3. 变压器（导学案）物理沪科版选择性必修第二册

第3节 变压器 1.物理观念：知道变压器的结构，知道理想变压器是忽略了能量损失的一种理想模型;通过实验探究,建立变压器的变压比概念。知道电能在输送过程中发生能量损耗的原因;知道利用高压输电是减少能量损耗的最有效的方法;了解高压直流输电的特点。 2.科学思维：通过构建理想变压器模型，体会建立理想模型的思维方法;经历建立远距离输电模型的过程，体会建立理想模型的思维方法。 3.科学探究：经历探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系的过程;通过探究远距离输电过程中发生能量损耗的原因，培养学生运用物理规律和公式分析解决实际问题的能力。 4.科学态度与责任：养成科学用电的态度,避免超负荷用电,培养安全用电的意识。通过介绍我国的输电网络的安全运行情况,培养学生的爱国情怀。 1.了解变压器的构造及工作原理，通过实验探究变压器原、副线圈两端的电压与匝数的关系(重点)。 2.掌握理想变压器原、副线圈电压、电流、功率的关系(难点)。 3.应用理想变压器、电路知识对简单的远距离输电线路进行定量计算(难点)。 【知识回顾】 第2节 交变电流 一、交变电流的产生 1.交变电流 (1)交变电流：电流、电压 和 都随时间做周期性变化，这样的电流叫作交变电流(AC)，简称交流。 (2)直流： 不随时间变化的电流称为直流(DC)。 2.交变电流的产生 交流发电机的 在匀强磁场中转动时，转轴与磁场方向垂直，用右手定则判断线圈切割磁感线产生的感应电流方向。 二、交变电流的变化规律 1.从 开始计时，线圈中产生的电动势的瞬时值表达式：e＝ ，Em叫作电动势的峰值，Em＝ 。 2.正弦式交变电流：按 规律变化的交变电流叫作正弦式交变电流，简称正弦式电流。 3.正弦式交变电流的电流和电压 电流表达式i＝ ，电压表达式u＝ 。其中Im、Um分别是电流和电压的最大值，也叫峰值。 三、正弦交变电流的描述 1.峰值：交变电流的 值。峰值Im或Um，用来表示电流的强弱或电压的高低。 2.有效值：让交变电流与恒定电流分别通过大小相同的电阻，如果在交变电流的一个周期内它们产生的 相等，则这个恒定电流的电流与电压分别为I、U，我们把I、U叫作这一交变电流的有效值。 3.周期：交变电流完成 周期性变化所需的时间，通常用 T表示，单位是秒。 4.频率：交变电流完成周期性变化的次数与所用时间之 叫作它的频率。数值等于交变电流在单位时间内完成周期性变化的次数。通常用f表示，单位是赫兹。 5.T、f、ω三者之间的关系 (1)周期与频率的关系：f＝ 或T＝。 (2)角速度与频率的关系：ω＝ 。 【自主预习】 第3节 变压器 一、变压器的组成 1.构造：变压器是由闭合 和绕在铁芯上的两个 组成的。 2.原线圈：与交流 连接的线圈叫作原线圈，也叫初级线圈。 副线圈：与 连接的线圈叫作副线圈，也叫次级线圈。 3.工作原理： 现象 4.变压器中的能量转化：原线圈中电场的能量转变成 的能量，通过铁芯使变化的磁场几乎全部穿过了副线圈，在副线圈中产生了感应电流，磁场的能量转化成了 的能量。 二、理想变压器原、副线圈的电压比与匝数比的关系 1.电压关系 (1)只有一个副线圈时，＝ 。 当n2>n1时，U2 U1，变压器使电压升高，是升压变压器。 当n2<n1时，U2 U1，变压器使电压降低，是降压变压器。 (2)有多个副线圈时，＝＝＝… 2.功率关系 从能量守恒看，理想变压器的输入功率 输出功率，即P入 P出。 3.电流关系 (1)只有一个副线圈时，U1I1＝ 或＝ 。 (2)当有多个副线圈时，I1U1＝ ＋ ＋…或n1I1＝ ＋ ＋…。 三、电能的输送 1.远距离输电的电路图(如图)。 2.常用关系 ①功率关系：P1＝ ，P2＝ ，P3＝ 。 ②电压关系：＝ ，U2＝ ，＝ 。 ③电流关系：＝ ，I2＝ ＝ ，＝ 。 ④输电电流：I线＝＝＝ 。 ⑤输电线上损耗的电功率：ΔP＝ ＝IR线＝＝ΔU·I线。 ⑥输电线上的电压损失：ΔU＝ ＝ 。 ⑦输电效率η＝ ×100%。 思考与讨论1 一、变压器的组成 请同学们结合所学知识，说说变压器的工作原理。 