第11講變壓器（原卷版）

第11講變壓器目標(biāo)導(dǎo)航目標(biāo)導(dǎo)航課程標(biāo)準(zhǔn)課標(biāo)解讀1.通過實(shí)驗(yàn)，探究并了解變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系。2.觀察常見的變壓器，了解其作用。1.了解變壓器的構(gòu)造及幾種常見的變壓器，理解變壓器的工作原理。2.掌握理想變壓器的電壓與匝數(shù)的關(guān)系并能用它解決相關(guān)問題。3.掌握理想變壓器的功率關(guān)系，并能推導(dǎo)出原、副線圈的電流關(guān)系。知識(shí)精講知識(shí)精講知識(shí)點(diǎn)01變壓器的原理1．構(gòu)造：由閉合鐵芯和繞在鐵芯上的兩個(gè)線圈組成，與交流電源連接的線圈叫作原線圈，與負(fù)載連接的線圈叫作副線圈．2．原理：互感現(xiàn)象是變壓器工作的基礎(chǔ)．原線圈中電流的大小、方向在不斷變化，鐵芯中激發(fā)的磁場(chǎng)也不斷變化，變化的磁場(chǎng)在副線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)．【知識(shí)拓展1】變壓器的原理電壓與匝數(shù)的關(guān)系1．變壓器的構(gòu)造變壓器由閉合鐵芯、原線圈、副線圈組成，其構(gòu)造示意圖與電路中的符號(hào)分別如圖甲、乙所示．2．變壓器的工作原理(1)原理互感現(xiàn)象是變壓器工作的基礎(chǔ)．電流通過原線圈時(shí)在鐵芯中激發(fā)磁場(chǎng)，由于電流的大小、方向在不斷變化，所以鐵芯中的磁場(chǎng)也在不斷變化．變化的磁場(chǎng)在副線圈中產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，副線圈也能夠輸出電流．(2)原理圖解3．變壓器原、副線圈中的電壓關(guān)系(1)只有一個(gè)副線圈：eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)；(2)有多個(gè)副線圈：eq\f(U1,n1)＝eq\f(U2,n2)＝eq\f(U3,n3)＝…4．自耦變壓器鐵芯上只繞有一個(gè)線圈，如果把整個(gè)線圈作為原線圈，副線圈只取線圈的一部分，就可以降低電壓，反之則可以升高電壓，如圖所示．【即學(xué)即練1】如圖甲所示，不計(jì)電阻的矩形金屬線框繞與磁感線垂直的轉(zhuǎn)軸在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出交流電的電動(dòng)勢(shì)圖像如圖乙所示，經(jīng)原、副線圈匝數(shù)比為1∶10的理想變壓器給一燈泡供電，燈泡上標(biāo)有“220V22W”字樣，如圖丙所示，則（）A．燈泡中的電流方向每秒鐘改變100次B．tC．燈泡不能正常發(fā)光知識(shí)點(diǎn)02電壓與匝數(shù)的關(guān)系1．理想變壓器：沒有能量損失的變壓器叫作理想變壓器，它是一個(gè)理想化模型．2．電壓與匝數(shù)的關(guān)系理想變壓器原、副線圈的電壓之比等于原、副線圈的匝數(shù)之比，即eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2).3．兩類變壓器副線圈的電壓比原線圈的電壓低的變壓器叫作降壓變壓器；副線圈的電壓比原線圈的電壓高的變壓器叫作升壓變壓器．【知識(shí)拓展2】1．功率關(guān)系從能量守恒看，理想變壓器的輸入功率等于輸出功率，即P入＝P出．2．電流關(guān)系(1)只有一個(gè)副線圈時(shí)，U1I1＝U2I2或eq\f(I1,I2)＝eq\f(n2,n1).(2)當(dāng)有多個(gè)副線圈時(shí)，I1U1＝I2U2＋I(xiàn)3U3＋…或n1I1＝n2I2＋n3I3＋…【即學(xué)即練2】如圖所示，L1、L2、L3、L4、L5是五盞完全相同的燈泡，將它們?nèi)鐖D接在變壓器上后，均正常發(fā)光。則變壓器原副線圈的匝數(shù)比n1:n2:n3為（）A．1:2:1 B．2:1:2 C．4:2:1 D．4:1:2知識(shí)點(diǎn)03變壓器中的能量轉(zhuǎn)化原線圈中電場(chǎng)的能量轉(zhuǎn)變成磁場(chǎng)的能量，變化的磁場(chǎng)幾乎全部穿過了副線圈，在副線圈中產(chǎn)生了感應(yīng)電流，磁場(chǎng)的能量轉(zhuǎn)化成了電場(chǎng)的能量．