第3章 3.变压器(word教参)-【勤径学升】2024-2025学年高中物理选择性必修第二册同步练测（人教版2019）

3.变压器 学习目标 1.知道变压器的构造及工作原理。 2.掌握变压器原、副线圈中电压、电流和功率的关系及其制约关系。 3.了解变压器在实际中的应用 [对应学生用书第61页] 一、变压器的原理 1.变压器的构造 由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成，如图所示。 （1）原线圈：与交流电源连接的线圈，也叫初级线圈。 （2）副线圈：与负载连接的线圈，也叫次级线圈。 2.变压器的工作原理 　　变压器工作的基础是互感现象,电流通过原线圈时在铁芯中激发的磁场不仅穿过原线圈,也同时穿过副线圈,由于电流的大小、方向在不断变化,铁芯中的磁场也在不断变化,变化的磁场在副线圈中产生感应电动势。 3.作用 　　改变交变电流的电压,不改变（选填“改变”或“不改变”）交变电流的周期和频率。 二、电压与匝数的关系 1.理想变压器：没有能量损失的变压器。 2.电压与匝数的关系：原、副线圈的电压之比,等于原、副线圈的匝数之比,即＝。 3.两类变压器 （1）副线圈电压比原线圈电压低的变压器叫降压变压器。 （2）副线圈电压比原线圈电压高的变压器叫升压变压器。 4.应用 （1）远距离输电中,升压和降压后提供给用户。 （2）满足各种不同电压要求的用电设备。 1.判断下列说法的正误（正确的画“√”,错误的画“×”）。 （1）理想变压器原、副线圈的电压之比等于两个线圈的匝数之比。 （√） （2）输入交变电流的频率越高,输出交变电流的电压就越高。 （×） （3）我们在使用质量好的变压器工作时没有能量损失。 （×） （4）理想变压器不能改变交变电流的频率。 （√） 2.一台理想降压变压器从10 kV的线路中降压并提供200 A的负载电流。已知两个线圈的匝数比为40∶1,则副线圈中的输出电压为　　　　 V,输出功率为　　　　 kW,变压器原线圈中的电流为　　　　 A。  答案　250　50　5 [对应学生用书第62页] 要点一　变压器的原理 　　如图所示,把两个没有导线相连的线圈套在同一个闭合铁芯上,一个线圈（原线圈）通过开关可以连接到交流电源或直流电源的两端,另一个线圈（副线圈）连到小灯泡上。连接电路,接通电源,小灯泡能发光。两个线圈并没有连接,小灯泡为什么会发光？ 提示　当左边线圈加上交流电压时,左边线圈中就有交变电流,它在铁芯中产生周期性变化的磁场,根据法拉第电磁感应定律知,在左、右线圈中都要产生感应电动势,右线圈作为电源给小灯泡供电,小灯泡就会发光。 1.变压器的变压原理：当原线圈加上交流电压U1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。如果副线圈是闭合的,则副线圈中将产生交变的感应电流,它也在铁芯中产生变化的磁通量,原、副线圈间虽然不相连,电能却可以通过磁场从原线圈传递到副线圈。如图所示。 2.能量转化：变压器通过闭合铁芯,利用互感现象实现了电能向磁场能再到电能的转化。 3.原、副线圈的作用 （1）原线圈在其所处回路中充当负载。 （2）副线圈在其所处回路中充当电源。 [例1]　如图所示,理想变压器原、副线圈的匝数比n1∶n2＝4∶1,当导体棒在匀强磁场中向左做匀速直线运动切割磁感线时,电流表A1的示数为12 mA,则电流表A2的示数为 （　　） A.3 mA B.0 C.48 mA D.与负载R的值有关 [解析]　导体棒匀速运动产生恒定的电动势,所以原线圈中的电流是恒定的,故穿过副线圈的磁通量变化量ΔΦ＝0,副线圈两端不产生感应电动势,所以无电流。 [答案]　B 变压器的作用 如果变压器接在直流电路中,原线圈中电流不变,在铁芯中不能引起磁通量的变化,没有互感现象,变压器起不到变压作用。 1.关于理想变压器的工作原理,以下说法正确的是 （　　） A.通有正弦式交变电流的原线圈的磁通量不变 B.穿过原、副线圈的磁通量在任何时候都不相等 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 解析　通有正弦式交变电流的原线圈产生的磁场是变化的,由于面积S不变,故穿过原线圈的磁通量Φ变化,A错误；因理想变压器无漏磁,故B错误；由法拉第电磁感应定律知C正确；原线圈中的电能转化为磁场能又转化为电能,原、副线圈通过磁场联系在一起,故D错误。 