2019年高考物理一輪復(fù)習(xí) 第十一章 交變電流 傳感器 第2講 變壓器 電能的輸送學(xué)案

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1、 第2講　變壓器　電能的輸送 板塊一　主干梳理·夯實(shí)基礎(chǔ)　 1．構(gòu)造：如圖所示。變壓器主要由閉合鐵芯和繞在鐵芯上的兩個(gè)線圈組成。 (1)原線圈：指與交流電源連接的線圈，也叫初級(jí)線圈。 (2)副線圈：指與負(fù)載連接的線圈，也叫次級(jí)線圈。 2．工作原理：電磁感應(yīng)的互感現(xiàn)象。 3．理想變壓器的基本關(guān)系式 (1)功率關(guān)系：P入＝P出。 (2)電壓關(guān)系：＝，若n1>n2，為降壓變壓器；若n1

2、(2)互感器 ①電壓互感器，可以把高電壓降為低電壓； ②電流互感器，可以把強(qiáng)電流降為弱電流。 【知識(shí)點(diǎn)2】　遠(yuǎn)距離輸電　Ⅰ 1．輸電過(guò)程(如圖所示) 2．電壓損失 (1)ΔU＝U－U′。 (2)ΔU＝IR。 3．功率損失 (1)ΔP＝P－P′。 (2)ΔP＝I2R＝2R＝。 4．輸送電流 (1)I＝。 (2)I＝。 板塊二　考點(diǎn)細(xì)研·悟法培優(yōu)　　　　　　　　　　　　　　　　 考點(diǎn)1理想變壓器的工作原理和基本量的關(guān)系[深化理解] 1．基本關(guān)系 (1)無(wú)漏磁，故原、副線圈中的Φ、相同。 (2)線圈無(wú)電阻，因此無(wú)電壓降，U＝E＝n。 (3)根據(jù)＝得，套在

3、同一鐵芯上的線圈，無(wú)論是原線圈，還是副線圈，該比例都成立，則有＝＝＝…。 (4)無(wú)電能損失，因此P入＝P出，無(wú)論副線圈一個(gè)還是多個(gè)，總有U1I1＝U2I2＋U3I3＋…，將電壓關(guān)系代入可得n1I1＝n2I2＋n3I3＋…。 (5)變壓器只能改變交變電流的電壓和電流，不能改變交變電流的頻率。 (6)理想變壓器基本關(guān)系中的U1、U2、I1、I2均為有效值。 2．基本關(guān)系式中物理量之間的決定關(guān)系 (1)電壓決定關(guān)系：輸入電壓U1決定輸出電壓U2，這是因?yàn)檩敵鲭妷篣2＝U1，當(dāng)U1不變時(shí)，不論負(fù)載電阻R變化與否，U2不會(huì)改變。 (2)電流決定關(guān)系：輸出電流I2決定輸入電流I1。 (3)功

4、率決定關(guān)系：輸出功率P2決定輸入功率P1，也可簡(jiǎn)記為“用決定供”。 例1　如圖所示，理想變壓器有兩個(gè)副線圈，L1、L2是兩盞規(guī)格為“8 V,10 W”的燈泡，L3、L4是兩盞規(guī)格為“6 V,12 W”的燈泡，當(dāng)變壓器的輸入電壓為U1＝220 V時(shí)，四盞燈泡恰好都能正常發(fā)光，如果原線圈的匝數(shù)n1＝1100匝，求： (1)副線圈的匝數(shù)n2、n3? (2)電流表的讀數(shù)？ (1)變壓器的輸入電壓U1＝220 V是什么值？電流表的讀數(shù)是什么值？ 提示：有效值，有效值。 (2)電燈泡正常發(fā)光，如何確定副線圈n2、n3上的電壓？ 提示：U2＝8 V，U3＝UL3＋UL4＝12 V。

5、嘗試解答　(1)40匝__60匝__(2)0.2_A。 (1)由變壓器原理可知，n1∶n2∶n3＝U1∶U2∶U3，則 n2＝n1＝×1100＝40 n3＝n1＝×1100＝60。 (2)由P入＝P出可得，I1U1＝P1＋P2＋P3＋P4，所以 I1＝＝ A＝0.2 A 總結(jié)升華 1．變壓器原線圈含有負(fù)載問(wèn)題的分析 (1)在原線圈回路中，原線圈兩端的電壓與負(fù)載兩端電壓之和等于電源的電壓； (2)要求解原線圈中負(fù)載的電流、電壓和功率，一般需先求副線圈中的電流，然后根據(jù)理想變壓器的關(guān)系求得原線圈中負(fù)載的電流。 原、副線圈的電流關(guān)系往往是解決問(wèn)題的突破口。 2．含有多個(gè)副線圈的

6、變壓器電路分析 副線圈有兩個(gè)或兩個(gè)以上時(shí)，一般從原、副線圈的功率相等入手。由于電壓與匝數(shù)仍然成正比，當(dāng)副線圈的用電器為純電阻時(shí)，應(yīng)用P2＝求副線圈功率，或副線圈的用電器正常工作時(shí)，而原線圈的功率應(yīng)用P1＝U1I1，之后根據(jù)P1＝P2求解相關(guān)量。 3．變壓器與二極管相結(jié)合的分析 當(dāng)副線圈回路中含有二極管時(shí)，由于二極管具有單向?qū)щ娦?，?huì)使交變電流只有一半時(shí)間導(dǎo)通，經(jīng)過(guò)二極管后的輸出電壓的有效值與副線圈兩端交流電壓的正常有效值不相等，應(yīng)根據(jù)電流的熱效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算。 　(多選)如圖所示，理想變壓器輸入端接在電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間變化、內(nèi)阻為r的交流電源上，輸出端接理想電流表及阻值為R的負(fù)載，變壓器原、副線

7、圈匝數(shù)的比值為∶。如果要求負(fù)載上消耗的電功率最大，則下列說(shuō)法正確的是(　　) A．交流電源的效率為50% B．電流表的讀數(shù)為 C．負(fù)載上消耗的熱功率為 D．該交流電源電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值表達(dá)式為e＝Emsin100πt V 答案　AB 解析　把變壓器和R看作一個(gè)整體，等效電阻為R′，當(dāng)R′＝r時(shí)，負(fù)載上的電功率最大，此時(shí)總功率為P總＝＝，負(fù)載功率為P負(fù)載＝＝，其效率為50%，則A選項(xiàng)正確，C選項(xiàng)錯(cuò)誤。電流表的讀數(shù)為副線圈電流的有效值，原線圈電流有效值為I1＝＝，則I2＝I1＝I1＝，故B選項(xiàng)正確。由題圖知周期為0.04 s，則ω＝＝50π rad/s，則瞬時(shí)值表達(dá)式為e＝Emsin5

8、0πt V，故D選項(xiàng)錯(cuò)誤。 考點(diǎn)2理想變壓器的動(dòng)態(tài)分析[解題技巧] 常見(jiàn)的理想變壓器的動(dòng)態(tài)分析問(wèn)題一般有兩種：匝數(shù)比不變的情況和負(fù)載電阻不變的情況。 1．匝數(shù)比不變的情況(如圖所示) (1)U1不變，根據(jù)＝，輸入電壓U1決定輸出電壓U2，可以得出不論負(fù)載電阻R如何變化，U2不變。 (2)當(dāng)負(fù)載電阻發(fā)生變化時(shí)，I2變化，根據(jù)輸出電流I2決定輸入電流I1，可以判斷I1的變化。 (3)I2變化引起P2變化，根據(jù)P1＝P2，可以判斷P1的變化。 2．負(fù)載電阻不變的情況(如圖所示) (1)U1不變，發(fā)生變化，U2變化。 (2)R不變，U2變化，I2發(fā)生變化。 (3)根據(jù)P

9、2＝和P1＝P2，可以判斷P2變化時(shí)，P1發(fā)生變化，U1不變時(shí)，I1發(fā)生變化。 3．分析動(dòng)態(tài)問(wèn)題的步驟 例2　有一種調(diào)壓變壓器的構(gòu)造如圖所示。線圈AB繞在一個(gè)圓環(huán)形的鐵芯上，C、D之間加上輸入電壓，轉(zhuǎn)動(dòng)滑動(dòng)觸頭P就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。圖中為交流電流表，為交流電壓表，R1、R2為定值電阻，R3為滑動(dòng)變阻器，C、D兩端接正弦交流電源，變壓器可視為理想變壓器，則下列說(shuō)法正確的是 (　　) A．當(dāng)R3不變，滑動(dòng)觸頭P順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電流表讀數(shù)變小，電壓表讀數(shù)變小 B．當(dāng)R3不變，滑動(dòng)觸頭P逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電流表讀數(shù)變小，電壓表讀數(shù)變小 C．當(dāng)P不動(dòng)，滑動(dòng)變阻器滑動(dòng)觸頭向上滑動(dòng)時(shí)，電流表