【知識(shí)拓展2】理想變壓器的制約關(guān)系和動(dòng)態(tài)分析1．電壓、電流、功率的制約關(guān)系(1)電壓制約：當(dāng)變壓器原、副線圈的匝數(shù)比eq\f(n1,n2)一定時(shí)，輸入電壓U1決定輸出電壓U2，即U2＝eq\f(n2U1,n1).(2)功率制約：P出決定P入，P出增大，P入增大；P出減小，P入減??；P出為0，P入為0.(3)電流制約：當(dāng)變壓器原、副線圈的匝數(shù)比eq\f(n1,n2)一定，且輸入電壓U1確定時(shí)，副線圈中的輸出電流I2決定原線圈中的電流I1，即I1＝eq\f(n2I2,n1)(只有一個(gè)副線圈時(shí))．2．對(duì)理想變壓器進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析的兩種常見情況(1)原、副線圈匝數(shù)比不變，分析各物理量隨負(fù)載電阻變化而變化的情況，進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析的順序是R→I2→P出→P入→I1.(2)負(fù)載電阻不變，分析各物理量隨匝數(shù)比的變化而變化的情況，進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析的順序是n1、n2→U2→I2→P出→P入→I1.【即學(xué)即練2】OO′2，線框通過滑環(huán)與一理想變壓器的原線圈相連，副線圈接有兩只燈泡L1和L2，且開關(guān)S斷開時(shí)燈泡L1正常發(fā)光，電流表示數(shù)為0.01A，則（）A．若從圖示位置開始計(jì)時(shí)，線框中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值表達(dá)式為e＝200sin100t（V）B．燈泡L1的額定功率為2WC．若開關(guān)S閉合，燈泡L1將更亮D．若開關(guān)S閉合，電流表示數(shù)將增大能力拓展能力拓展考法01變壓器的原理和結(jié)構(gòu)【典例1】隨著科技的進(jìn)步，溫室氣體逐漸增多，造成全球變暖，人們開始意識(shí)到節(jié)能減排的重要性。如圖甲所示為某款家用式變頻空調(diào)，其內(nèi)部的交流變頻器可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)供電頻率，從而改變交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。變頻空調(diào)開始工作時(shí)，當(dāng)室內(nèi)溫度降至設(shè)定溫度后，交流電動(dòng)機(jī)處于低速持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，維持室溫基本不變，從而達(dá)到節(jié)能減排的效果。如圖乙所示為變頻空調(diào)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，其理想變壓器的原、副線圈的匝數(shù)分別為、，電壓表為理想交流電表。若因交流變頻器的作用使得輸出電壓的頻率增大為原來的2倍，下列說法正確的是（交流變頻器可視為交流發(fā)電機(jī)）（）A．理想變壓器副線圈的輸出電壓變?yōu)樵瓉淼?倍B．若沒有交流變頻器，則電壓表的示數(shù)為C．穿過原、副線圈的磁通量之比為D．穿過原、副線圈的磁通量之比為考法02變壓器中的能量轉(zhuǎn)化【典例2】如圖所示為一理想變壓器，原、副線圈的匝數(shù)之比為，副線圈接一個(gè)阻值為R的電阻，則下列說法正確的是（）A．若之間接電壓恒定的電源且電壓為，則中的電流為B．若之間接交流電源且電壓為，則原線圈中的電流為C．若之間接交流電源且電壓為，增大，則副線圈的輸出功率將增大D．若之間接交流電源且電壓為，增大，則原線圈輸入功率將增大分層提分分層提分題組A基礎(chǔ)過關(guān)練1．一臺(tái)變壓器的原線圈匝數(shù)為50，副線圈的匝數(shù)為100，在原線圈兩端接上電動(dòng)勢(shì)為的蓄電池，則在副線圈兩端輸出的電壓為（）A． B． C． D．2．如圖所示，、是監(jiān)測(cè)交流高壓輸電參數(shù)的互感器，一個(gè)用來測(cè)高壓電流，一個(gè)用來測(cè)高壓電壓，則下列說法正確的是（）A．