【物理】2019届一轮复习人教版理想变压器远距离输电学案(1)

【物理】2019届一轮复习人教版理想变压器远距离输电学案(1)

‎ ‎ 第十一章 交变电流 传感器 ‎ ‎ ‎1.交变电流的产生及其各物理量的变化规律，应用交流电的图象解决问题．‎ ‎2．利用有效值的定义，对交变电流的有效值进行计算．‎ ‎3．理想变压器原、副线圈中电流、电压、功率之间的关系应用，变压器动态变化的分析方法．‎ ‎4．远距离输电的原理和相关计算．‎ ‎5．传感器的简单使用，能够解决与科技、社会紧密结合的问题.‎ ‎6．高考对本章知识的考查主要体现在“三突出”：①突出考查交变电流的产生过程；②突出考查交变电流的图象和交变电流的四值；③突出考查变压器，对变压器的原理理解的同时，还要掌握变压器的静态计算和动态分析，远距离输电也要重视。对本专题知识点高考每年必考．命题频率较高的知识点 有交变电流的变化规律(包括图象)、最大值与有效值等，以选择题的形式出现。变压器的原理，电压比、电流比及功率关系是考查的重点；将本章知识与电磁感应等结合的力、电综合题，或考查与本章知识有关的实际应用。‎ ‎ ‎ ‎ ‎ ‎1.理解变压器的原理，会用功率关系、电压比、电流比进行有关的计算.‎ ‎2.能够对变压器进行动态分析.‎ ‎3.会分析计算远距离输电问题．‎ 一、理想变压器 ‎1． 工作原理 互感现象．‎ ‎2． 基本关系式 ‎(1)功率关系：P入＝P出．‎ ‎(2)电压关系：只有一个副线圈时，；有多个副线圈时，＝….‎ ‎ (3)电流关系：只有一个副线圈时，.‎ 由P入＝P出及P＝UI推出有多个副线圈时，U1I1＝U2I2＋U3I3＋….‎ ‎3． 几种常用的变压器 ‎(1)自耦变压器——调压变压器．‎ ‎(2)互感器 ‎4． 理想变压器的理解 ‎(1)没有能量损失；‎ ‎(2)没有磁通量损失．‎ 二、远距离输电 ‎1． 输电过程(如图所示)‎ ‎2．输送电流 ‎(1)I＝；(2)I＝.‎ ‎3．输电导线上的能量损失：主要是由输电线的电阻发热产生的，表达式为Q＝I2Rt.‎ ‎4．电压损失 ‎(1)ΔU＝U－U′；(2)ΔU＝IR.‎ ‎5． 功率损失 ‎(1)ΔP＝P－P′；(2)ΔP＝I2R＝()2R ‎6． 降低输电损耗的两个途径 ‎(1)减小输电线的电阻，由电阻定律R＝ρ可知，在输电距离一定的情况下，为了减小电阻，应采用电阻率小的材料，也可以增加导线的横截面积．‎ ‎(2)减小输电导线中的输电电流，由P＝UI可知，当输送功率一定时，提高输电电压，可以减小输电电流．‎ ‎ ‎ 考点一　理想变压器原、副线圈基本关系的应用 ‎1． 基本关系 ‎(1)P入＝P出； ‎ ‎(2) ，有多个副线圈时，仍然成立．‎ ‎(3) ，电流与匝数成反比，只对一个副线圈的变压器适用．有多个副线圈时，由输入功率和输出功率相等确定电流关系．‎ ‎(4)原、副线圈的每一匝的磁通量都相同，磁通量变化率也相同，频率也就相同．‎ ‎2． 制约关系 ‎(1)电压：副线圈电压U2由原线圈电压U1和匝数比决定．‎ ‎(2)功率：原线圈的输入功率P1由副线圈的输出功率P2决定．‎ ‎(3)电流：原线圈电流I1由副线圈电流I2和匝数比决定．‎ ‎3.两种特殊的变压器模型 ‎（1）自耦变压器 高中物理中研究的变压器本身就是一种忽略了能量损失的理想模型，自耦变压器(又称调压器)，它只有一个线圈，其中的一部分作为另一个线圈，当交流电源接不同的端点时，它可以升压也可以降压，变压器的基本关系对自耦变压器均适用．