2019-2020学年高中物理第5章交变电流第4节变压器课件 人教版选修3-2

2019-2020学年高中物理第5章交变电流第4节变压器课件 人教版选修3-2

第 4 节　变压器 1 ． 变压器 由 ____________ 和绕在铁芯上的 ____________ 组成，其中与交流电源连接的叫 __________ ，与负载连接的叫 __________ ，也叫次级线圈． 要点一　变压器的原理 闭合铁芯　 课前教材预案 两个线圈　 原线圈　 副线圈　 2 ． 原理 ________ 现象是变压器的工作基础．原线圈中电流的大小、方向在不断变化，在铁芯中激发的 ________ 也不断变化，变化的磁场在副线圈中产生 ______________. 3 ． 作用 改变交变电流的电压，不改变交变电流的周期和频率． 互感　 磁场　 感应电动势　 要点二　电压与匝数的关系 能量损失　 ＝　 n 2 I 2 ＋ n 3 I 3 ＋ … 　 课堂深度拓展 考点一　对变压器的工作原理的理解 1 ． 工作原理 变压器的变压原理是电磁感应．当原线圈加上交流电压 U 1 时，原线圈中就有交变电流，它在铁芯中产生变化的磁通量，在原、副线圈中都要产生感应电动势． 变压器工作原理 变压器是依据互感现象工作的，因此只能工作在交流电路中，如果变压器接入直流电路，原线圈中的电流不变，在铁芯中不能引起磁通量的变化，没有互感现象出现，变压器起不到变压作用． 【例题 1 】　 ( 多选 ) 关于理想变压器的工作原理，下列说法正确的是　 ( 　　 ) A ．通有正弦交变电流的原线圈产生的磁通量不变 B ．穿过原、副线圈的磁通量在任何时候都相等 C ．穿过副线圈磁通量的变化使得副线圈产生感应电动势 D ．原线圈中的电流通过铁芯流到了副线圈 思维导引： 互感现象是变压器的工作基础，应结合互感现象的有关规律分析理想变压器的工作原理． 答案 　 BC 　 解析　 正弦交变电流的大小时刻在改变，在原线圈中产生的磁通量也时刻变化，选项 A 错误；理想变压器铁芯无漏磁现象，选项 B 正确；变压器的工作原理是互感现象，原线圈中变化的电流引起铁芯中磁通量的改变，从而在副线圈中产生感应电动势，铁芯中没有电流，选项 C 正确， D 错误． 【变式 1 】　 如图所示，理想变压器原、副线圈匝数比 n 1 ∶ n 2 ＝ 2∶1 ，原线圈两端连接光滑导轨，副线圈与电阻 R 相连组成闭合回路，当直导线 AB 在匀强磁场中沿导轨匀速地向右做切割磁感线运动时，电流表 A 1 的读数是 10 mA ，那么电流表 A 2 的读数为　 ( 　　 ) A ． 0 B ． 5 mA 　 C ． 20 mA D ．与 R 值大小有关 答案　 A 　 解析　 导线 AB 匀速运动切割磁感线，只能产生恒定大小和方向的电流，铁芯中的磁通量没有改变，因此次级线圈上的电压为零． 考点二　理想变压器的基本规律 (1) 变压器的电动势关系、电压关系和电流关系是有效值间的关系，对于某时刻的瞬时值其关系不成立． (2) 变压器高压线圈匝数多而导线细，低压线圈匝数少而导线粗，这是区别高、低压线圈的方法． (3) 电流与匝数成反比只适用于一个副线圈的情况，多个副线圈时不成立． 【例题 2 】　 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，副线圈接入“ 220 V 　 60 W” 灯泡一只，且灯泡正常发光．则　 ( 　　 ) 思维导引： 解决变压器问题时抓住原、副线圈 “ 功率相等 ” 是关键，有很多情况下利用原、副线圈的功率关系能使问题快速得到解决． 答案　 C 　 答案　 AC 　 考点三　理想变压器的动态分析 对理想变压器进行动态分析的两种常见情况 (1) 原、副线圈匝数比不变，分析各物理量随负载电阻变化而变化的情况，进行动态分析的顺序是 R → I 2 → P 2 → P 1 → I 1 . (2) 负载电阻不变，分析各物理量随匝数比的变化而变化的情况，进行动态分析的顺序是 n 1 、 n 2 → U 2 → I 2 → P 2 → P 1 → I 1 . 【例题 3 】　 ( 多选 ) 如图所示为一理想变压器． S 为单刀双掷开关， P 为滑动变阻器的滑片， U 1 为变压器原线圈两端的电压， I 1 为原线圈中的电流，则 ( 　　 ) A ．保持 U 1 及 P 的位置不变， S 由 a 合到 b 上时， I 1 将增大 B ．保持 P 的位置及 U 1 不变， S 由 b 合到 a 上时， R 消耗的功率减小 C ．保持 U 1 不变， S 合在 a 处，使 P 上滑， I 1 将增大 D ．保持 P 的位置不变， S 合在 a 处，若 U 1 增大， I 1 将增大 思维导引： 此类问题首先要根据题意分清变量和不变量，其次要明确变量之间的相互制约关系 —— 对于电压，输入决定输出；对于电流和功率，输出决定输入． 答案　 ABD 　 【变式 3 】　 ( 多选 ) 如图所示，一理想变压器原线圈接入一交流电源，副线圈电路中 R 1 、 R 2 、 R 3 和 R 4 均为定值电阻，开关 S 闭合． V 1 和 V 2 为理想交流电压表，示数分别为 U 1 和 U 2 ； A 1 、 A 2 和 A 3 为理想交流电流表，示数分别为 I 1 、 I 2 和 I 3 . 现断开 S ， U 1 不变，下列推断中正确的是 ( 　　 ) A ． U 2 变小、 I 3 变小 B ． U 2 不变、 I 3 变大 C ． I 1 变小、 I 2 变小 D ． I 1 变大、 I 2 变大 答案 　 BC 　 解析　 理想变压器的电压与匝数成正比，由于理想变压器原线圈两端的电压不变，则副线圈两端的电压不变，所以 V 2 的示数 U 2 不变； 1 ． 自耦变压器 如图所示，铁芯上只绕一个线圈，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． 考点四　几种常用的变压器 2 ． 互感器 电压互感器 电流互感器 原线圈的连接 原线圈并联在高压电路中 原线圈串联在待测强电流电路中 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 将强电流变为小电流 如果电流互感器在运行时副线圈断开， I 2 ＝ 0 ，则铁芯中的磁通量会急剧增大 ( 因为原线圈中电流很大，在铁芯中产生的磁通量很大，正常运行时， I 2 ≠ 0 ，且 n 2 > n 1 ，所以 I 1 产生的磁通量大部分被 I 2 产生的磁通量所抵消 ) ，这将在副线圈两端感应出高压 ( 可达 10 3 V 以上 ) ，即使副线圈的一端接地，对人及仪表仍不安全． 因此，电流互感器副线圈不允许断路，因此不允许安装保险丝．电压互感器在运行时应严防短路，因短路时副线圈电路感抗大大减小，会出现很大的短路电流，使副线圈发热而严重烧毁，所以在电压互感器低压侧要装保险丝． 【例题 4 】　 ( 多选 ) 如图甲、乙所示是配电房中的互感器和电表的接线图，下列说法正确的是 ( 　　 ) A ．线圈匝数 n 1 < n 2 ， n 3 < n 4 B ．线圈匝数 n 1 > n 2 ， n 3 > n 4 C ．甲图中的电表是电压表，输出端不可短路 D ．乙图中的电表是电流表，输出端不可断路 思维导引： 电压互感器是降压变压器，知 n 1 > n 2 ，电流互感器是升压变压器，知 n 3 < n 4 . 使用互感器时，一定要将外壳和副线圈接地． 