是測(cè)交流電壓的儀器 B．是測(cè)交流電流的儀器C．a(chǎn)是電流表，b是電壓表 D．a(chǎn)是電壓表，b是電流表3．下列說法錯(cuò)誤的是（）A．電磁爐利用渦流的原理制成，使用高頻交流電加熱效果更好B．導(dǎo)棒在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)存在電磁阻尼，安培力對(duì)導(dǎo)棒做正功C．磁場(chǎng)相對(duì)導(dǎo)體轉(zhuǎn)動(dòng)，也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，導(dǎo)體受到安培力作用運(yùn)動(dòng)起來，稱為電磁驅(qū)動(dòng)D．互感現(xiàn)象可以把能量由一個(gè)線圈傳遞到另一個(gè)線圈，變壓器就是利用此原理制成的4．如圖甲所示，理想變壓器原、副線圈的匝數(shù)比為5：1，原線圈接交流電源和交流電壓表，副線圈與熱水器、抽油煙機(jī)連接．已知副線圈上的電壓按圖乙所示規(guī)律變化，現(xiàn)閉合開關(guān)S接通抽油煙機(jī)，下列說法正確的是（）A．電壓表示數(shù)為VB．熱水器消耗的功率變大C．變壓器的輸入功率變大D．副線圈兩端電壓的瞬時(shí)值表達(dá)式u＝sin（50πt）V5．如圖所示，理想變壓器原、副線圈的匝數(shù)比4：1，電壓表和電流表均為理想電表，原線圈接在u=36sin100πt（V）的正弦交流電，圖中D為理想二極管，（正向電阻不計(jì)，反向電阻為無窮大），定值電阻R=9Ω，則下列說法正確的是（）A．t=s時(shí)，原線圈輸入電壓的瞬時(shí)值為18VB．t=s時(shí)，電壓表示數(shù)為18VC．電流表示數(shù)為1AD．變壓器的輸入功率為9W6．理想變壓器原、副線圈匝數(shù)之比為10:1，在原線圈中通以50Hz的正弦式交變電流，則下列說法正確的是（）A．原、副線圈兩端的電壓之比為10:1B．原、副線圈中通過的電流之比為10:1C．原、副線圈的輸入、輸出功率之比為10:1D．原、副線圈中交變電流的頻率之比為10:17．一個(gè)接在交流電路中的理想變壓器，它的初級(jí)線圈中的交流電和次級(jí)線圈中的交流電一定具有相同數(shù)值的物理量是（）A．電流強(qiáng)度 B．電壓 C．匝數(shù) D．功率8．一電器中的變壓器可視為理想變壓器，它將220V交變電壓變?yōu)?2V，已知變壓器原線圈匝數(shù)為1000，則副線圈匝數(shù)為()A．50 B．100C．500 D．20009．下列說法正確的是（）A．燃?xì)庠钍褂玫碾娮狱c(diǎn)火裝置是通過高壓放電的電火花點(diǎn)燃燃?xì)猓烹婋姌O常做成球形B．有些合金如錳銅合金和鎳銅合金電阻率幾乎不受溫度變化的影響，常用來做電阻溫度計(jì)C．靈敏的電流表在運(yùn)輸時(shí)為了防止表頭損壞經(jīng)常用導(dǎo)線把紅黑兩個(gè)接線柱接在一起D．把匝數(shù)很多的原線圈串聯(lián)在電路中，匝數(shù)較少的副線圈接普通的小量程交流電流表就可以測(cè)量很大的電流，這樣的變壓器叫電流互感器10．下列說法正確的是A．方向不變、大小隨時(shí)間變化的電流是交變電流B．遠(yuǎn)距離輸電時(shí)，可通過減小輸電線的電阻來降低輸電損耗C．交變電流的峰值一定是其有效值的倍D．理想變壓器原、副線圈中通過的交變電流的頻率之比等于原、副線圈的匝數(shù)之比題組B能力提升練1．理想變壓器的原線圈接在的交流電源上，用多用電表測(cè)量副線圈兩端的電壓，已知原線圈與副線圈的匝數(shù)比為4：1，取，則下列說法正確的是（）A．多用電表用直流電壓擋，示數(shù)為 B．多用電表用直流電壓擋，示數(shù)為C．多用電表用交流電壓擋，示數(shù)為 D．多用電表用交流電壓擋，示數(shù)為2．如圖所示，理想變壓器的原、副線圈匝數(shù)比，原線圈兩端接交流電源，已知電阻R=5Ω，電壓表V的讀數(shù)為100V，則（）A．原、副線圈中電流頻率之比f1∶f2=10∶1B．電流表A2的讀數(shù)為2AC．原、副線圈內(nèi)交變電流之比I1∶I2=10∶1D．變壓器輸入功率為200W3．在變電所，經(jīng)常要用交流電表去檢測(cè)電網(wǎng)上的強(qiáng)電流，使用的儀器是電流互感器，下列圖中能正確反映其工作原理的是（）A． B．C． D．4．