‎ ‎（2）互感器 分为：电压互感器和电流互感器，比较如下：‎ 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 利用的公式 I1n1＝I2n2‎ ‎★重点归纳★‎ ‎1、关于理想变压器的四点说明 ‎　(1)变压器不能改变直流电压．‎ ‎(2)变压器只能改变交变电流的电压和电流，不能改变交变电流的频率．‎ ‎(3)理想变压器本身不消耗能量．‎ ‎(4)理想变压器基本关系中的U1、U2、I1、I2均为有效值．‎ ‎2．解决变压器问题的三种思路 ‎(1)电压：变压器原、副线圈的电压之比为；当变压器有多个副线圈时，＝….‎ ‎(2)功率：理想变压器的输入、输出功率为P入＝P出，当变压器有多个副线圈时，P1＝P2＋P3＋….‎ ‎(3)电流：由知，对只有一个副线圈的变压器有，当变压器有多个副线圈时有n1I1＝n2I2＋n3I3＋….‎ ‎★典型案例★（多选）理想变压器原线圈a匝数n1＝200匝，副线圈b匝数n2＝100匝，线圈a接在u＝44sin314tV的交流电源上，“12V，6W”的灯泡恰好正常发光，电阻R2＝16Ω，电压表V为理想电表。下列推断正确的是： （ ）‎ ‎ A．交变电流的频率为100H B．穿过铁芯的磁通量的最大变化率为Wb／s C．电压表V的示数为22 V D．R1消耗的功率是1 W ‎【答案】BD ‎【名师点睛】基本关系式中物理量之间的决定关系：‎ 电压 副线圈电压U2由原线圈电压U1和匝数比决定，即U2＝U1（原制约副）‎ 功率 副线圈中的功率P2由用户负载决定，原线圈的输入功率P1由副线圈的输出功率P2决定，即P1＝P2（副制约原）‎ 电流 原线圈的电流I1由副线圈的电流I2和匝数比决定，即I1＝I2（副制约原）‎ ‎★针对练习1★（多选）如图所示，理想变压器原、副线圈的匝数比，b是原线圈的中心抽头，S为单刀双掷开关，定值电阻、均为。在原线圈c、d两端加上图示的交变电压，下列说法正确的是： （ ）‎ A、当S与a连接后，理想电流表示数为 B、当S与a连接后，理想电压表示数为 C、当S由a拨到b后，副线圈输出电压的频率变为 D、当S由a拨到b后，原线圈的输入功率变为原来的4倍 ‎【答案】AD ‎【名师点睛】掌握住理想变压器的电压、电流之间的关系，最大值和有效值之间的关系即可解决本题．‎ ‎★针对练习2★如图所示，理想变压器原、副线圈匝数之比为20:1，原线圈接正弦交流电源上，副线圈接入“3V，6W”灯泡一只，且灯泡正常发光．则： （ ）‎ A．原线圈电压为 3V B．电源输出功率 120 W C．电流表的示数为 0．1A D．电流表的示数为 40A ‎【答案】C ‎【解析】根据电压与匝数成正比可知，原线圈端电压为，故A错误；在理想的变压器中的输入功率和 ‎【名师点睛】在理想的变压器中的输入功率和输出功率的大小相等，电压与匝数成正比，电流与匝数成反比。‎ 考点二　理想变压器的动态分析 解决理想变压器中有关物理量的动态分析问题的方法 ‎（1）分清不变量和变量，弄清理想变压器中电压、电流、功率之间的联系和相互制约关系，利用闭合电路欧姆定律，串、并联电路特点进行分析判定．‎ ‎（2）分析该类问题的一般思维流程是：‎ ‎★重点归纳★‎ 常见的理想变压器的动态分析问题一般有两种：匝数比不变的情况和负载电阻不变的情况．‎ ‎（1）匝数比不变的情况 ‎①U1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．‎ ‎③I2变化引起P2变化，由P1＝P2知P1发生变化．‎ ‎（2）负载电阻不变的情况 ‎①U1不变，发生变化，U2变化．‎ ‎②R不变，U2变化，I2发生变化．