【物理】2018届二轮复习变压器、电能的传输学案

【物理】2018届二轮复习变压器、电能的传输学案

变压器 电能的传输 理想变压器 ‎[想一想]‎ 一台理想变压器，其原线圈2 200匝，副线圈440匝，并接一个100 Ω的负载电阻，如图10－2－1所示。‎ 图10－2－1‎ ‎(1)当原线圈接在44 V直流电源上时，电压表、电流表的示数分别为多少？‎ ‎(2)当原线圈接在220 V交流电源上时，电压表、电流表的示数分别为多少？‎ ‎[提示]　(1)原线圈接在直流电源上时，由于原线圈中的电流恒定，所以穿过原、副线圈的磁通量不发生变化，副线圈两端不产生感应电动势，故电压表示数为零，电流表示数也为零。‎ ‎(2)由＝得 U2＝U1＝220× V＝44 V(电压表示数)‎ I2＝＝ A＝‎0.44 A(电流表示数)‎ ‎[记一记]‎ ‎1．构造：如图10－2－2所示。‎ 图10－2－2‎ 理想变压器由原线圈、副线圈和闭合铁芯组成。‎ ‎2．原理 线圈的互感现象。‎ ‎3．基本关系 ‎(1)电压关系：＝ ‎(2)功率关系：P入＝P出 ‎(3)电流关系：①只有一个副线圈时：＝ ‎②有多个副线圈时：U1I1＝U2I2＋U3I3＋…＋UnIn ‎4．几种常用的变压器 ‎(1)自耦变压器——也叫调压变压器。‎ ‎(2)互感器：‎ ‎①电压互感器，用来把高电压变成低电压。‎ ‎②电流互感器，用来把大电流变成小电流。‎ ‎[试一试]‎ ‎1. (2011·新课标全国卷)如图10－2－3，一理想变压器原、副线圈的匝数比为1∶2；副线圈电路中接有灯泡，灯泡的额定电压为220 V，额定功率为22 W；原线圈电路中接有电压表和电流表。现闭合开关，灯泡正常发光。若用U和I分别表示此时电压表和电流表的读数，则(　　)‎ 图10－2－3‎ A．U＝110 V，I＝‎‎0.2 A B．U＝110 V，I＝0.05 A C．U＝110 V，I＝‎‎0.2 A D．U＝110 V，I＝‎0.2 A 解析：选A　直接求出副线圈中的电压、电流分别为：220 V、‎0.1 A。故原线圈中的电压、电流分别为110 V、‎0.2 A。‎ 电能的输送 ‎　　‎ ‎[想一想]‎ 照明供电线路的路端电压基本上是保持不变的。可是我们在晚上七、八点钟用电高峰时开灯，电灯比深夜时要显得暗些。这是什么原因呢？‎ ‎[提示]　在用电高峰时，总电阻比深夜时小，供电线路上的电流大，输电线上损失的电压较大，因而每盏灯两端的电压较低。‎ ‎[记一记]‎ ‎1．输电过程(如图10－2－4所示)‎ 图10－2－4‎ ‎2．电压损失 ‎(1)ΔU＝U－U′‎ ‎(2)ΔU＝IR ‎3．功率损失 ‎(1)ΔP＝P－P′‎ ‎(2)ΔP＝I2R＝()2R ‎4．输送电流 ‎(1)I＝　(2)I＝ ‎[试一试]‎ ‎2．在如图10－2－5所示的远距离输电电路图中，升压变压器和降压变压器均为理想变压器，发电厂的输出电压和输电线的电阻均不变，随着用户用电量的增加，发电厂输出功率的增大，下列说法中正确的有(　　)‎ 图10－2－5‎ A．升压变压器的输出电压增大 B．降压变压器的输出电压增大 C．输电线上损耗的功率增大 D．输电线上损耗的功率占总功率的比例增大 解析：选CD　由题意可知升压变压器的输入电压不变，则输出电压不变，A错误；在电能输出过程中有：I2＝，U线＝I2R线，U3＝U2－U线，因P变大，I2变大，所以U线变大，所以降压变压器初级线圈上电压U3变小，则降压变压器的输出电压变小，B错误；根据P线＝()2R线，因P变大，所以P线变大，C正确；根据＝＝，因P变大，所以比值变大，D正确。‎ 变压器的工作原理及基本关系 ‎1.基本关系 ‎(1)无漏磁，故原、副线圈中的Φ、相同。