如圖所示是“探究變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)示意圖，a線圈接交流電源，b線圈接交流電壓表，在實(shí)驗(yàn)過程中（）A．只增加b線圈的匝數(shù)，電壓表的示數(shù)一定增大B．只增加a線圈的匝數(shù)，電壓表的示數(shù)一定增大C．同時(shí)增加a、b兩線圈的匝數(shù)，電壓表的示數(shù)一定增大D．只改變a線圈兩端的電壓，電壓表的示數(shù)不變5．高壓輸電線路的電流大小一般在幾十到幾百安之間，因此通常要通過電流互感器連接來測(cè)量其實(shí)際電流。圖中電流互感器ab一側(cè)線圈的匝數(shù)為100匝，工作時(shí)電流為Iab；cd一側(cè)線圈的匝數(shù)為2000匝，工作時(shí)電流為Icd，為了使電流表能正常工作，則（）A．a(chǎn)b接MN、cd接PQ，Iab：Icd=1：20 B．a(chǎn)b接MN、cd接PQ，Iab：Icd=20：1C．a(chǎn)b接PQ、cd接MN，Iab：Icd=1：20 D．a(chǎn)b接PQ、cd接MN，Iab：Icd=20：16．如圖所示，理想變壓器原線圈接入正弦交流電，副線圈的匝數(shù)可以通過滑動(dòng)觸頭P調(diào)節(jié)。RT為熱敏電阻，當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，RT的阻值變小。下列說法正確的有（電表均為理想電表）（）A．P向下滑動(dòng)時(shí)，電壓表讀數(shù)變大B．P向下滑動(dòng)時(shí)，電流表讀數(shù)變大C．若環(huán)境溫度升高，變壓器的輸入功率變大D．若環(huán)境溫度升高，燈泡消耗的功率變小7．某住宅小區(qū)變壓器給住戶供電的電路示意圖如圖所示，圖中R為輸電線的總電阻。若變壓器視為理想變壓器，所有電表視為理想電表，不考慮變壓器的輸入電壓隨負(fù)載變化，則當(dāng)住戶使用的用電器增加時(shí)，圖中各電表的示數(shù)變化情況是（）A．A1增大，V2不變，V3增大 B．A1增大，V2減小，V3增大C．A2增大，V2增大，V3減小 D．A2增大，V2不變，V3減小8．如圖甲所示的電路中，理想變壓器原、副線圈匝數(shù)之比為5∶1，原線圈接入圖乙所示的電壓，副線圈接火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)（報(bào)警器未畫出），電壓表和電流表均為理想電表，R0為定值電阻，R為半導(dǎo)體熱敏電阻，其阻值隨溫度的升高而減小，下列說法中正確的是（）A．圖乙中電壓的有效值為220VB．電壓表的示數(shù)為44VC．R處出現(xiàn)火警時(shí)電流表示數(shù)減小D．R處出現(xiàn)火警時(shí)電阻R0消耗的電功率增大9．如圖所示為物理實(shí)驗(yàn)室某風(fēng)扇的風(fēng)速擋位變換器電路圖，它是一個(gè)可調(diào)壓的理想變壓器，其中接入交流電的電壓有效值U0＝220V，n0＝2200匝，擋位1、2、3、4對(duì)應(yīng)的線圈匝數(shù)分別為220匝、500匝、1100匝、2200匝。電動(dòng)機(jī)M的內(nèi)阻r＝4Ω，額定電壓為U＝220V，額定功率P＝110W。下列判斷正確的是（??）A．當(dāng)選擇擋位3時(shí)，電動(dòng)機(jī)兩端電壓為110VB．當(dāng)擋位由3變換到2時(shí)，電動(dòng)機(jī)消耗的功率增大C．當(dāng)選擇擋位2時(shí)，電動(dòng)機(jī)的熱功率為1WD．當(dāng)選擇擋位4時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出功率為110W10．如圖所示，有一理想變壓器，原、副線圈的匝數(shù)比為，原線圈兩端接入正弦交流電源，電壓為，副線圈接有一個(gè)交流電流表和一個(gè)電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)線圈電阻為，當(dāng)開關(guān)接通后，電流表讀數(shù)為，在磁感應(yīng)強(qiáng)度為的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)一電阻為、質(zhì)量為、長(zhǎng)為的金屬桿在光滑的沒有電阻的導(dǎo)軌上以速度勻速上升，重力加速度為。下列判斷正確的是（）A．電動(dòng)機(jī)兩端電壓為，其消耗的電功率為B．