10、讀數(shù)變小，電壓表讀數(shù)變小 D．當(dāng)P不動(dòng)，滑動(dòng)變阻器滑動(dòng)觸頭向下滑動(dòng)時(shí)，電流表的讀數(shù)變大，電壓表的讀數(shù)變大 (1)滑動(dòng)觸頭P順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，原、副線圈的匝數(shù)比如何變？ 提示：增大。 (2)滑動(dòng)變阻器滑動(dòng)觸頭向上滑動(dòng)，副線圈的總電阻如何變？ 提示：增大。 嘗試解答　選A。 當(dāng)R3不變，P順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，nMN減小，由＝知UMN減小，則電壓、電流表讀數(shù)均減小，A項(xiàng)正確，同理知B項(xiàng)錯(cuò)。當(dāng)P不動(dòng)時(shí)，匝數(shù)nMN不變，輸出電壓UMN不變，滑片向上滑動(dòng)，R3阻值變大，根據(jù)串反并同，得電壓表示數(shù)變大，電流表示數(shù)變小，C項(xiàng)錯(cuò)誤，同理知D項(xiàng)也錯(cuò)誤。 總結(jié)升華 理想變壓器的動(dòng)態(tài)分析 (1)解決這類(lèi)問(wèn)題的

11、方法是：首先要分清變量和不變量，弄清“誰(shuí)決定誰(shuí)”，然后利用直流電路中的動(dòng)態(tài)分析方法即可。 (2)對(duì)變壓器的負(fù)載電路進(jìn)行分析時(shí)，可以把變壓器的副線圈看作是給用戶(hù)供電的無(wú)阻電源，分析方法與直流電路的分析方法基本相同。 　[2017·湖南長(zhǎng)沙模擬](多選)如圖，一理想變壓器原線圈接入一交流電源，副線圈電路中R1、R2、R3和R4均為定值電阻，開(kāi)關(guān)S是閉合的。V1和V2為理想電壓表，讀數(shù)分別為U1和U2；A1、A2和A3為理想電流表，讀數(shù)分別為I1、I2和I3。現(xiàn)斷開(kāi)S，U1數(shù)值不變，下列推斷中正確的是(　　) A．U2變小、I3變小 B．U2不變、I3變大 C．I1變小、I2變小 D．I

12、2變大、I3變大 答案　BC 解析　理想變壓器有＝，由于原線圈電壓不變，所以V2的示數(shù)U2也不變，A錯(cuò)誤；當(dāng)S斷開(kāi)后，負(fù)載的總電阻變大，由于副線圈電壓不變，所以總電流減小，即I2變小，故D錯(cuò)誤；由于＝，當(dāng)副線圈的電流減小時(shí)，原線圈的電流也要減小，所以I1變小，C正確；由于副線圈的總電流減小，R1的電壓減小，并聯(lián)電路的電壓U3就會(huì)增大，所以R3的電流I3就會(huì)增大，故B正確。 考點(diǎn)3遠(yuǎn)距離輸電[拓展延伸] 1．遠(yuǎn)距離輸電的處理思路 對(duì)高壓輸電問(wèn)題，應(yīng)按“發(fā)電機(jī)→升壓變壓器→遠(yuǎn)距離輸電線→降壓變壓器→用電器”這樣的順序，或從“用電器”倒推到“發(fā)電機(jī)”一步一步進(jìn)行分析。 2．遠(yuǎn)距離高壓

13、輸電的幾個(gè)基本關(guān)系(以下圖為例) (1)功率關(guān)系：P1＝P2，P3＝P4，P2＝P損＋P3。 (2)電壓、電流關(guān)系：＝＝，＝＝ U2＝ΔU＋U3，I2＝I3＝I線。 (3)輸電電流：I線＝＝＝。 (4)輸電線上損耗的電功率 P損＝I線ΔU＝IR線＝2R線。 當(dāng)輸送的電功率一定時(shí)，輸電電壓增大到原來(lái)的n倍，輸電線上損耗的功率就減小到原來(lái)的。 例3　某村在距村莊較遠(yuǎn)的地方修建了一座小型水電站，發(fā)電機(jī)輸出功率為9 kW，輸出電壓為500 V，輸電線的總電阻為10 Ω，允許線路損耗的功率為輸出功率的4%。求： (1)村民和村辦小企業(yè)需要220 V電壓時(shí)，所用升壓變壓器和降壓變

