魯科版選修32 變壓器、電能的遠(yuǎn)距離傳輸 第1課時(shí) 學(xué)案.doc

4.2變壓器4.3電能的遠(yuǎn)距離傳輸 目標(biāo)定位1.進(jìn)一步理解變壓器的原理及規(guī)律.2.熟練應(yīng)用變壓器原、副線圈的決定因素解決動(dòng)態(tài)分析問(wèn)題.3.熟悉遠(yuǎn)距離輸電中的各物理量關(guān)系和損耗問(wèn)題，熟練解決遠(yuǎn)距離高壓輸電中的實(shí)際問(wèn)題1理想變壓器原、副線圈的三個(gè)關(guān)系：p入p出，.(一個(gè)副線圈)2輸電線上的功率損失p損i2r線，輸電線上的電壓損失uir線3減小輸電線上功率、電壓損失的途徑：減小輸電線的電阻、減小輸電線中的電流(即提高輸電電壓)4遠(yuǎn)距離輸電的基本原理：在發(fā)電站內(nèi)用升壓變壓器升壓，然后進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸電，在用電區(qū)域通過(guò)降壓變壓器降到所需的電壓.一、理想變壓器中的規(guī)律分析1功率關(guān)系：p入p出2電壓關(guān)系：.3電流關(guān)系：若只有一個(gè)副線圈.若有多組副線圈n1i1n2i2n3i3.4變壓器不改變頻率5原、副線圈的地位(1)原線圈在原線圈回路中所處的地位是充當(dāng)負(fù)載(2)副線圈在副線圈回路中所處的地位是充當(dāng)電源例1如圖1甲所示，左側(cè)的調(diào)壓裝置可視為理想變壓器，負(fù)載電路中r55 ，、為理想電流表和理想電壓表若原線圈接入如圖乙所示的正弦交流電壓，電壓表的示數(shù)為110 v，下列表述正確的是()圖1a電流表的示數(shù)為2 ab原、副線圈匝數(shù)比為12c電壓表的示數(shù)為電壓的有效值d原線圈中交流電壓的頻率為100 hz解析由題圖乙可知原線圈兩端電壓的有效值u1220 v，由，可得原、副線圈匝數(shù)之比21，故b錯(cuò)誤；電流表示數(shù)與電壓表示數(shù)都為有效值，故c正確；電流表示數(shù)i a2 a，故a正確；由題圖乙可知t0.02 s，所以交流電壓的頻率為f hz50 hz，d錯(cuò)誤答案ac針對(duì)訓(xùn)練1如圖2所示，理想變壓器原、副線圈匝數(shù)之比為41.原線圈接入一電壓為uu0sin t的交流電源，副線圈接一個(gè)r27.5 的負(fù)載電阻若u0220 v，100 rad/s，則下述結(jié)論正確的是()圖2a副線圈中電壓表的讀數(shù)為55 vb副線圈中輸出交變電流的周期為 sc原線圈中電流表的讀數(shù)為0.5 ad原線圈中的輸入功率為110 w答案ac解析原線圈電壓有效值為u220 v，電壓表讀數(shù)為u2 v55 v，周期t s，副線圈中電流i22 a，原線圈中電流i10.5 a，pi1u110 w.二、理想變壓器電路的動(dòng)態(tài)問(wèn)題分析1首先明確變壓器各物理量間的制約關(guān)系(1)輸入電壓u1決定輸出電壓u2：若變壓器原、副線圈匝數(shù)n1、n2確定，u1便決定了u2，與輸出端有無(wú)負(fù)載、負(fù)載大小無(wú)關(guān)，也與變壓器有無(wú)其他副線圈無(wú)關(guān)(2)輸出功率p2決定輸入功率p1：即用多少送多少(3)輸出電流i2決定輸入電流i1：u2與負(fù)載電阻r通過(guò)歐姆定律決定輸出電流i2的大小，由i1i2決定i1的大小2分清動(dòng)態(tài)變化中哪個(gè)量變化，結(jié)合串、并聯(lián)電路的特點(diǎn)，歐姆定律及變壓器各物理量間因果關(guān)系來(lái)依次確定其他量的變化例2如圖3所示，理想變壓器原線圈輸入電壓uumsin t，副線圈電路中r0為定值電阻，r是滑動(dòng)變阻器.