原線圈中的電流為，變壓器的輸入功率為，副線圈電流的頻率為C．變壓器的輸入功率為D．電動(dòng)機(jī)的熱功率為，副線圈電壓的有效值為題組C培優(yōu)拔尖練1．普通的交流電表不能直接接入高壓輸電線來測(cè)量交變電流，通常要與電流互感器配合使用。在如圖所示的電路中電流互感器ab間線圈匝數(shù)較多，cd間線圈匝數(shù)較少。下列說法正確的是（）A．a(chǎn)b接MN，cd接PQB．a(chǎn)b接PQ，cd接MNC．在使用電流互感器時(shí)，副線圈可以不用接地D．在使用電流互感器時(shí)，副線圈可以處于開路狀態(tài)2．如圖所示，理想變壓器輸入電壓為（V），原、副線圈的匝數(shù)之比為n1∶n2=10∶1，各電表均為理想電表，電壓表V1、V2的讀數(shù)分別為U1、U2，電流表A1、A2的讀數(shù)分別為I1、I2，若電阻R1、R2消耗的功率相同，則（）A．電壓表V2的讀數(shù)為22V B．U1I1=U2I2C．R1∶R2=100∶1 D．若只增大R2，電壓表V1、V2的讀數(shù)均不變3．如圖甲所示為家用燃?xì)庠铧c(diǎn)火裝置的電路原理圖，轉(zhuǎn)換器將直流電壓轉(zhuǎn)換為圖乙所示的正弦交流電加在理想變壓器的原線圈上，設(shè)變壓器原、副線圈的匝數(shù)分別為n1、n2。當(dāng)兩點(diǎn)火針間電壓大于5000V就會(huì)產(chǎn)生電火花進(jìn)而點(diǎn)燃燃?xì)?，閉合S，下列說法正確的是（）A．電壓表的示數(shù)為50VB．在正常點(diǎn)燃燃?xì)獾那闆r下，兩點(diǎn)火針間電壓的有效值一定大于5000VC．當(dāng)時(shí)，才能點(diǎn)燃燃?xì)釪．當(dāng)時(shí)，點(diǎn)火針每個(gè)周期的放電時(shí)間為4．如圖，理想變壓器原線圈匝數(shù)為1100匝，接有一阻值為R的電阻，電壓表V1示數(shù)為110.0V。副線圈接有一個(gè)阻值恒為RL的燈泡，繞過鐵芯的單匝線圈接有一理想電壓表V2，示數(shù)為0.10V。已知RL：R=4：1，則副線圈的匝數(shù)為（）A．225 B．550 C．2200 D．44005．小睿用手搖發(fā)電機(jī)接變壓器給規(guī)格為“220V，60W”的燈泡L供電，當(dāng)他勻速轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電機(jī)的手柄時(shí)，燈泡正常發(fā)光。其原理簡(jiǎn)化圖如下，已知?jiǎng)驈?qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為2，共50匝，不計(jì)內(nèi)阻。變壓器可視為理想變壓器，其原副線圈匝數(shù)比為5：44，電壓表為理想交流電表，其余電阻均不計(jì)。下列說法正確的是（）A．理想電壓表的示數(shù)為25VB．手柄的角速度為5rad/sC．從圖示位置開始計(jì)時(shí)，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)值表達(dá)式為（V）D．圖示位置穿過線圈的磁通量為0，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)值最大6．國(guó)家電網(wǎng)公司推進(jìn)智能電網(wǎng)推廣項(xiàng)目建設(shè)，擬新建智能變電站1400座。變電站起變換電壓作用的設(shè)備是變壓器，如圖所示，理想變壓器原線圈輸入電壓u＝220sin100πt（V），電壓表、電流表都為理想電表，則下列判斷正確的是（）A．輸入電壓有效值為220V，電流頻率為50HzB．S打到a處，當(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑片向下滑動(dòng)時(shí)，兩電壓表示數(shù)都增大C．S打到a處，當(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑片向下滑動(dòng)時(shí)，兩電流表的示數(shù)都減小D．若滑動(dòng)變阻器的滑片不動(dòng)，S由a處打到b處，電壓表V2和電流表A1的示數(shù)都減小7．調(diào)壓變壓器是一種自耦變壓器，它的構(gòu)造如圖所示。線圈AB繞在一個(gè)圓環(huán)形的鐵芯上，CD間加上正弦交流電壓，移動(dòng)滑動(dòng)