‎ ‎(2)线圈无电阻，因此无电压降，U＝E＝n。‎ ‎(3)根据＝得，套在同一铁芯上的线圈，无论是原线圈，还是副线圈，该比例都成立，则有＝＝＝…‎ ‎(4)无电能损失，因此P入＝P出，无论副线圈一个还是多个，总有U1I1＝U2I2＋U3I3＋…将电压关系代入可得n1I1＝n2I2＋n3I3＋…‎ ‎2．基本关系式中物理量之间的决定关系 ‎(1)电压决定关系：输入电压U1决定输出电压U2，这是因为输出电压U2＝ U1，当U1不变时，不论负载电阻R变化与否，U2不会改变。‎ ‎(2)电流决定关系：输出电流I2决定输入电流I1。‎ ‎(3)功率决定关系：输出功率P2决定输入功率P1，也可简记为“用决定供”。‎ ‎[例1]　(2012·山东高考)图10－2－6甲是某燃气炉点火装置的原理图。转换器将直流电压转换为图乙所示的正弦交变电压，并加在一理想变压器的原线圈上，变压器原、副线圈的匝数分别为n1、n2，○ 为交流电压表。当变压器副线圈电压的瞬时值大于5 000 V时，就会在钢针和金属板间引发电火花进而点燃气体。以下判断正确的是(　　)‎ 图10－2－6‎ A．电压表的示数等于5 V B．电压表的示数等于 V C．实现点火的条件是>1 000‎ D．实现点火的条件是<1 000‎ ‎[尝试解题]‎ 电压表示数为电压有效值，由题图乙可得U＝＝ V，，选项A错误，B正确；副线圈电压峰值为5 000 V时，＝＝1 000，由于引发电火花的条件是副线圈电压峰值大于5 000 V，故>1 000，选项C正确，D错误。‎ ‎[答案]　BC 变压器的动态分析 ‎1.匝数比不变的情况(如图10－2－7所示)‎ 图10－2－7‎ ‎(1)U1不变，根据＝，输入电压U1决定输出电压U2，不论负载电阻R如何变化，U2也不变。‎ ‎(2)当负载电阻发生变化时，I2变化，输出电流I2决定输入电流I1，故I1发生变化。‎ ‎(3)I2变化引起P2变化，P1＝P2，故P1发生变化。‎ ‎2．负载电阻不变的情况(如图10－2－8所示)‎ 图10－2－8‎ ‎(1)U1不变，发生变化，故U2变化。‎ ‎(2)R不变，U2改变，故I2发生变化。‎ ‎(3)根据P2＝，P2发生变化，再根据P1＝P2，故P1变化，P1＝U1I1，U1不变，故I1发生变化。‎ ‎[例2]　如图10－2－9所示，理想变压器输入端PQ接稳定的交流电源，通过单刀双掷开关S可改变变压器原线圈匝数(图中电压表及电流表皆为理想电表)，则下列说法中正确的是(　　)‎ 图10－2－9‎ A．当滑片c向b端移动时，变压器输入功率变大 B．当滑片c向a端移动时，电流表A1的示数将减小，电压表V的示数不变 C．当滑片c向b端移动时，电流表A2的示数将变大，电压表V的示数也变大 D．滑片c不动，将开关S由1掷向2时，三个电表A1、A2、V的示数都变大 ‎[审题指导]‎ 滑片c移动改变负载电阻的大小，从而改变副线圈中的电流、功率，改变原线圈中的电流。开关S由1掷向2减少了原线圈的匝数，从而改变其他各物理量。‎ ‎[尝试解题]‎ 滑片c向b端移动时， R变大，输出功率P2＝，又因U2不变，则P2减小，所以输入功率减小，A项错；滑片c向a端移动时，R变小，A2示数I2＝变大，则A1示数变大，B项错；滑片c向b端移动时，R变大，由I2＝知，A2示数变小，故C项错；当滑片c不动，开关S由1掷向2时，原线圈匝数n1减少，由U2＝U1知U2变大，故A2示数变大，A1示数变大，故D项正确。‎ ‎[答案]　D 分析动态问题的程序：‎ U1。‎ 远距离输电问题 ‎1.远距离高压输电的几个基本关系(以图10－2－10为例)‎ 图10－2－10‎ ‎(1)功率关系：‎ P1＝P2，P3＝P4，P2＝P线＋P3。