和是理想交流電壓表，示數(shù)分別用u1和u2表示；和是理想交流電流表，示數(shù)分別用i1和i2表示下列說(shuō)法正確的是()圖3ai1和i2表示電流的瞬時(shí)值bu1和u2表示電壓的最大值c滑片p向下滑動(dòng)過(guò)程中，u2不變、i1變大d滑片p向下滑動(dòng)過(guò)程中，u2變小、i1變小解析交流電表測(cè)量的是交變電流的有效值，故a、b皆錯(cuò)誤；由于理想變壓器的輸出電壓u2u1與負(fù)載無(wú)關(guān)，即滑片p下滑時(shí)u2不變，故d錯(cuò)誤；由i1u1知r減小時(shí)i1變大，故c正確答案c針對(duì)訓(xùn)練2如圖4所示，用一理想變壓器給負(fù)載供電，變壓器輸入端的電壓不變，開(kāi)始時(shí)開(kāi)關(guān)s是斷開(kāi)的現(xiàn)將開(kāi)關(guān)s閉合，則圖中所有交流電表的示數(shù)以及輸入功率的變化情況是()圖4av1、v2的示數(shù)不變，a1的示數(shù)增大，a2的示數(shù)減小，p入增大bv1、v2的示數(shù)不變，a1、a2的示數(shù)增大，p入增大cv1、v2的示數(shù)不變，a1、a2的示數(shù)減小，p入減小dv1的示數(shù)不變，v2的示數(shù)增大，a1的示數(shù)減小，a2的示數(shù)增大，p入減小答案b解析電壓表v1的示數(shù)由輸入電壓決定；電壓表v2的示數(shù)由輸入電壓u1(大小等于電壓表v1的示數(shù))和匝數(shù)比決定；電流表a2的示數(shù)即i2由輸出電壓u2(大小等于電壓表v2的示數(shù))和負(fù)載電阻r負(fù)決定；電流表a1的示數(shù)即i1由變壓器的匝數(shù)比和輸出電流i2決定；p入隨p出而變化，由p出決定因輸入電壓不變，所以電壓表v1的示數(shù)不變；據(jù)公式u2，可知u2也不變，即電壓表v2的示數(shù)不變；又據(jù)i2知，s閉合后r負(fù)減小，故i2增大，電流表a2的示數(shù)增大；輸入電流i1隨輸出電流i2而增大，故電流表a1的示數(shù)增大；因p出u2i2，故p出增大；p入隨p出變化，故p入也增大；可見(jiàn)本題的正確選項(xiàng)為b.三、遠(yuǎn)距離高壓輸電中的損耗問(wèn)題1解決遠(yuǎn)距離輸電問(wèn)題時(shí)，應(yīng)首先畫(huà)出輸電線路示意圖，如圖5所示，并將已知量和待求量寫(xiě)在示意圖的相應(yīng)位置圖52分析三個(gè)回路，在每個(gè)回路中，變壓器的原線圈是回路的負(fù)載，而相應(yīng)的副線圈是下一個(gè)回路的電源3綜合運(yùn)用下面三方面的知識(shí)求解(1)能量守恒：p1u1i1u2i2p用戶(hù)ppirp用戶(hù)u3i3u4i4.(2)電路知識(shí)：u2uu3ui2r(3)變壓器知識(shí)：.其中pi2r，ui2r往往是解題的切入點(diǎn)例3在遠(yuǎn)距離輸電時(shí)，要考慮盡量減少輸電線上的功率損失，有一個(gè)電站，輸送的電功率為p500 kw，當(dāng)使用u5 kv的電壓輸電時(shí)，測(cè)得安裝在輸電線路起點(diǎn)和終點(diǎn)處的兩只電度表一晝夜示數(shù)相差4 800度求：(1)這時(shí)的輸電效率和輸電線的總電阻r線；(2)若想使輸電效率提高到98%，又不改變輸電線，那么電站應(yīng)使用多高的電壓向外輸電？解析(1)由于輸送功率為p500 kw，一晝夜輸送電能ept12 000度，終點(diǎn)得到的電能e7 200度，因此效率60%.輸電線上的電流可由i計(jì)算，為i100 a，而輸電線損耗功率可由p損i2r線計(jì)算，其中p損 kw200 kw，因此可求得r線20 .(2)輸電線上損耗功率p損()2r線，原來(lái)p損200 kw，現(xiàn)在要求p損10 kw，計(jì)算可得輸電電壓應(yīng)調(diào)節(jié)為u22.4 kv.