答案　C 要点二　理想变压器规律 如图甲所示,一个理想变压器,两线圈的匝数分别为n1和n2,原线圈的输入功率和副线圈的输出功率分别为P1和P2,输入电压和输出电压分别为U1和U2,原线圈的电流和副线圈的电流分别为I1和I2,请思考下列问题： （1）原、副线圈中的功率有什么关系？ （2）原、副线圈中的电流与匝数有什么关系？ （3）如图乙所示,功率、电压和电流与匝数有什么关系？ 提示　（1）输入功率等于输出功率,即P1＝P2。 （2）由能量守恒有P1＝P2,即U1I1＝U2I2,根据＝得,＝＝。 （3）输入功率等于输出功率,即P1＝P2＋P3。穿过原、副线圈的磁通量相等,磁通量的变化率相等,所以有U1＝n1,U2＝n2,U3＝n3,故有＝＝。由能量守恒有P1＝P2＋P3,即U1I1＝U2I2＋U3I3,可得n1I1＝n2I2＋n3I3。 1.理想变压器的特点 （1）原、副线圈中的电流产生的磁场完全束缚在闭合铁芯内,即“无漏磁”。 （2）原、副线圈不计电阻,电流通过时不产生焦耳热,即无“铜损”。 （3）闭合铁芯中的涡流为零,即无“铁损”。 说明：实际中的变压器（特别是大型变压器）一般都可以近似看成理想变压器。 2.理想变压器的基本规律 （1）电动势关系：由于互感现象,且没有漏磁,原、副线圈中每一匝线圈都具有相同的,根据法拉第电磁感应定律有E1＝n1,E2＝n2,所以＝。 （2）电压关系：由于不计原、副线圈的电阻,因此原线圈两端的电压U1＝E1,副线圈两端的电压U2＝E2。 ①只有一个副线圈时,＝。 ②当有n组线圈时,＝＝… （3）功率关系：对于理想变压器,输入功率等于输出功率,即P入＝P出,U1I1＝U2I2。 （4）电流关系： ①只有一个副线圈时,由I1U1＝I2U2,得＝＝。 ②当有多个副线圈时,由I1U1＝I2U2＋I3U3＋…得I1n1＝I2n2＋I3n3＋… [例2]　如图所示，理想变压器原、副线圈匝数之比为20∶1，两个标有“12 V　6 W”的灯泡并联在副线圈的两端。当两灯泡都正常工作时，原线圈电路中电压表和电流表（可视为理想的电表）的示数分别是（　　） A.120 V，0.10 A B.240 V，0.025 A C.120 V，0.05 A D.240 V，0.05 A [解析]　灯泡正常发光，所以U2＝12 V， 根据＝代入数据解得U1＝240 V， 两个灯泡均正常发光，I2＝2＝1 A， 根据＝代入数据解得I1＝0.05 A，故D正确。 [答案]　D 2.（多选）如图所示的理想变压器,原、副线圈的匝数比n1∶n2＝1∶2,U1＝220sin（ωt） V,n1＝1 100,以下说法中正确的是 （　　） A.穿过原、副线圈的磁通量的变化率之比为1∶2 B.穿过原、副线圈的磁通量的变化率的最大值相等,均为 V C.原、副线圈每一匝产生的电动势有效值相等,均为0.2 V D.原、副线圈电压的最大值之比为1∶2 解析　对于理想变压器,由于没有磁通量损耗,所以穿过两个线圈的磁通量相同,磁通量的变化率相同,A错误；根据E1＝n1得磁通量的变化率的最大值为每一匝线圈产生的电动势的最大值,即＝ V＝ V,所以每一匝线圈产生的电动势的有效值为0.2 V,B、C正确；由于匝数比为1∶2,所以原、副线圈电压最大值之比也为1∶2,D正确。 答案　BCD 要点三　变压器工作时的制约关系及动态分析 为保证用户电压稳定在220 V，变压器需要适时进行调压，如图为调压变压器示意图。保持输入电压u1不变，当滑动接头P上下移动时可改变输出电压。 （1）若用户两端电压减小，为使用户电压稳定在220 V，滑动接头P应向哪移动？ （2）用户两端电压不变时，变压器的输入功率不变吗？ 提示　（1）由＝得U2＝U1所以要使U2保持220 V不变，需要减小原线圈匝数，故P向上移动。 （2）用户负载改变时，变压器的输入功率变化。 1.电压、电流、功率的制约关系 （1）电压制约：输入电压U1决定输出电压U2。当变压器原、副线圈的匝数比一定时,输出电压U2由输入电压U1决定,即U2＝。 （2）电流制约：输出电流I2决定输入电流I1。当变压器原、副线圈的匝数比一定,且输入电压U1确定时,原线圈中的电流I1由副线圈中的输出电流I2决定,即I1＝。而变压器副线圈中的电流I2由用户负载及电压U2确定,即I2＝。 （3）功率制约：输出功率P2决定输入功率P1。变压器副线圈中的功率P2由用户负载决定,即P2＝P负1＋P负2…P2增大,P1增大；P2减小,P1减小；P2为零,P1为零。 2.