‎ ‎③根据和P1＝P2，可以判断P2变化时，P1发生变化，U1不变时，I1发生变化．‎ ‎★典型案例★如图所示，理想变压器原、副线圈的匝数比为10：1，b是原线圈的中心抽头，电压表和电流表均为理想电表，从某时刻开始在原线圈c、d两端加上交变电压，其瞬时值表达式为u1＝220sin100πt（V），则： （ ）‎ A. 当单刀双掷开关与a连接时，电压表的示数为22V B. 当t＝s时，c、d间的电压瞬时值为110V C. 单刀双掷开关与a连接，在滑动变阻器触头P向上移动的过程中，电压表和电流表的示数均变小 D. 当单刀双掷开关由a扳向b时，电压表和电流表的示数均变小 ‎【答案】A ‎【名师点睛】电路的动态变化的分析，总的原则就是由部分电路的变化确定总电路的变化的情况，再确定其他的电路的变化的情况，即先部分后整体再部分的方法。‎ ‎★针对练习1★如图所示，理想变压器原线圈与电阻R0串联，原、副线圈的匝数比为20∶1，b是原线圈的中心抽头，副线圈连接滑动变阻器、电流表和电压表，电表均为理想交流电表。已知交流电源电压瞬时值表达式为u＝220sin100πt（V）。将单刀双掷开关K扳向a后，下列说法中正确的是： （ ）‎ V ‎ A ‎ R ‎ R0 ‎ a ‎ b ‎ K ‎ u ‎ A．电压表的示数为11 V B．通过滑动变阻器R的交流电的频率为100 H ‎ C．若将滑动变阻器的滑片下移，则电压表的示数减小，R0功率增大 D．若将单刀双掷开关由a扳向b，则电流表的示数减小 ‎【答案】C ‎【名师点睛】电路的动态变化的分析，总的原则就是由部分电路的变化确定总电路的变化的情况，再确定其他的电路的变化的情况，即先部分后整体再部分的方法。‎ ‎★针对练习2★（多选）如图所示，有一矩形线圈的面积为S，匝数为N，内阻不计，绕OO′轴在水平方向的磁感应强度为B的匀强磁场中以角速度ω做匀速转动，从图示位置开始计时。矩形线圈通过滑环接一理想变压器，滑动触头P上下移动时可改变输出电压，副线圈接有可调电阻R，下列判断正确的是： （ ）‎ A．矩形线圈产生的感应电动势的瞬时值表达式为e＝NBSωcosωt B．矩形线圈从图示位置经过时间内，通过电流表的电荷量为零 C．当P位置不动，R增大时，电压表读数也增大 D．当P位置向上移动，R不变时，电流表读数变大 ‎【答案】AD ‎【解析】从垂直于中性面时开始计时，矩形线圈产生的感应电动势的瞬时值表达式为e=NBSωcosωt；故A正确；矩形线圈从图示位置经过时间时，转过的角度为 ‎，磁通量一直增加，电流方向没有改变，故通过电流表的电荷量为：（其中R1为回路的等效电阻）；故B错误；交流发电机内电阻不计，故变压器输入电压不变，根据理想变压器的变压比公式，当P位置不动，R增大时，电压表读数不变，仍然等于发电机的电动势有效值；故C错误；当P位置向上移动、R不变时，根据理想变压器的变压比公式，输出电压变大，故电流变大，功率变大，故输入电流也变大，故电流表读数变大；故D正确；故选AD.‎ 考点三　远距离输电问题 ‎1． 远距离输电的处理思路 对高压输电问题，应按“发电机→升压变压器→远距离输电线→降压变压器→用电器”，或按从“用电器”倒推到“发电机”的顺序一步一步进行分析．‎ ‎2． 远距离高压输电的几个基本关系(以图9为例)‎ ‎ (1)功率关系：P1＝P2，P3＝P4，P2＝P损＋P3.‎ ‎(2)电压、电流关系：，，U2＝ΔU＋U3，I2＝I3＝I线．‎ ‎(3)输电电流：.‎ ‎(4)输电线上损耗的电功率：P损＝I线ΔU＝IR线＝R线．