思考与讨论2 二、理想变压器原、副线圈的电压比与匝数比的关系 示例：理想变压器的原线圈匝数，输入电压为，为了使副线圈得到输出电压，副线圈匝数应为多少？ 思考与讨论3 三、电能的输送 假设发电厂输出的电压为U，输送功率为P，输电线路中的电流是I，用户端的电压是U'，两条导线的总电阻是r。在图中，导线的电阻集中画为一个电阻r。 (1)怎样计算输电线路损失的功率ΔP？ (2)在输电电流一定的情况下，如果输电线路的电阻减为原来的一半，输电线路上损失的功率变为原来的多少？在输电线路电阻一定的情况下，如果输电电流减为原来的一半，输电线路上损失的功率变为原来的多少？ (3)通过第(2)问的两项计算，你认为哪个途径对于降低输电线路的损耗更有效？ (4)在保证输送功率不变的前提下，怎样才能减小输电电流？ 课堂小结： 1.(多选)关于理想变压器的工作原理，以下说法正确的是(　　) A.原、副线圈缠绕在一个闭合铁芯上，是为了减少磁场能的损失，有效地传送电能 B.铁芯不用整块金属做成，是为了防止原、副线圈短路，造成危险 C.变压器不改变交变电流的频率，只改变电压大小 D.当原线圈接入恒定电流时，副线圈也有电压输出 2. 在“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验中： (1)原线圈中接入的电源是________。 A.接入电压为220 V交流电源 B.接入学生电源12 V以下直流输出端 C.接入学生电源12 V以下交流输出端 (2)如图所示，某同学自己绕制了两个线圈套在可拆变压器的铁芯上。原线圈接学生电源的交流输出端，副线圈接小灯泡。下列说法正确的是________。 A.与变压器未通电时相比较，此时若将可拆变压器上端的横条铁芯取下将更费力 B.若仅增加原线圈绕制的圈数，小灯泡的亮度将保持不变 C.若仅增加副线圈绕制的圈数，小灯泡的亮度将变亮 3.(多选)如图所示，理想变压器原、副线圈匝数比n1∶n2＝2∶1，电压表和电流表均为理想电表，灯泡电阻RL＝6 Ω，A、B端输入电压u1＝12sin(100πt)V。下列说法正确的是(　　) A.电流频率为50 Hz B.电压表的示数为24 V C.电流表的示数为0.5 A D.变压器的输入功率为6 W 4. (多选)如图所示，某水电站发电机的输出功率P＝100 kW，发电机的输出电压U1＝250 V，经变压器升压后向远处输电，在用户端用降压变压器将电压降为U4＝220 V。已知输电电流I线＝25 A，两条输电线路总电阻R线＝8 Ω，变压器均视为理想变压器，则(　　) A.用户得到电功率为95 kW B.升压变压器的匝数比n1∶n2＝4∶5 C.降压变压器的匝数比n3∶n4＝190∶11 D.发电机的输出的电流I1＝40 A 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $ 第3节 变压器 1.物理观念：知道变压器的结构，知道理想变压器是忽略了能量损失的一种理想模型;通过实验探究,建立变压器的变压比概念。知道电能在输送过程中发生能量损耗的原因;知道利用高压输电是减少能量损耗的最有效的方法;了解高压直流输电的特点。 2.科学思维：通过构建理想变压器模型，体会建立理想模型的思维方法;经历建立远距离输电模型的过程，体会建立理想模型的思维方法。 3.科学探究：经历探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系的过程;通过探究远距离输电过程中发生能量损耗的原因，培养学生运用物理规律和公式分析解决实际问题的能力。 4.科学态度与责任：养成科学用电的态度,避免超负荷用电,培养安全用电的意识。通过介绍我国的输电网络的安全运行情况,培养学生的爱国情怀。 1.了解变压器的构造及工作原理，通过实验探究变压器原、副线圈两端的电压与匝数的关系(重点)。 2.掌握理想变压器原、副线圈电压、电流、功率的关系(难点)。 3.应用理想变压器、电路知识对简单的远距离输电线路进行定量计算(难点)。 【知识回顾】 第2节 交变电流 一、交变电流的产生 1.