14、壓器的原、副線圈的匝數(shù)比各為多少？(不計(jì)變壓器的損耗) (2)若不用變壓器而由發(fā)電機(jī)直接輸送，村民和村辦小企業(yè)得到的電壓和功率是多少？ (1)畫(huà)出輸電電路圖，并標(biāo)上各個(gè)物理量。 提示： (2)分析升壓變壓器、降壓變壓器的功率及電壓關(guān)系？ 提示：U送＝ΔU＋U1　P輸出＝P輸送＝P用＋ΔP。 嘗試解答　(1)1∶3__72∶11__(2)320_V__5760_W。 (1)輸電電路圖如圖所示， 由ΔP＝4% P輸出和ΔP＝IR 得I2＝＝6 A 則U送＝＝1500 V 升壓變壓器原、副線圈匝數(shù)比 ＝＝＝ 輸電線上電壓損失ΔU＝I2R＝60 V 故降壓變壓器輸入

15、電壓 U1＝U送－ΔU＝1440 V 故降壓變壓器原、副線圈匝數(shù)比 ＝＝＝。 (2)若不用變壓器，則輸電電流 I＝＝18 A U＝U0－IR＝320 V，P＝P輸出－I2R＝5760 W。 總結(jié)升華 解決遠(yuǎn)距離輸電問(wèn)題應(yīng)注意下列幾點(diǎn) (1)畫(huà)出輸電電路圖。 (2)注意升壓變壓器副線圈中的電流與降壓變壓器原線圈中的電流相等。 (3)輸電線長(zhǎng)度等于距離的2倍。 (4)計(jì)算線路功率損失一般用P損＝I2R線。 　[2014·浙江高考]如圖所示為遠(yuǎn)距離交流輸電的簡(jiǎn)化電路圖。發(fā)電廠的輸出電壓是U，用等效總電阻是r的兩條輸電線輸電，輸電線路中的電流是I1，其末端間的電壓為U1。在輸

16、電線與用戶(hù)間連有一理想變壓器，流入用戶(hù)端的電流為I2。則(　　) A．用戶(hù)端的電壓為 B．輸電線上的電壓降為U C．理想變壓器的輸入功率為Ir D．輸電線路上損失的電功率為I1U 答案　A 解析　理想變壓器輸入和輸出功率相同，設(shè)用戶(hù)端得到的電壓為U2，則有I1U1＝U2I2，U2＝，選項(xiàng)A正確。輸電線上的電壓降為ΔU＝I1r，或者ΔU＝U－U1，選項(xiàng)B錯(cuò)誤。理想變壓器的輸入功率為P＝I1U1，選項(xiàng)C錯(cuò)誤。輸電線路上損失的電功率為ΔP＝Ir，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。 1．模型構(gòu)建 2．模型特點(diǎn) (1)自耦變壓器 自耦變壓器又稱(chēng)為調(diào)壓變壓器，它只有一個(gè)線圈，把全部線圈作為原線圈

17、或副線圈，線圈的一部分作為副線圈或原線圈。由此自耦變壓器可以降壓，也可以升壓，變壓器的基本規(guī)律對(duì)自耦變壓器均適用。 (2)有多個(gè)副線圈的變壓器，輸入功率等于多個(gè)副線圈的輸出功率之和。 (3)可調(diào)式變壓器：匝數(shù)比可變，既可升壓、又可降壓。 (4)互感器 互感器有電壓互感器和電流互感器兩種，比較如下： 1.在繞制變壓器時(shí)，某人將兩個(gè)線圈繞在如圖所示變壓器鐵芯的左右兩個(gè)臂上。當(dāng)通以交變電流時(shí)，每個(gè)線圈產(chǎn)生的磁通量都只有一半通過(guò)另一個(gè)線圈，另一半通過(guò)中間的臂。已知線圈1、2的匝數(shù)之比n1∶n2＝2∶1。在不接負(fù)載的情況下(　　) A．當(dāng)線圈1輸入電壓為220 V時(shí)，線圈2輸

18、出電壓為110 V B．當(dāng)線圈1輸入電壓為220 V時(shí)，線圈2輸出電壓為55 V C．當(dāng)線圈2輸入電壓為110 V時(shí)，線圈1輸出電壓為220 V D．當(dāng)線圈2輸入電壓為110 V時(shí)，線圈1輸出電壓為440 V [答案]　B [解析]　在不考慮原、副線圈內(nèi)電阻的情況下，變壓器原、副線圈電壓之比等于原、副線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之比。 當(dāng)給線圈1輸入電壓U1時(shí)， ＝＝＝＝×＝。 當(dāng)給線圈2輸入電壓U2′時(shí)， ＝＝＝＝×＝。 所以選項(xiàng)B正確。 2．普通的交流電流表不能直接接在高壓輸電線路上測(cè)量電流，通常要通過(guò)電流互感器來(lái)連接，圖中電流互感器ab一側(cè)線圈的匝數(shù)較少，工作時(shí)電流為Ia