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→I2→P出→P入→I1。 （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n1、n2→U2→I2→P出→P入→I1。 [例3]　图甲中理想变压器原、副线圈的匝数之比n1∶n2＝5∶1，电阻R＝20 Ω，L1、L2为规格相同的两只小灯泡，S1为单刀双掷开关。原线圈接正弦交流电源，输入电压u随时间t的变化关系如图乙所示。现将S1接1、S2闭合，此时L2正常发光。下列说法正确的是（　　） A.输入电压u的表达式u＝20sin （50πt） V B.只断开S2后，L1、L2均正常发光 C.只断开S2后，原线圈的输入功率增大 D.若S1换接到2后，R消耗的电功率为0.8 W [解析]　由图像知T＝0.02 s，ω＝＝100π rad/s，u＝20sin （100πt） V，A错误；由于副线圈两端电压不变，故只断开S2，两灯串联，电压为额定值一半，不能正常发光，B错误；只断开S2，副线圈电路电阻变为原来的2倍，由P＝知副线圈消耗功率减小，则原线圈输入功率也减小，C错误；输入电压有效值U1＝20 V，U2＝，由PR＝得PR＝0.8 W，D正确。 [答案]　D 动态问题的分析思路 U1＝U2 I2I1P1。 3.如图所示，某理想变压器原、副线圈的匝数均可调节，原线圈两端电压为最大值不变的正弦交流电。在其他条件不变的情况下，为了使变压器输入功率增大，可使（　　） A.原线圈匝数n1增加 B.副线圈匝数n2减少 C.负载电阻R的阻值增大 D.负载电阻R的阻值减小 解析　由＝，P出＝，可得P出＝，又因为P入＝P出，所以P入＝，减少原线圈匝数、增大副线圈匝数以及减小负载电阻R的阻值，均可使变压器的输入功率增大，D正确。 答案　D [对应学生用书第65页] 1.（变压器的工作原理）一个正常工作的理想变压器的原、副线圈中,下列物理量不一定相等的是 （　　） A.交流的频率 B.电流的有效值 C.电功率 D.磁通量的变化率 解析　变压器可以改变原、副线圈中的电流,因此原、副线圈中的电流不一定有相同的有效值；由于穿过原线圈的磁通量全部穿过副线圈,因而原、副线圈的磁通量变化率一定相同；变压器的工作基础是互感现象,副线圈中感应的交流频率与原线圈中交流频率一定是相同的；理想变压器中P入＝P出,故B正确。 答案　B 2.（变压器的基本规律）某同学的电动自行车充电器是一输入电压为220 V，输出电压为60 V的变压器。由于副线圈烧坏了需要维修，该同学拆下烧坏的副线圈，用绝缘导线在铁芯上绕了5匝线圈，如图所示。将原线圈接到220 V交流电源上，测得新绕线圈两端电压为1 V。则（　　） A.该充电器原线圈有2 200匝 B.该充电器原线圈有5 500匝 C.被烧坏的副线圈有300匝 D.被烧坏的副线圈有250匝 解析　AB.设该变压器的原、副线圈和新绕线圈的匝数分别为n1、n2、n3，变压器的原、副线圈和新绕线圈的电压分别为U1、U2、U3，则有＝，解得该充电器原线圈匝数为n1＝·n3＝1 100匝，故AB错误；CD.同理可得＝，解得被烧坏的副线圈匝数n2＝·n1＝300匝，故C正确，D错误。故选C。 答案　C 3.（变压器的动态分析）如图所示，理想变压器原、副线圈的匝数之比为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两端加上交流电压，其瞬时值表达式u1＝220sin 100 πt（V），则（　　） A.当单刀双掷开关与a连接时，电压表的示数为22 V B.当t＝s时，c、d间电压的瞬时值为110 V 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 解析　当单刀双掷开关与a连接时，原、副线圈的匝数之比为10∶1，原线圈两端的电压有效值U1＝V＝220 V，根据＝，代入数据得U2＝22 V，故电压表的示数为22 V，故A正确；当t＝s时，c、d间电压的瞬间值u＝220sin V＝110V，故B错误；当单刀双掷开关与a连接，滑动变阻器触头P向上移动的过程中，滑动变阻器接入电路中的阻值变大，副线圈输出电压不变，电流减小，即电压表示数不变，电流表示数减小，故C错误；当单刀双掷开关由a扳向b时，原线圈匝数减小，根据＝知U2变大，电压表和电流表的示数均变大，故D错误。 答案　A 学科网（北京）股份有限公司 $$