2019-2020年高中物理 第2章 第6節(jié) 變壓器學(xué)案 教科版選修3-2.doc
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2019-2020年高中物理 第2章 第6節(jié) 變壓器學(xué)案 教科版選修3-2 [目標(biāo)定位] 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． 一、變壓器的原理及電壓與匝數(shù)的關(guān)系 [問題設(shè)計(jì)] 把兩個沒有導(dǎo)線相連的線圈套在同一個閉合鐵芯上，一個線圈通過開關(guān)連到交流電源的兩端，另一個線圈連到小燈泡上(如圖1所示)． 圖1 (1)小燈泡能發(fā)光嗎？為什么？ (2)若小燈泡發(fā)光，那么小燈泡兩端電壓與什么因素有關(guān)？ (3)若將原線圈接到恒定的直流電源上，小燈泡亮不亮？分析討論小燈泡亮或不亮的原因． 答案 (1)能發(fā)光．當(dāng)左邊線圈加上交變電壓時，左邊線圈中就有交變電流，它在鐵芯中產(chǎn)生周期性變化的磁場，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律知，在左、右線圈中都要產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，右線圈作為電源給小燈泡供電，小燈泡就會發(fā)光． (2)左、右線圈中每一圈上磁通量的變化率都相同．若左邊匝數(shù)為n1，則E1＝n1；若右邊匝數(shù)為n2，則E2＝n2，故有＝.若忽略左邊線圈的電阻，則有E1＝E電源，這樣看來小燈泡兩端電壓與左側(cè)交流電源電動勢及兩線圈匝數(shù)比都有關(guān)系． (3)不亮．原線圈接到恒定直流電源上，通過原線圈的電流的大小、方向均不變，它產(chǎn)生的磁場通過副線圈的磁通量不變，因此在副線圈中不會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，副線圈兩端沒有電壓，所以小燈泡不亮．這種現(xiàn)象說明，變壓器不能改變恒定電流的電壓． [要點(diǎn)提煉] 1．變壓器的構(gòu)造：閉合鐵芯、與交流電源相連接的線圈叫原線圈(匝數(shù)用n1表示，又叫做初級線圈)、與負(fù)載相連的另一個線圈叫副線圈 (匝數(shù)用n2表示，又叫做次級線圈)，兩個線圈都繞在閉合鐵芯上． 2．變壓器的工作原理是互感現(xiàn)象．因此變壓器只對變化的電流起作用，對恒定電流不起作用．(后兩空填“變化”或“恒定”) 3．變壓器中的電壓關(guān)系 (1)只有一個副線圈：＝. (2)有多個副線圈：＝＝＝…. 4．變壓器不能(填“能”或“不能”)改變交變電流的頻率． 5．原、副線圈的地位 (1)原線圈在其所處回路中充當(dāng)負(fù)載． (2)副線圈在其所處回路中充當(dāng)電源． 二、理想變壓器中的功率關(guān)系及電流關(guān)系 [問題設(shè)計(jì)] 1．什么是理想變壓器？理想變壓器原、副線圈中的功率有什么關(guān)系？ 答案 理想變壓器的理想化條件一般指的是：忽略原、副線圈內(nèi)阻上的分壓，忽略原、副線圈磁通量的差別，忽略變壓器自身的能量損耗，所以理想變壓器的輸入功率等于輸出功率，即P入＝P出． 2．若只有一個副線圈，原、副線圈中的電流與匝數(shù)有什么關(guān)系？ 答案 由能量守恒定律，有P入＝P出，即U1I1＝U2I2，所以＝＝. 3．若有多個副線圈時，原、副線圈中的電流與匝數(shù)有什么關(guān)系？ 答案 若有多個副線圈P1＝P2＋P3＋…，即U1I1＝U2I2＋U3I3＋… 將U1∶U2∶U3∶…＝n1∶n2∶n3∶…代入，得 n1I1＝n2I2＋n3I3＋… [要點(diǎn)提煉] 1．理想變壓器的特點(diǎn)： (1)變壓器鐵芯內(nèi)無漏磁，無發(fā)熱損失． (2)原、副線圈不計(jì)內(nèi)阻，即無能量損失． 實(shí)際變壓器(特別是大型變壓器)一般可以看成理想變壓器． 2．功率關(guān)系：P入＝P出． 3．