19、b，cd一側(cè)線圈的匝數(shù)較多，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，IabIcd C．a(chǎn)b接PQ、cd接MN，IabIcd [答案]　B [解析]　根據(jù)理想變壓器的原理，線圈電流與匝數(shù)成反比，ab接MN，通過(guò)的電流較大，電流表接在cd兩端，通過(guò)的電流較小，B選項(xiàng)正確。 3.如圖所示，自耦變壓器輸入端A、B接交流穩(wěn)壓電源，其電壓有效值U1＝100 V，R0＝40 Ω，當(dāng)滑動(dòng)片處于線圈中點(diǎn)位置時(shí)，C、D兩端電壓的有效值U2為_(kāi)_____V，通過(guò)電

20、阻R0的電流有效值為_(kāi)_____A。 [答案]　200　5 [解析]　當(dāng)滑動(dòng)片位于線圈中點(diǎn)位置時(shí)，由變壓器電壓關(guān)系有：＝，所以U2＝＝200 V，通過(guò)R0的電流為I＝＝ A＝5 A。 1．(多選)如圖甲所示，一理想自耦變壓器的原線圈接有交變電壓，交變電壓隨時(shí)間變化的圖象如圖乙所示，副線圈接有可調(diào)電阻R，觸頭P與線圈始終接觸良好，下列判斷正確的是(　　) A．交變電壓u隨時(shí)間t變化的規(guī)律是u＝U0cos100πt B．若僅將觸頭P向A端滑動(dòng)，則電阻R消耗的電功率增大 C．若僅使電阻R增大，則原線圈的輸入功率增大 D．若使電阻R增大的同時(shí)，將觸頭P向B端滑動(dòng)，則通過(guò)A處的

21、電流一定增大 答案　AB 解析　由乙圖可知T＝0.02 s，ω＝＝100π rad/s，所以u(píng)隨時(shí)間變化規(guī)律是u＝U0cos100πt，A選項(xiàng)正確。原線圈n1不變，U1不變，隨觸頭P向A端滑動(dòng)，n2增大，由＝可知，U2增大，由PR＝，電阻R消耗的功率也增大，B選項(xiàng)正確。若僅增大電阻R，而n1、U1、n2都不變，U2也不變，由PR＝可知，PR減小，原線圈的輸入電功率也減小，C選項(xiàng)錯(cuò)誤。觸頭P向B端滑動(dòng)，U2減小，R增大，由I2＝可知I2減小，P2＝U2I2減小，P1＝P2＝U1I1，可知U1不變，所以I1減小，過(guò)A處的電流減小，D選項(xiàng)錯(cuò)誤。 2.如圖所示為一理想變壓器，原線圈的輸入電壓U1

22、＝3300 V，副線圈的輸出電壓U2＝220 V，繞過(guò)鐵芯的導(dǎo)線所接的電壓表的示數(shù)U0＝2 V，則 (1)原、副線圈的匝數(shù)各是多少？ (2)當(dāng)S斷開(kāi)時(shí)，A2的示數(shù)I2＝5 A，那么A1的示數(shù)是多少？ (3)當(dāng)S閉合時(shí)，A2的示數(shù)將如何變化？A1的示數(shù)將如何變化？ 答案　(1)1650匝　110匝　(2)0.33 A　(3)A1、A2的示數(shù)都增大 解析　(1)根據(jù)電壓關(guān)系＝及＝有 n1＝n0＝×1＝1650(匝)， n2＝n0＝×1＝110(匝)。 (2)由于是理想變壓器，則P入＝P出，I1U1＝I2U2 得I1＝I2＝×5 A＝0.33 A。 (3)開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)，負(fù)載增加，總電阻減小，副線圈的輸出電壓U2不變，根據(jù)歐姆定律得I2＝，可知I2增大，輸出功率P出＝I2U2也增大；根據(jù)P入＝P出，即I1U1＝I2U2，原線圈中的電流I1也隨之增大。所以，電流表A1、A2的示數(shù)都增大。 13