答案(1)60%20(2)22.4 kv 變壓器基本規(guī)律的應(yīng)用1.如圖6所示，q是熔斷電流為1 a的保險(xiǎn)絲，r為用電器，理想變壓器的原、副線圈的匝數(shù)比為n1n221.原線圈的電壓為u220sin (100t) v要使保險(xiǎn)絲不熔斷，r的阻值一定()圖6a不能小于55 b不能大于55 c不能小于77 d不能大于77 答案a解析保險(xiǎn)絲的原理是電流的熱效應(yīng)，應(yīng)該用電流的有效值由得：u2u1220 v110 v由得：i2i11 a2 a所以rmin55 ，故a正確變壓器電路的動(dòng)態(tài)分析問(wèn)題2如圖7所示，m是一小型理想變壓器，接線柱a、b接在電壓u311sin (314t) v的正弦交流電源上，變壓器右側(cè)部分為一火警報(bào)警系統(tǒng)原理圖，其中r2為用半導(dǎo)體熱敏材料制成的傳感器，電流表a2為值班室的顯示器，顯示通過(guò)r1的電流，電壓表v2顯示加在報(bào)警器上的電壓(報(bào)警器未畫(huà)出)，r3為一定值電阻當(dāng)傳感器r2所在處出現(xiàn)火警時(shí)，以下說(shuō)法中正確的是()圖7aa1的示數(shù)不變，a2的示數(shù)增大bv1的示數(shù)不變，v2的示數(shù)減小cv1的示數(shù)增大，v2的示數(shù)增大da1的示數(shù)增大，a2的示數(shù)增大答案b3如圖8所示，理想變壓器原、副線圈匝數(shù)之比為15, 原線圈兩端的交流電壓為u20sin (100t) v氖泡在兩端電壓達(dá)到100 v時(shí)開(kāi)始發(fā)光下列說(shuō)法中正確的有()圖8a開(kāi)關(guān)接通后，氖泡的發(fā)光頻率為100 hzb開(kāi)關(guān)接通后，電壓表的示數(shù)為100 vc開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，電壓表的示數(shù)變大d開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，變壓器的輸出功率不變答案ab解析變壓器不能改變交變電流的頻率，t s0.02 s，f50 hz.因?yàn)橐粋€(gè)周期內(nèi)氖泡發(fā)光2次，故開(kāi)關(guān)接通后，氖泡的發(fā)光頻率為100 hz，a項(xiàng)正確；電壓表的示數(shù)是有效值，u1 v20 v，u2u1100 v，b項(xiàng)正確；不論開(kāi)關(guān)是否斷開(kāi)，電壓表示數(shù)不變，c項(xiàng)錯(cuò)誤；開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，變壓器的輸出功率減小，d項(xiàng)錯(cuò)誤遠(yuǎn)距離輸電問(wèn)題4一臺(tái)發(fā)電機(jī)最大輸出功率為4 000 kw，電壓為4 000 v，經(jīng)變壓器t1升壓后向遠(yuǎn)方輸電，輸電線路總電阻r線1 k，到目的地經(jīng)變壓器t2降壓，負(fù)載為多個(gè)正常發(fā)光的燈泡(220 v,60 w)若在輸電線路上消耗的功率為發(fā)電機(jī)輸出功率的10%，變壓器t1和t2的損耗可忽略，發(fā)電機(jī)處于滿(mǎn)負(fù)荷工作狀態(tài)，則()at1原、副線圈中電流分別為103 a和20 abt2原、副線圈兩端電壓分別為1.8105 v和220 vct1和t2的變壓比分別為150和401d有6104盞燈泡(220 v,60 w)正常發(fā)光答案abd解析根據(jù)題意畫(huà)出輸電線路示意圖如圖所示對(duì)升壓變壓器有p1u1i1，可知i1103 a，由輸電線上消耗的功率pir線400 kw，可知輸電線上電流為i220 