‎ 当输送功率一定时，输电电压增大到原来的n倍，输电线上损耗的功率就减小到原来的 ‎★重点归纳★‎ 远距离输电问题的“三二一”‎ ‎（1）理清三个回路 ‎（2）抓住两个联系 ‎①理想的升压变压器联系了回路1和回路2，由变压器原理可得：线圈1(匝数为n1)和线圈2(匝数为n2)中各个量间的关系是，，P1＝P2.‎ ‎②理想的降压变压器联系了回路2和回路3，由变压器原理可得：线圈3(匝数为n3)和线圈4(匝数为n4)中各个量间的关系是，，P3＝P4.‎ ‎（3）掌握一个守恒 能量守恒关系式P1＝P损＋P3‎ ‎★典型案例★如图，利用理想变压器进行远距离输电，发电厂的输出电压恒定，输电线路的电阻不变，当用电高峰到来时： （ ）‎ A．输电线上损耗的功率减小 B．电压表V1的示数减小，电流表A1增大 C．电压表V2的示数增大，电流表A2减小 D．用户功率与发电厂输出功率的比值减小 ‎【答案】D ‎【名师点睛】解决本题的关键知道：1、输送功率与输送电压、电流的关系；2、变压器原副线圈的电压比与匝数比的关系；3、升压变压器输出电压、降压变压器输入电压、电压损失的关系；4、升压变压器的输出功率、功率损失、降压变压器的输入功率关系。‎ ‎★针对练习1★（多选）某同学在实验室中研究远距离输电。由于输电线太长，他将每 100 米导线卷成一卷，共卷成 8 卷来代替输电线路（忽略输电线路的自感作用）。第一次直接将输电线与学生电源及用电器相连，测得输电线上损失的功率为P1。第二次采用如图所示的电路输电，其中理想变压器 T1与电源相连，其原、副线圈的匝数比为n1：n2，理想变压器T2与用电器相连，测得输电线上损失的功率为P2。下列说法正确的是： （ ）‎ A．前后二次实验都可用于研究远距离直流输电 B．实验可以证明，减小输电电流能减小远距离输电的能量损失 C．若输送功率一定，则P2：P1=n12：n22‎ D．若输送功率一定，则P2：P1=n1：n2‎ ‎【答案】BC ‎【名师点睛】对于远距离输电问题，一定要明确整个过程中的功率、电压关系，尤其注意导线上损失的电压和功率与哪些因素有关．根据变压器的特点：电压比等于匝数比，电流之比等于匝数反比，输入功率等于输出功率去分析 ‎★针对练习2★（多选）‎ 在如图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．随着发电厂输出功率的增大，下列说法中正确的有： （ ）‎ 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 ‎【答案】CD ‎【解析】‎ 由于发电厂的输出电压不变，升压变压器的匝数不变，所以升压变压器的输出电压不变，故A错误．由于发电厂的输出功率变大，则升压变压器的输出功率变大，又升压变压器的输出电压U2不变，根据P=UI可输电线上的电流I线变大，根据U损=I线R，输电线上的电压损失变大，根据降压变压器的输入电压U3=U2-U损可得，降压变压器的输入电压U3减小，降压变压器的匝数不变，所以降压变压器的输出电压减小，故B错误．根据P损=I2线R，又输电线上的电流增大，电阻不变，所以输电线上的功率损失变大，故C正确．根据，发电厂的输出电压不变，输电线上的电阻不变，随着发电厂输出功率的增大，输电线上损耗的功率占总功率的比例随着发电厂输出功率的增大而增大．故D正确 ．故选CD.‎ ‎【名师点睛】正确解答本题需要掌握：理想变压器的输入功率由输出功率决定，输出电压由输入电压决定；明确远距离输电过程中的功率、电压的损失与哪些因素有关，明确整个过程中的功率、电压关系．理想变压器电压和匝数关系。‎ ‎ ‎