‎ ‎(2)电压、电流关系：‎ ＝＝，＝＝，‎ U2＝U线＋U3，I2＝I3＝I线。‎ ‎(3)输电电流：‎ I线＝＝＝。‎ ‎(4)输电导线上损失的电功率：‎ P损＝U线I线＝I线2r＝()2r。‎ ‎2．关于远距离输电问题的处理思路 ‎(1)画出输电线路图，将已知量和未知量标在图中相应位置；‎ ‎(2)将输电线路划分为几个独立回路；‎ ‎(3)根据串并联电路特点、欧姆定律、电功率公式等确定各部分回路物理量之间关系；‎ ‎(4)根据升压、降压，原、副线圈的电压、电流关系和功率关系列式求解。‎ ‎[例3]　(2012·天津高考)通过一理想变压器，经同一线路输送相同的电功率P，原线圈的电压U保持不变，输电线路的总电阻为R。当副线圈与原线圈的匝数比为k时，线路损耗的电功率为P1，若将副线圈与原线圈的匝数比提高到nk，线路损耗的电功率为P2，则P1和分别为(　　)‎ A.，　　　　　　 B．()2R， C.， D．()2R， ‎[尝试解题]‎ 当副线圈与原线圈的匝数比为k时，副线圈输出电压为kU，输出电流I＝，线路损耗的电功率为P1＝I2R ‎＝()2R。若将副线圈与原线圈的匝数比提高到nk，副线圈输出电压为nkU，，输出电流I′＝‎ ，线路损耗的电功率为P2＝I′2R＝()2R。＝，选项D正确，A、B、C错误。‎ ‎[答案]　D ‎[典例1]　自耦变压器铁芯上只绕有一个线圈，原、副线圈都只取该线圈的某部分。一升压式自耦调压变压器的电路如图10－2－11所示，其副线圈匝数可调。已知变压器线圈总匝数为1 900匝；原线圈为1 100匝，接在有效值为220 V的交流电源上。当变压器输出电压调至最大时，负载R上的功率为2.0 kW。设此时原线圈中电流有效值为I1，负载两端电压的有效值为U2，且变压器是理想的，则U2和I1分别约为(　　)‎ 图10－2－11‎ A．380 V和‎5.3 A　　　　　 B．380 V和‎9.1 A C．240 V和‎5.3 A D．240 V和‎9.1 A ‎[解析]　对理想变压器，原、副线圈功率相同，故通过原线圈的电流I1＝＝A≈‎9.1 A，负载两端电压即为副线圈电压，由＝，即＝，可得U2＝380 V，故B对。‎ ‎[答案]　B ‎[典例2]　如图10－2－12所示，两种情况下变压器灯泡L2、L3的功率均为P，且L1、L2、L3为相同的灯泡，匝数比为n1∶n2＝3∶1，则图甲中L1的功率和图乙中L1的功率分别为(　　)‎ 图10－2－12‎ A．P、P B．9P、 C.、9P D.、P ‎[解析]　由题意可知，两种情况下变压器输出功率均为2P，设灯泡L2、L3的电压为U，电流为I，电阻为R，两种情况下变压器输入电压为3U，变压器输入电流为I；图甲中L1的功率为P1＝＝9P；图乙中L1的功率为P2＝(I)2R＝，选项B正确。‎ ‎[答案]　B ‎[题后悟道]‎ 对于两个以上的副线圈的理想变压器，电压与匝数成正比是成立的，而电流与匝数成反比的规律不成立，但在任何情况下电流关系都可以根据原线圈的输入功率等于副线圈的输出功率，即P入＝P出求解。‎ 如图10－2－13所示，接于理想变压器中的四个规格相同的灯泡都正常发光，那么，理想变压器的匝数比n1∶n2∶n3为(　　)‎ 图10－2－13‎ A．1∶1∶1 B．3∶2∶1‎ C．6∶2∶1 D．2∶2∶1‎ 解析：选B　灯泡正常发光，可得UA＝UB＝UC＝UD，所以U2＝2U3。由变压器的电压比公式＝＝＝，所以n2＝2n3，同理，灯泡正常发光，功率相等，即PA＝PB＝PC＝PD。‎ 由P＝I2R，得IA＝IB＝IC＝ID，即I1＝I2＝I3。‎ 由U1I1＝U2I2＋U3I3得n1I1＝n2I2＋n3I3，‎ 即n1＝n2＋n3＝2n3＋n3＝3n3，所以n1∶n2∶n3＝3∶2∶1。‎