交变电流 (1)交变电流：电流、电压大小和方向都随时间做周期性变化，这样的电流叫作交变电流(AC)，简称交流。 (2)直流：方向不随时间变化的电流称为直流(DC)。 2.交变电流的产生 交流发电机的线圈在匀强磁场中转动时，转轴与磁场方向垂直，用右手定则判断线圈切割磁感线产生的感应电流方向。 二、交变电流的变化规律 1.从中性面开始计时，线圈中产生的电动势的瞬时值表达式：e＝Emsin ωt，Em叫作电动势的峰值，Em＝NωBS。 2.正弦式交变电流：按正弦规律变化的交变电流叫作正弦式交变电流，简称正弦式电流。 3.正弦式交变电流的电流和电压 电流表达式i＝Imsinωt，电压表达式u＝Umsinωt。其中Im、Um分别是电流和电压的最大值，也叫峰值。 三、正弦交变电流的描述 1.峰值：交变电流的最大值。峰值Im或Um，用来表示电流的强弱或电压的高低。 2.有效值：让交变电流与恒定电流分别通过大小相同的电阻，如果在交变电流的一个周期内它们产生的热量相等，则这个恒定电流的电流与电压分别为I、U，我们把I、U叫作这一交变电流的有效值。 3.周期：交变电流完成一次周期性变化所需的时间，通常用 T表示，单位是秒。 4.频率：交变电流完成周期性变化的次数与所用时间之比叫作它的频率。数值等于交变电流在单位时间内完成周期性变化的次数。通常用f表示，单位是赫兹。 5.T、f、ω三者之间的关系 (1)周期与频率的关系：f＝ 或T＝。 (2)角速度与频率的关系：ω＝2πf。 【自主预习】 第3节 变压器 一、变压器的组成 1.构造：变压器是由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成的。 2.原线圈：与交流电源连接的线圈叫作原线圈，也叫初级线圈。 副线圈：与负载连接的线圈叫作副线圈，也叫次级线圈。 3.工作原理：互感现象 4.变压器中的能量转化：原线圈中电场的能量转变成磁场的能量，通过铁芯使变化的磁场几乎全部穿过了副线圈，在副线圈中产生了感应电流，磁场的能量转化成了电场的能量。 二、理想变压器原、副线圈的电压比与匝数比的关系 1.电压关系 (1)只有一个副线圈时，＝。 当n2>n1时，U2>U1，变压器使电压升高，是升压变压器。 当n2<n1时，U2<U1，变压器使电压降低，是降压变压器。 (2)有多个副线圈时，＝＝＝… 2.功率关系 从能量守恒看，理想变压器的输入功率等于输出功率，即P入＝P出。 3.电流关系 (1)只有一个副线圈时，U1I1＝U2I2或＝。 (2)当有多个副线圈时，I1U1＝I2U2＋I3U3＋…或n1I1＝n2I2＋n3I3＋…。 三、电能的输送 1.远距离输电的电路图(如图)。 2.常用关系 ①功率关系：P1＝P2，P2＝ΔP＋P3，P3＝P4。 ②电压关系：＝，U2＝ΔU＋U3，＝。 ③电流关系：＝，I2＝I线＝I3，＝。 ④输电电流：I线＝＝＝。 ⑤输电线上损耗的电功率：ΔP＝P2－P3＝IR线＝＝ΔU·I线。 ⑥输电线上的电压损失：ΔU＝I线R线＝U2－U3。 ⑦输电效率η＝×100%。 思考与讨论1 一、变压器的组成 请同学们结合所学知识，说说变压器的工作原理。 答案 互感现象是变压器的工作原理。 思考与讨论2 二、理想变压器原、副线圈的电压比与匝数比的关系 示例：理想变压器的原线圈匝数，输入电压为，为了使副线圈得到输出电压，副线圈匝数应为多少？ 解：已知原线圈匝数，输入电压，输出电压，由 得 所以，副线圈匝数n2应为360。 思考与讨论3 三、电能的输送 假设发电厂输出的电压为U，输送功率为P，输电线路中的电流是I，用户端的电压是U'，两条导线的总电阻是r。在图中，导线的电阻集中画为一个电阻r。 (1)怎样计算输电线路损失的功率ΔP？ (2)在输电电流一定的情况下，如果输电线路的电阻减为原来的一半，输电线路上损失的功率变为原来的多少？在输电线路电阻一定的情况下，如果输电电流减为原来的一半，输电线路上损失的功率变为原来的多少？ (3)通过第(2)问的两项计算，你认为哪个途径对于降低输电线路的损耗更有效？ (4)在保证输送功率不变的前提下，怎样才能减小输电电流？ 