a，a項(xiàng)正確；根據(jù)pu2i2得u22105 v，輸電線上電壓損失ui2r線20 000 v，則副線圈輸入電壓為u3u2u線1.8105 v，又燈泡正常發(fā)光，可知副線圈兩端電壓u4220 v，b項(xiàng)正確；t1的變壓比為i2i1150，t2的變壓比為n3n4u3u41.8105220，c項(xiàng)錯(cuò)誤；降壓變壓器的輸入功率等于輸出功率p3p4u3i260 wn，解得n6104，d項(xiàng)正確 (時(shí)間：60分鐘)題組一變壓器基本規(guī)律的應(yīng)用1如圖1所示，理想變壓器的原線圈的輸入電壓u220sin (100t) v，原、副線圈的匝數(shù)比為n1n2101電阻r的阻值為100 ，則1 s內(nèi)電阻r上產(chǎn)生的焦耳熱為()圖1a484 jb242 jc2.42 j d1.21 j答案d解析每個(gè)周期內(nèi)只有半個(gè)周期有電流通過(guò)r.由u1mu2mn1n2，得u2m22 v，又因電流的熱效應(yīng)為其電壓的有效值，t可得u211 v，由qt1 j1.21 j.2如圖2所示，理想變壓器原、副線圈的匝數(shù)之比n1n2101，輸出端電阻r50 ，把原線圈接入“220 v，50 hz”的正弦交流電時(shí)(電表為理想電表)()圖2a當(dāng)x為電流表時(shí)，若電阻r增大，則原線圈中的電流將增大b當(dāng)x為電流表時(shí)，電壓表v的示數(shù)為22 vc當(dāng)x為電流表時(shí)，電流表的示數(shù)為0.44 ad當(dāng)x為二極管時(shí)，電壓表v的示數(shù)為11 v答案b解析若電阻r增大，副線圈中的電流變小，原線圈中的電流也變小，a項(xiàng)錯(cuò)誤；根據(jù)公式，解得u222 v，電壓表測(cè)量的電壓為有效值，所以電壓表v的示數(shù)為22 v，b項(xiàng)正確；當(dāng)x為電流表時(shí)，電流表的示數(shù)為i2 a0.44 a，c項(xiàng)錯(cuò)誤；當(dāng)x為二極管時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)只有半個(gè)周期的時(shí)間有電流通過(guò)，此時(shí)由t，解得u11 v，d項(xiàng)錯(cuò)誤3如圖3甲所示，理想變壓器原、副線圈的匝數(shù)比為101，r120 ，r230 ，c為電容器已知通過(guò)r1的正弦交變電流如圖乙所示，則()圖3a交變電流的頻率為0.02 hzb原線圈輸入電壓的最大值為200 vc電阻r2的電功率約為6.67 wd通過(guò)r3的電流始終為零答案c解析周期t0.02 s，f50 hz，a錯(cuò)；u輸出r110 v，u輸入u輸出100 v，輸入電壓最大值umu輸入200 v，b錯(cuò)；u2u輸出，p2 w6.67 w，c對(duì)；電容器通交流，隔直流，i30，d錯(cuò)4如圖4甲所示是某燃?xì)鉅t點(diǎn)火裝置的原理圖轉(zhuǎn)換器將直流電壓轉(zhuǎn)換為圖乙所示的正弦交流電壓，并加在一理想變壓器的原線圈上，變壓器原、副線圈的匝數(shù)分別為n1、n2，為交流電壓表當(dāng)變壓器副線圈兩端電壓的瞬時(shí)值大于5 000 v時(shí)，就會(huì)在鋼針和金屬板間引發(fā)電火花進(jìn)而點(diǎn)燃?xì)怏w以下判斷正確的是()圖4a電壓表的示數(shù)等于5 vb電壓表的示數(shù)等于 vc實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火的條件是1 000d實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火的條件是5 000，所以1 000，c對(duì)，d錯(cuò)5如圖5所示，一理想變壓器原線圈與頻率為50 hz的正弦交流電源相連，兩個(gè)阻值均為20 的電阻串聯(lián)后接在副線圈的兩端，圖中的電流表、電壓表均為理想交流電表，原、副線圈匝數(shù)分別為200匝和100匝，電壓表的示數(shù)為5 v則()圖5a電流表的示數(shù)為0.5 ab流過(guò)電阻的交變電流的頻率為100 hzc交流電源的輸出電壓的最大值為20 vd交流電源的輸出功率為2.5 w答案cd解析根據(jù)歐姆定律可得副線圈中的電流i20.25 a，根據(jù)理想變壓器原、副線圈中的電流與匝數(shù)的關(guān)系，可解得i10.125 a，a錯(cuò)誤；理想變壓器原、副線圈中的交變電流的頻率相同，都為50 hz，b錯(cuò)誤；副線圈輸出電壓的有效值為10 v，根據(jù)正弦交變電流的最大值和有效值的關(guān)系可得其最大值應(yīng)為u2m10 v，原、副線圈電壓比為，可得交流電源輸出電壓的最大值為u1m20 v，c正確；對(duì)于理想變壓器，交流電源的輸出功率等于變壓器副線圈負(fù)載消耗的功率，p2 w2.5 w，故d正確題組二變壓器電路的動(dòng)態(tài)分析6如圖6所示電路中的變壓器為理想變壓器，s為單刀雙擲開(kāi)關(guān)p是滑動(dòng)變阻器r的滑動(dòng)觸頭，u1為加在原線圈兩端的交流電壓，i1、i2分別為原線圈和副線圈中的電流下列說(shuō)法正確的是()圖6a保持p的位置及u1不變，s由b切換到a，則r上消耗的功率減小b保持p的位置及u1不變，s由a切換到b，則i2減小c保持p的位置及u1不變，s由b切換到a，則i1增大d保持u1不變，s接在b端，將p向上滑動(dòng)，則i1減小答案bc解析保持p的位置及u1不變，s由b切換到a，則副線圈匝數(shù)增加，輸出電壓增大，輸出功率增大，則輸入功率隨之增大，故a錯(cuò)，c對(duì)；s由a切換到b，副線圈匝數(shù)減小，輸出電壓減小，則輸出電流減小，b對(duì)；只是將p上滑，r減小，i2增大，由i1可知i1增大，則d錯(cuò)7如圖7所示為一理想變壓器，k為單刀雙擲開(kāi)關(guān)，p為滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)觸頭，u1為加在原線圈兩端的交流電壓，則()圖7a保持u1及p的位置不變，k由a切換到b時(shí)，i1將增大b保持p的位置及u1不變，k由b切換到a時(shí)，r消耗的功率將減小c保持u1不變，k在a處，使p上滑，i1將增大d保持p 的位置不變，k在a處，若u1增大，i1將增大答案abd解析k由a切換到b時(shí)，n1減小而u1不變，由可知副線圈上電壓u2增大，負(fù)載r的電流i2增大，p2增大，又由于p1p2u1i1，故i1增大，a項(xiàng)正確；同理，k由b切換到a時(shí)，p2減小，b項(xiàng)正確；p上滑時(shí)，負(fù)載電阻r增大，而u1、u2均不變，由i2可知i2減小，又由于n1、n2均不變，由可知i1將減小，故c項(xiàng)錯(cuò)誤；當(dāng)u1增大時(shí)，由可知u2也增大，i2增大，再由可知i1增大，故d項(xiàng)正確8如圖8所示，為探究理想變壓器原、副線圈電壓、電流的關(guān)系，將原線圈接到電壓有效值不變的正弦交流電源上，副線圈連接相同的燈泡l1、l2，電路中分別接了理想交流電壓表v1、v2和理想交流電流表a1、a2，導(dǎo)線電阻不計(jì)當(dāng)開(kāi)關(guān)s閉合后()圖8aa1示數(shù)變大，a1與a2示數(shù)的比值不變ba1示數(shù)變大，a1與a2示數(shù)的比值變大cv2示數(shù)變小，v1與v2示數(shù)的比值變大dv2示數(shù)不變，v1與v2示數(shù)的比值不變答案ad解析電源電壓有效值不變，所以v1示數(shù)不變，原、副線圈的電壓之比等于匝數(shù)之比，匝數(shù)之比不變，故v2示數(shù)不變，v1與v2示數(shù)的比值也不變，所以c錯(cuò)誤，d正確；當(dāng)開(kāi)關(guān)s閉合后，副線圈電路中的總電阻減小，因?yàn)殡妷翰蛔?，所以副線圈電路中的電流增大，a2的示數(shù)增大，原、副線圈的電流之比等于匝數(shù)反比，匝數(shù)之比不變，a1與a2示數(shù)的比值不變，a1的示數(shù)也增大，所以a正確，b錯(cuò)誤9如圖9所示的電路中，p為滑動(dòng)變阻器的滑片，保持理想變壓器的輸入電壓u1不變，閉合開(kāi)關(guān)s，下列說(shuō)法正確的是()圖9ap向下滑動(dòng)時(shí)，燈l變亮bp向下滑動(dòng)時(shí)，變壓器的輸出電壓不變cp向上滑動(dòng)時(shí)，變壓器的輸入電流變小dp向上滑動(dòng)時(shí)，變壓器的輸出功率變大答案bd解析由于理想變壓器輸入電壓u1不變，原、副線圈匝數(shù)不變，所以輸出電壓u2也不變，燈l亮度不隨p的滑動(dòng)而改變，故選項(xiàng)a錯(cuò)誤，b正確p向上滑動(dòng)時(shí)，滑動(dòng)變阻器接入電路的電阻減小，負(fù)載總電阻r總減小，由i2知，通過(guò)副線圈的電流i2增大，輸出功率p2u2i2增大，再由知輸入電流i1也增大，故選項(xiàng)c錯(cuò)誤，d正確10為保證用戶(hù)電壓穩(wěn)定在220 v，變電所需適時(shí)進(jìn)行調(diào)壓，圖10甲為變壓器示意圖保持輸入電壓u1不變，當(dāng)滑動(dòng)接頭p上下移動(dòng)時(shí)可改變輸出電壓某次檢測(cè)得到用戶(hù)電壓u2隨時(shí)間t變化的曲線如圖乙所示以下正確的是()圖10au2190sin (50t) vbu2190sin (100t) vc為使用戶(hù)電壓穩(wěn)定在220 v，應(yīng)將p適當(dāng)下移d為使用戶(hù)電壓穩(wěn)定在220 v，應(yīng)將p適當(dāng)上移答案bd解析由電壓u2隨時(shí)間t變化的曲線可知，用戶(hù)電壓的最大值是190 v，周期是2102 s，所以u(píng)2190sin (100t) v，a錯(cuò)誤，b正確；根據(jù)，n1減小，u2增大，因此為使用戶(hù)電壓穩(wěn)定在220 v，應(yīng)將p適當(dāng)上移，c錯(cuò)誤，d正確11調(diào)壓變壓器就是一種自耦變壓器，它的構(gòu)造如圖11所示線圈ab繞在一個(gè)圓環(huán)形的鐵芯上，cd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a 為交流電流表，v 為交流電壓表，r1、r2為定值電阻，r3為滑動(dòng)變阻器，cd兩端接恒壓交流電源，變壓器可視為理想變壓器，以下說(shuō)法正確的是()圖11a當(dāng)滑動(dòng)觸頭p逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電流表讀數(shù)變大，電壓表讀數(shù)變大b當(dāng)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)變大c當(dāng)滑動(dòng)變阻器滑動(dòng)觸頭向下滑動(dòng)時(shí)，電流表讀數(shù)變小，電壓表讀數(shù)變大d當(dāng)滑動(dòng)變阻器滑動(dòng)觸頭向下滑動(dòng)時(shí)，電流表讀數(shù)變大，電壓表讀數(shù)變小答案ad解析當(dāng)滑動(dòng)觸頭p逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，相當(dāng)于增加了副線圈的匝數(shù)，而原線圈匝數(shù)保持不變，根據(jù)可知，輸出電壓增大，其他因素不變時(shí)，電壓表讀數(shù)變大，電流表讀