答案 　 CD 　 解析　 题图甲中的原线圈并联在电路中，为电压互感器，是降压变压器， n 1 > n 2 ，题图甲中的电表为电压表；题图乙中的原线圈串联在电路中，为电流互感器，是升压变压器， n 3 < n 4 ，题图乙中的电表为电流表，故选项 C 、 D 正确． 【变式 4 】　 钳形电流表的外形和结构如图甲所示，图甲中电流表的读数为 1.2 A ，图乙中用同一电缆线绕了 3 匝，则 ( 　　 ) A ．这种电流表能测直流电流，图乙的读数为 2.4 A B ．这种电流表能测交变电流，图乙的读数为 0.4 A C ．这种电流表能测交变电流，图乙的读数为 3.6 A D ．这种电流表既能测直流电流，又能测交变电流，图乙的读数为 3.6 A 答案　 C 　 解析　 钳形电流表的工作原理是电磁感应，所以它可以测定交变电流，根据变压器的原理， I 1 n 1 ＝ I 0 n 0 ，其中 n 1 指钳形电流表内部线圈的匝数， n 0 指甲图中电缆线的匝数， I 1 指电表的电流，当在图乙中用同一电缆线绕了 n ′ 0 ＝ 3 匝时， n ′ 0 ＝ 3 n 0 ，且满足 I ′ 1 n 1 ＝ I 0 n ′ 0 ，解得 I ′ 1 ＝ 3 I 1 ＝ 3.6 A ．　 1 ．对理想变压器作出的判断正确的是 ( 　　 ) A ．高压线圈匝数多、电流大、导线粗 B ．低压线圈匝数少、电流小、导线细 C ．高压线圈匝数多、电流大、导线细 D ．低压线圈匝数少、电流大、导线粗 答案　 D 　 课末随堂演练 解析　 高压线圈的匝数多，电流小，用细线；低压线圈的匝数少，电流大，用粗线． 答案　 D 　 3 ． ( 多选 ) 如图所示，理想变压器的原线圈连接一只理想交流电流表，副线圈匝数可以通过滑动触头 Q 来调节，在副线圈两端连接了定值电阻 R 0 和滑动变阻器 R ， P 为滑动变阻器的滑片．在原线圈上加一电压为 U 的正弦交变电流，则 ( 　　 ) A ．保持 Q 的位置不动，将 P 向上滑动时，电流表读数变大 B ．保持 Q 的位置不动，将 P 向上滑动时，电流表读数变小 C ．保持 P 的位置不动，将 Q 向上滑动时，电流表读数变大 D ．保持 P 的位置不动，将 Q 向上滑动时，电流表读数变小 答案 　 BC 　 解析　 保持 Q 的位置不动，将 P 向上滑时，副线圈电路中电阻变大，所以副线圈的电流变小，原线圈中电流也变小，选项 A 错误， B 正确；保持 P 的位置不动，将 Q 向上滑时，副线圈两端的电压变大，所以副线圈中电流变大，原线圈中电流也变大，选项 C 正确， D 错误． 4 ． ( 多选 ) 为了监测变电站向外输电的情况，要在变电站安装互感器，其接线如图所示，两变压器匝数分别为 n 1 、 n 2 和 n 3 、 n 4 ， a 和 b 是交流电表，则 ( 　　 ) A ． n 1 > n 2 B ． n 3 > n 4 C ． a 为交流电流表， b 为交流电压表 D ． a 为交流电压表， b 为交流电流表 答案 　 AD 　 解析　 由电路连接方式可知，左边是电压互感器，把高电压经过变压器降压后测量，所以 n 1 > n 2 ， a 为交流电压表；右边为电流互感器，把大电流经过变压器减为小电流再测量，所以 n 3 < n 4 ， b 为交流电流表． 5 ．一自耦变压器如图所示，环形铁芯上只绕有一个线圈，将其接在 a 、 b 间作为原线圈．通过滑动触头取该线圈的一部分，接在 c 、 d 间作为副线圈，在 a 、 b 间输入电压为 U 1 的交变电流时， c 、 d 间的输出电压为 U 2 ，在将滑动触头从 M 点顺时针转到 N 点的过程中 ( 　　 ) A ． U 2 > U 1 ， U 2 降低 B ． U 2 > U 1 ， U 2 升高 C ． U 2 ＜ U 1 ， U 2 降低 D ． U 2 ＜ U 1 ， U 2 升高 答案　 C