答案 (1)ΔP=I2r (2)由ΔP=I2r可知，I不变，r减半，ΔP变为原来的； 由ΔP=I2r可知，r不变，I减半，ΔP变为原来的。 (3)由第(2)问可知，减小电流对降低输电线路的损耗更有效。 (4)由P=UI得I=，在电功率不变的前提下，升高电压，可减小输电电流。 课堂小结： 1.(多选)关于理想变压器的工作原理，以下说法正确的是(　　) A.原、副线圈缠绕在一个闭合铁芯上，是为了减少磁场能的损失，有效地传送电能 B.铁芯不用整块金属做成，是为了防止原、副线圈短路，造成危险 C.变压器不改变交变电流的频率，只改变电压大小 D.当原线圈接入恒定电流时，副线圈也有电压输出 答案　AC 解析　根据变压器的工作原理知，故A正确；铁芯不用整块金属做成是为了防止涡流产生较多的热量从而烧坏变压器，故B错误；变压器只改变电压，不改变电流的频率，故C正确；变压器对恒定电流不起作用，故D错误。 2. 在“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验中： (1)原线圈中接入的电源是________。 A.接入电压为220 V交流电源 B.接入学生电源12 V以下直流输出端 C.接入学生电源12 V以下交流输出端 (2)如图所示，某同学自己绕制了两个线圈套在可拆变压器的铁芯上。原线圈接学生电源的交流输出端，副线圈接小灯泡。下列说法正确的是________。 A.与变压器未通电时相比较，此时若将可拆变压器上端的横条铁芯取下将更费力 B.若仅增加原线圈绕制的圈数，小灯泡的亮度将保持不变 C.若仅增加副线圈绕制的圈数，小灯泡的亮度将变亮 答案　(1)C　(2)AC 解析　(1)做“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验时，为了人身安全，原线圈两端只能使用低压交流电源，所用电压不超过12 V，故A、B错误，C正确。 (2)与变压器未通电时相比较，通电时，线圈产生磁性，对横条铁芯具有吸引力，若将可拆变压器上端的横条铁芯取下将更费力，故A正确；增加原线圈绕制的圈数，根据原、副线圈的电压比等于匝数比可知输出电压减小，灯泡的亮度降低，故B错误；增加副线圈绕制的圈数，输出电压增大，根据欧姆定律可知，小灯泡的亮度将变亮，故C正确。 3.(多选)如图所示，理想变压器原、副线圈匝数比n1∶n2＝2∶1，电压表和电流表均为理想电表，灯泡电阻RL＝6 Ω，A、B端输入电压u1＝12sin(100πt)V。下列说法正确的是(　　) A.电流频率为50 Hz B.电压表的示数为24 V C.电流表的示数为0.5 A D.变压器的输入功率为6 W 答案　AD 解析　根据u1＝12sin(100πt)V及U＝知，U1＝12 V，f＝＝50 Hz，选项A正确；根据＝得U2＝U1＝×12 V＝6 V，即电压表的示数为6 V，选项B错误；电流表的示数I2＝＝ A＝1 A，选项C错误；根据P1＝P2及P2＝＝ W＝6 W，可知变压器的输入功率为6 W，选项D正确。 4. (多选)如图所示，某水电站发电机的输出功率P＝100 kW，发电机的输出电压U1＝250 V，经变压器升压后向远处输电，在用户端用降压变压器将电压降为U4＝220 V。已知输电电流I线＝25 A，两条输电线路总电阻R线＝8 Ω，变压器均视为理想变压器，则(　　) A.用户得到电功率为95 kW B.升压变压器的匝数比n1∶n2＝4∶5 C.降压变压器的匝数比n3∶n4＝190∶11 D.发电机的输出的电流I1＝40 A 答案　AC 解析　线路损耗的功率为ΔP＝IR线＝5 kW，两理想变压器不改变功率，故用户得到的电功率为P用户＝P－ΔP＝95 kW，故A正确；升压变压器的副线圈输出电压为U2＝＝4×103 V，升压变压器的匝数比为n1∶n2＝U1∶U2＝1∶16，故B错误；输电线损耗电压ΔU＝I线R线＝200 V，降压变压器的原线圈电压U3＝U2－ΔU＝3 800 V，故降压变压器的匝数比为＝＝＝，故C正确；发电机输出的电流为I1＝＝400 A，故D错误。 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $