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人教版(新教材)高中物理選擇性必修第二冊PAGEPAGE13變壓器〖學(xué)習(xí)目標(biāo)〗1.了解變壓器的構(gòu)造及工作原理.2.通過實(shí)驗(yàn)探究變壓器原、副線圈兩端的電壓與匝數(shù)的關(guān)系.3.掌握理想變壓器原、副線圈電壓、電流、功率的關(guān)系.一、變壓器的原理1.構(gòu)造:由閉合鐵芯和繞在鐵芯上的兩個(gè)線圈組成,與交流電源連接的線圈叫作原線圈,與負(fù)載連接的線圈叫作副線圈.2.原理:互感現(xiàn)象是變壓器工作的基礎(chǔ).原線圈中電流的大小、方向在不斷變化,鐵芯中激發(fā)的磁場也不斷變化,變化的磁場在副線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢.二、電壓與匝數(shù)的關(guān)系1.理想變壓器:沒有能量損耗的變壓器叫作理想變壓器,它是一個(gè)理想化模型.2.電壓與匝數(shù)的關(guān)系理想變壓器原、副線圈的電壓之比等于原、副線圈的匝數(shù)之比,即eq\f(U1,U2)=eq\f(n1,n2).3.兩類變壓器副線圈的電壓比原線圈的電壓低的變壓器叫作降壓變壓器;副線圈的電壓比原線圈的電壓高的變壓器叫作升壓變壓器.三、變壓器中的能量轉(zhuǎn)化原線圈中電場的能量轉(zhuǎn)變成磁場的能量,通過鐵芯使變化的磁場幾乎全部穿過了副線圈,在副線圈中產(chǎn)生了感應(yīng)電流,磁場的能量轉(zhuǎn)化成了電場的能量.1.判斷下列說法的正誤.(1)理想變壓器原、副線圈的電壓之比等于兩個(gè)線圈的匝數(shù)之比.(√)(2)輸入交變電流的頻率越高,輸出交變電流的電壓就越高.(×)(3)變壓器能改變交變電流的電壓,也能改變恒定電流的電壓.(×)(4)理想變壓器不僅能改變交變電流的電壓和電流,也能改變交變電流的功率和頻率.(×)(5)理想變壓器的輸入和輸出功率相等.(√)2.一臺理想降壓變壓器從10kV的線路中降壓并提供200A的負(fù)載電流.已知兩個(gè)線圈的匝數(shù)比為40∶1,則副線圈中的輸出電壓為________,輸出功率為________,變壓器原線圈中的電流為________.〖答案〗250V50kW5A〖解析〗由eq\f(U1,U2)=eq\f(n1,n2),得U2=eq\f(U1n2,n1)=eq\f(10×103×1,40)V=250V;由理想變壓器功率關(guān)系,得P入=P出=U1I1=U2I2=250×200W=50kW,同時(shí)得I1=eq\f(U2I2,U1)=eq\f(250×200,10×103)A=5A.一、變壓器的原理1.變壓器的構(gòu)造變壓器由閉合鐵芯、原線圈、副線圈組成,其構(gòu)造示意圖與電路中的符號分別如圖1甲、乙所示.圖12.變壓器的工作原理(1)原理互感現(xiàn)象是變壓器工作的基礎(chǔ).電流通過原線圈時(shí)在鐵芯中激發(fā)磁場,由于電流的大小、方向在不斷變化,所以鐵芯中的磁場也在不斷變化.變化的磁場在副線圈中產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢,副線圈也能夠輸出電流.(2)原理圖解注意(1)變壓器不改變交變電流的周期和頻率.(2)變壓器只對變化的電流起作用,對恒定電流不起作用.(3)變壓器的兩個(gè)線圈之間通過磁場聯(lián)系在一起,兩個(gè)線圈間是絕緣的.關(guān)于理想變壓器的工作原理,以下說法正確的是()A.通有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(shí)候都不相等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(dòng)勢D.原線圈中的電流通過鐵芯流到了副線圈〖答案〗C〖解析〗通有正弦交變電流的原線圈產(chǎn)生的磁場是變化的,由于面積S不變,故磁通量Φ變化,A錯(cuò)誤;因理想變壓器無漏磁,原、副線圈的磁通量相等,故B錯(cuò)誤;由互感現(xiàn)象知C正確;原線圈中的電能轉(zhuǎn)化為磁場能又轉(zhuǎn)化為電能,原、副線圈通過磁場聯(lián)系在一起,電流不通過鐵芯,故D錯(cuò)誤.針對訓(xùn)練1(多選)關(guān)于理想變壓器的工作原理,以下說法正確的是()A.原、副線圈纏繞在一個(gè)閉合鐵芯上,是為了減少磁場能的損失,有效地傳送電能B.鐵芯不用整塊金屬做成,是為了防止原、副線圈短路,造成危險(xiǎn)C.變壓器不改變交變電流的頻率,只改變電壓大小D.當(dāng)原線圈接入大小不斷變化的直流電時(shí),副線圈也有電壓輸出〖答案〗ACD〖解析〗鐵芯不用整塊金屬做成是為了防止渦流產(chǎn)生較多的熱量從而燒壞變壓器.二、實(shí)驗(yàn):探究變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系1.實(shí)驗(yàn)思路交變電流通過原線圈時(shí)在鐵芯中產(chǎn)生變化的磁場,副線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢,其兩端有輸出電壓.線圈匝數(shù)不同時(shí)輸出電壓不同,實(shí)驗(yàn)通過改變原、副線圈匝數(shù),探究原、副線圈的電壓與匝數(shù)的關(guān)系.2.實(shí)驗(yàn)器材多用電表、可拆變壓器、學(xué)生電源、開關(guān)、導(dǎo)線若干(如圖2所示)圖23.物理量的測量(1)保持原線圈的匝數(shù)n1和電壓U1不變,改變副線圈的匝數(shù)n2,研究n2對副線圈電壓U2的影響.實(shí)物接線如圖3所示.圖3表格一U1=5V,n1=400匝實(shí)驗(yàn)次數(shù)123n2/匝U2/V①選擇n1=400匝,用導(dǎo)線將變壓器原線圈接在學(xué)生電源的交流輸出接線柱上.②將選擇開關(guān)調(diào)至5V擋,使原線圈兩端電壓為5V,如圖甲所示.③將多用電表與副線圈n2=200匝的接線柱相連接,如圖乙所示.讀出副線圈兩端的電壓U2.④將n2、U2記錄在表格一中.⑤保持n1=400匝,U1=5V不變.將多用電表與副線圈n2=800匝的接線柱相連接,如圖丙所示,重復(fù)上述實(shí)驗(yàn),將結(jié)果記錄到表格一中.⑥保持n1=400匝,U1=5V不變.將多用電表與副線圈n2=1400匝的接線柱相連接,如圖丁所示,重復(fù)上述實(shí)驗(yàn),將結(jié)果記錄到表格一中.(2)保持副線圈的匝數(shù)n2和原線圈兩端的電壓U1不變,研究原線圈的匝數(shù)n1對副線圈電壓U2的影響.表格二U1=5V,n2=400匝實(shí)驗(yàn)次數(shù)123n1/匝U2/V①將(1)中的原線圈作為副線圈,副線圈作為原線圈.②選擇n2=400匝,用導(dǎo)線將變壓器原線圈n1=200匝接在學(xué)生電源的交流輸出接線柱上.③將選擇開關(guān)撥至5V擋.④將多用電表與副線圈n2=400匝的接線柱相連接,讀出副線圈兩端的電壓U2.⑤將U2、n1記錄在表格二中.⑥保持n2=400匝,U1=5V不變,將連接電源的兩根導(dǎo)線先后與原線圈n1=800匝和n1=1400匝的接線柱相連接,重復(fù)上述實(shí)驗(yàn),將結(jié)果記錄到表格二中.⑦拆除實(shí)驗(yàn)線路,整理好實(shí)驗(yàn)器材.4.?dāng)?shù)據(jù)分析與結(jié)論分析表格一和表格二中記錄的數(shù)據(jù),可得以下結(jié)論:(1)當(dāng)原線圈電壓、原線圈匝數(shù)不變時(shí),副線圈電壓與副線圈匝數(shù)成正比.當(dāng)原線圈電壓、副線圈匝數(shù)不變時(shí),副線圈電壓與原線圈匝數(shù)成反比.(2)原、副線圈的電壓之比eq\f(U1,U2)等于匝數(shù)之比eq\f(n1,n2).(多選)如圖4所示,在用可拆變壓器“探究變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中,下列說法正確的是()圖4A.用可拆變壓器,能方便地從不同接線柱上選取不同匝數(shù)的線圈B.測量原、副線圈的電壓,可用“測定電池的電動(dòng)勢和內(nèi)阻”實(shí)驗(yàn)中的直流電壓表C.原線圈接0、8接線柱,副線圈接0、4接線柱時(shí),副線圈電壓大于原線圈電壓D.為便于探究,先保持原線圈匝數(shù)和電壓不變,改變副線圈的匝數(shù),研究其對副線圈電壓的影響〖答案〗AD〖解析〗變壓器的輸出電壓跟輸入電壓以及原、副線圈匝數(shù)之比都有關(guān),因此需要用可拆變壓器研究,選項(xiàng)A、D正確.變壓器只對交流電壓有作用,故不能用直流電壓表測量原、副線圈的電壓,選項(xiàng)B錯(cuò)誤.根據(jù)輸入、輸出電壓之比等于原、副線圈匝數(shù)之比可知,原線圈接0、8接線柱,副線圈接0、4接線柱時(shí),副線圈電壓小于原線圈電壓,選項(xiàng)C錯(cuò)誤.針對訓(xùn)練2如果把一個(gè)可拆變壓器看成理想變壓器,兩個(gè)線圈分別為A、B,現(xiàn)要測量A線圈的匝數(shù),提供的器材有:一根足夠長的絕緣導(dǎo)線、一只多用電表和低壓交流電源,請簡要敘述實(shí)驗(yàn)步驟(寫出要測的物理量,并用字母表示):________________________________________________________________________________________________________________________________________________.A線圈的匝數(shù)為nA=____________.(用所測物理量符號表示)〖答案〗見〖解析〗〖解析〗①用長導(dǎo)線繞一個(gè)n匝線圈,作為副線圈替代A線圈.②把低壓交流電源接B線圈,用多用電表交流電壓擋測得繞制的線圈的輸出電壓U.③用A線圈換下繞制的線圈,用多用電表交流電壓擋測得A線圈的輸出電壓UA.nA=eq\f(UA,U)n.三、理想變壓器的基本關(guān)系1.電壓關(guān)系(1)只有一個(gè)副線圈時(shí),eq\f(U1,U2)=eq\f(n1,n2).當(dāng)n2>n1時(shí),U2>U1,變壓器使電壓升高,是升壓變壓器.當(dāng)n2<n1時(shí),U2<U1,變壓器使電壓降低,是降壓變壓器.(2)有多個(gè)副線圈時(shí),eq\f(U1,n1)=eq\f(U2,n2)=eq\f(U3,n3)=…2.功率關(guān)系從能量守恒看,理想變壓器的輸入功率等于輸出功率,即P入=P出.3.電流關(guān)系(1)只有一個(gè)副線圈時(shí),U1I1=U2I2或eq\f(I1,I2)=eq\f(n2,n1).(2)當(dāng)有多個(gè)副線圈時(shí),I1U1=I2U2+I(xiàn)3U3+…或n1I1=n2I2+n3I3+…(2020·山東省學(xué)業(yè)考試)圖5所示電路中,理想變壓器原、副線圈的匝數(shù)之比n1∶n2=22∶5,原線圈接在u1=220eq\r(2)sin100πt(V)的交流電源上,電阻R=25Ω,A為理想電流表,則A的示數(shù)為()圖5A.12.44A B.8.80AC.2.00A D.2.83A〖答案〗C〖解析〗由題意可知,輸入電壓的有效值為U1=eq\f(Um,\r(2))=220V,根據(jù)eq\f(U1,U2)=eq\f(n1,n2)可得U2=eq\f(n2,n1)U1=eq\f(5,22)×220V=50V,電流表的示數(shù)為I2=eq\f(U2,R)=2.00A,故C正確,A、B、D錯(cuò)誤.如圖6,理想變壓器原、副線圈匝數(shù)比n1∶n2=4∶1,電壓表和電流表均為理想電表,燈泡電阻RL=110Ω,A、B端電壓u1=220eq\r(2)sin100πt(V).下列說法正確的是()圖6A.副線圈輸出的交流電的頻率為25HzB.電壓表的示數(shù)為55eq\r(2)VC.電流表的示數(shù)為1.0AD.變壓器輸入功率為27.5W〖答案〗D〖解析〗由題可知,交流電的頻率f=50Hz,故A錯(cuò)誤;原線圈兩端的電壓有效值為eq\f(220\r(2),\r(2))V=220V,由eq\f(U1,U2)=eq\f(n1,n2)可知U2=55V,電壓表的示數(shù)為55V,故B錯(cuò)誤;電流表的示數(shù)為I2=eq\f(U2,RL)=eq\f(55,110)A=0.5A,故C錯(cuò)誤;變壓器的輸入功率等于輸出功率,大小為P=U2I2=55×0.5W=27.5W,故D正確.1.(變壓器的工作原理)下列各圖是變壓器電路圖,可以將電壓升高供給電燈的變壓器是()〖答案〗B〖解析〗變壓器的原線圈應(yīng)接交流電,故A、C錯(cuò)誤;由題意知要求電壓升高,故副線圈的匝數(shù)比原線圈的匝數(shù)多,故B正確,D錯(cuò)誤.2.(理想變壓器的基本關(guān)系)(多選)理想變壓器的原、副線圈匝數(shù)比n1∶n2=10∶1,原線圈兩端接通交流電源,副線圈兩端接上電阻,則()A.原、副線圈中電流頻率之比f1∶f2=10∶1B.原、副線圈兩端電壓之比為U1∶U2=10∶1C.原、副線圈內(nèi)交變電流之比I1∶I2=1∶10D.變壓器輸入和輸出功率之比P1∶P2=10∶1〖答案〗BC〖解析〗根據(jù)eq\f(U1,U2)=eq\f(n1,n2)和eq\f(I1,I2)=eq\f(n2,n1)可知選項(xiàng)B、C正確;變壓器不改變電流的頻率,理想變壓器的輸入與輸出的功率相等,即P1=P2,所以選項(xiàng)A、D錯(cuò)誤.3.(理想變壓器基本關(guān)系的應(yīng)用)(多選)如圖7所示,一理想變壓器的原線圈匝數(shù)n1=1100匝,副線圈匝數(shù)n2=220匝.交流電源的電壓u=220eq\r(2)sin100πt(V),電阻R=44Ω,電壓表、電流表均為理想交流電表,則下列說法正確的是()圖7A.副線圈中交變電流的頻率為50HzB.電壓表的示數(shù)為44VC.電流表A1的示數(shù)為0.2AD.電流表A2的示數(shù)為1.4A〖答案〗ABC〖解析〗根據(jù)交流電源的電壓u=220eq\r(2)sin100πt(V)可知,該交流電源的電壓的最大值為220eq\r(2)V,電壓的有效值為220V,頻率為50Hz.變壓器可以改變交變電壓和交變電流的大小,但不改變交變電流的頻率,故副線圈中交變電流的頻率為50Hz,選項(xiàng)A正確;交流電表的示數(shù)為有效值,根據(jù)變壓器原、副線圈的電壓關(guān)系eq\f(U1,U2)=eq\f(n1,n2),得U2=44V,即電壓表的示數(shù)為44V,由歐姆定律得I2=eq\f(U2,R)=1A,即電流表A2的示數(shù)為1A,根據(jù)變壓器原、副線圈的電流關(guān)系eq\f(I1,I2)=eq\f(n2,n1),得I1=0.2A,即電流表A1的示數(shù)為0.2A,選項(xiàng)B、C正確,D錯(cuò)誤.4.(探究變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系)為完成“探究變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系”實(shí)驗(yàn),必須要選用的是________.A
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