電流關(guān)系： (1)若只有一個副線圈時，有I1U1＝I2U2，即＝； (2)當(dāng)有多個副線圈時，有I1U1＝I2U2＋I(xiàn)3U3＋…， 即I1n1＝I2n2＋I(xiàn)3n3＋… 三、理想變壓器中各量的制約關(guān)系和動態(tài)分析 1．變壓器工作時的制約關(guān)系 (1)電壓制約：當(dāng)變壓器原、副線圈的匝數(shù)比()一定時，輸入電壓U1決定輸出電壓U2，即U2＝. (2)功率制約：P出決定P入，P出增大，P入增大；P出減小，P入減小，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()一定，且輸入電壓U1確定時，副線圈中的輸出電流I2決定原線圈中的電流I1，即I1＝. 2．對理想變壓器進(jìn)行動態(tài)分析的兩種常見情況 (1)原、副線圈匝數(shù)比不變，負(fù)載電阻變化，進(jìn)行動態(tài)分析的順序是R→I2→P出→P入→I1； (2)負(fù)載電阻不變，匝數(shù)比變化，進(jìn)行動態(tài)分析的順序是n1、n2→U2→I2→P出→P入→I1. 四、各種各樣的變壓器 1．自耦變壓器 如圖2所示，鐵芯上只繞一個線圈，低壓線圈是高壓線圈的一部分，既可以作為升壓變壓器使用，也可以作為降壓變壓器使用． 圖2 規(guī)律：＝，＝. 2．電壓互感器、電流互感器 (1)構(gòu)造：如圖3甲、乙所示． (2)接法：電壓互感器原線圈并聯(lián)在高壓交流電路中，副線圈接電壓表；電流互感器原線圈串聯(lián)在被測交流電路中，副線圈接電流表．為了安全，外殼和副線圈應(yīng)接地． (3)作用：電壓互感器可將高電壓變?yōu)榈碗妷?，通過測量低電壓，計(jì)算出高壓交流電路的電壓．電流互感器將大電流變成小電流，通過測量小電流，計(jì)算出被測交流電路中的大電流． 圖3 一、對變壓器的原理的理解 例1 關(guān)于理想變壓器的工作原理，以下說法正確的是 ( ) A．通過正弦交變電流的原線圈產(chǎn)生的磁通量不變 B．穿過原、副線圈的磁通量在任何時候都相等 C．穿過副線圈磁通量的變化使得副線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 D．原線圈中的電流通過鐵芯流到了副線圈 解析 I變化，則磁場變化，由于面積S不變，故Φ變化，A錯誤．因理想變壓器無漏磁，故B、C正確．原線圈中的電能轉(zhuǎn)化為磁場能又轉(zhuǎn)化為電能，故D錯誤． 答案 BC 二、理想變壓器基本規(guī)律的應(yīng)用 例2 理想變壓器連接電路如圖4甲所示，已知原、副線圈匝數(shù)比為10∶1，當(dāng)輸入電壓波形如圖乙時，電流表讀數(shù)為2 A，則( ) 圖4 A．電壓表讀數(shù)為282 V B．電壓表讀數(shù)為28.2 V C．輸入功率為56.4 W D．輸入功率為40 W 解析 由題圖乙可知，Um＝282 V，則輸入電壓有效值U1＝≈200 V．根據(jù)＝知，U2＝20 V，再根據(jù)＝知，I1＝0.2 A，輸入功率P＝U1I1＝40 W，故A、B、C錯，D正確． 答案 D 三、理想變壓器中的動態(tài)分析 例3 如圖5所示為一理想變壓器，K為單刀雙擲開關(guān)，P為滑動變阻器的滑動觸頭，U1為加在原線圈兩端的交變電壓，I1為原線圈中的電流，則( ) 圖5 A．保持U1及P的位置不變，K由a扳向b時，I1將增大 B．保持U1及P的位置不變，K由b扳向a時，R消耗的功率減小 C．保持U1不變，K接在a處，使P上滑，I1將增大 D．保持P的位置不變，K接在a處，若U1增大，I1將增大 解析 保持U1及P的位置不變，K由a扳向b時，n1減小，增大，由U2＝U1知U2變大，則輸出電流I2增大，輸出功率增大，輸入功率也增大，由P1＝U1I1知，I1增大，A正確．同理，K若由b扳向a，R消耗功率將減小，B正確．U1不變，K接在a處，使P上滑時，I2減小，I1也減小，故C錯誤．保持P的位置不變，K接在a處，使若 U1增大，則U2也增大，即I2＝增大，又＝，故I1也應(yīng)增大，故D正確． 答案 ABD 四、各種各樣的變壓器 例4 圖6甲、乙是配電房中的互感器和電表的接線圖，下列說法中正確的是( ) 圖6 A．線圈匝數(shù)n1下載提示(請認(rèn)真閱讀)
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