2)利用兩種常見類型：匝數(shù)比不變，原、副線圈的電壓U1、U2不變，電流I1、I2，功率P1、P2隨負載電阻的變化而變化。負載電阻不變，原線圈的電壓U1不變，副線圈兩端的電壓U2、電流I1、I2和功率P1、P2隨匝數(shù)比的變化而變化。變式訓練2(2011·山東高考)為保證用戶電壓穩(wěn)定在220 V，變電所需適時進行調壓，圖10211甲為調壓變壓器示意圖。保持輸入電壓u1不變，當滑動接頭P上下移動時可改變輸出電壓。某次檢測得到用戶電壓u2 隨時間t變化的曲線如圖乙所示。以下正確的是()圖10211Au2190sin (50t) VBu2190 sin(100t) VC為使

15、用戶電壓穩(wěn)定在220 V，應將P適當下移D為使用戶電壓穩(wěn)定在220 V，應將P適當上移解析：選BD根據(jù)圖乙可知交流電的最大值Um190 V和周期T0.02 s(100 )，結合正弦交流電的瞬時值表達式uUm sint，可知B正確，A錯；根據(jù)變壓器的變壓比，U1、n2不變，提高U2只能減小n1，所以P應上移，D正確，C錯。遠距離輸電問題命題分析本考點為高考熱點，主要考查遠距離輸電線路中各部分電壓、電流、功率關系，以選擇題呈現(xiàn)。例3(2012·天津高考)通過一理想變壓器，經同一線路輸送相同的電功率P，原線圈的電壓U保持不變，輸電線路的總電阻為R。當副線圈與原線圈的匝數(shù)比為k時，線路損耗的

16、電功率為P1，若將副線圈與原線圈的匝數(shù)比提高到nk，線路損耗的電功率為P2，則P1和分別為()A.，B()2R，C.， D()2R，解析設副線圈與原線圈匝數(shù)比為k時，副線圈輸出電壓為U1，輸出電流為I1，電路損耗功率為P1，設副線圈與原線圈匝數(shù)比為nk時，副線圈輸出電壓為U2，輸出電流為I2，電路損耗功率為P2，根據(jù)理想變壓器原副線圈電壓與匝數(shù)成正比可得k；nk；且PU1I1U2I2；線路損耗功率分別為P1IR；P2IR。由聯(lián)立解得P1()2R，據(jù)此排除選項A、C；由聯(lián)立解得，所以選項B錯誤，選項D正確。答案D在遠距離輸電問題中，計算電路功率問題時常用關系式P損I線2R線，其原因是I線較易由公

17、式I線求出，而公式P損U線I線或P損則不常用，其原因是在一般情況下U線不易求出，且易把U線和U輸相混淆造成錯誤。變式訓練3(2010·浙江高考)某水電站，用總電阻為2.5 的輸電線輸電給500 km外的用戶，其輸出電功率是3×106 kW。現(xiàn)用500 kV電壓輸電，則下列說法正確的是()A輸電線上輸送的電流大小為2.0×105 AB輸電線上由電阻造成的損失電壓為15 kVC若改用5 kV電壓輸電，則輸電線上損失的功率為9×108 kWD輸電線上損失的功率為PU2/r，U為輸電電壓，r為輸電線的電阻解析：選B輸電線上輸送的電流為I輸 A6 000 A，A選

18、項錯誤；輸電線上由電阻造成的損失電壓U損I輸R線6000 A×2.5 1.5×104 V，B選項正確；若輸電電壓為5 kV，則輸電線上損失的功率不可能大于輸電總功率3×106 kW，C選項錯誤；P中，U應當為輸電線上損失的電壓，D選項錯誤。萬能模型兩種特殊的變壓器模型1自耦變壓器高中物理中研究的變壓器本身就是一種忽略了能量損失的理想模型，自耦變壓器(又稱調壓器)，它只有一個線圈，其中的一部分作為另一個線圈，當交流電源接不同的端點時，它可以升壓也可以降壓，變壓器的基本關系對自耦變壓器均適用。2多副線圈變壓器(1)電壓關系：(2)電流關系：n1I1n2I2n3I3(3

19、)功率關系：P1P2P3示例1(2012·新課標全國卷)自耦變壓器鐵芯上只繞有一個線圈，原、副線圈都只取該線圈的某部分。一升壓式自耦調壓變壓器的電路如圖10212所示，其副線圈匝數(shù)可調。已知變壓器線圈總匝數(shù)為1 900匝；原線圈為1 100匝，接在有效值為220 V的交流電源上。當變壓器輸出電壓調至最大時，負載R上的功率為2.0 kW。設此時原線圈中電流有效值為I1，負載兩端電壓的有效值為U2，且變壓器是理想的，則U2和I1分別約為()圖10212A380 V和5.3 AB380 V和9.1 AC240 V和5.3 A D240 V和9.1 A解析根據(jù)題意可知，n11 100匝，n21 900匝，由變壓規(guī)律可得U2 V380 V；由題意知，P22.0 kW，由P1P2得，U1I1P2，即I1 A9.1 A，選項B正確。答案B示例2(2012·西城模擬)如圖10213所示為一理想變壓器在兩種情況下工作的示意圖。其中燈泡L2、L3的功率均為P，且L1、L2、L3為相同的燈泡，原、副線圈匝數(shù)比為n1n241，則圖甲中L1的功率和圖乙中L1的功率分別為()圖10213