3. 变压器（教学课件）物理沪科版选择性必修第二册

第3节 变压器 第七章 电磁感应定律的应用 物理选择性必修第二册•沪科版 学习目标——物理学科素养 01 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。 02 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。 03 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。 04 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。 教学重难点 教学难点 教学重点 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)。 课堂引入 为了适应不同的电压需要，人们研制出能改变交流电电压的变压器。 变压器是如何改变交流电电压的呢？ 知识点1 变压器的组成 知识点1：变压器的组成 探究新知 副线圈 原线圈 U2 n1 n2 示意图 U1 铁芯 n1 n2 电路符号 如图，变压器是由 和绕在铁芯上的两个线圈组成的。一个线圈与交流电源连接，叫作 ，也叫初级线圈；另一个线圈与负载连接，叫作 ，也叫次级线圈。 闭合铁芯 原线圈 副线圈 知识点1：变压器的组成 探究新知 现象是变压器工作的基础。 通过原线圈时在铁芯中激发磁场。由于电流的大小、方向在不断变化，铁芯中的 也在不断变化。变化的磁场在副线圈中产生 ，所以尽管两个线圈之间没有导线相连(彼此绝缘)，副线圈也能够 。 说明：变压器不改变交变电流的周期和频率。 变压器的原理 互感 电流 磁场 感应电动势 输出电流 变压器原、副线圈电压与匝数会有怎样的关系呢？ 知识点1：变压器的组成 探究新知 实验：探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系 知识点1：变压器的组成 探究新知 交变电流通过原线圈时在铁芯中产生变化的磁场，副线圈中产生感应电动势，其两端有输出电压。线圈匝数不同时输出电压不同，实验通过改变原、副线圈匝数，探究原、副线圈的电压与匝数的关系。 实验思路 知识点1：变压器的组成 探究新知 两只多用电表、学生电源(低压交流电源)、开关、可拆变压器、导线若干。原理如图： 知识点1：变压器的组成 探究新知 实验步骤 (1)按图乙所示连接好电路，将两个多用电表调到交流电压挡，并记录两个线圈的匝数。 (2)接通学生电源，闭合开关，读出电压值，并记录在表格中。 (3)保持原、副线圈匝数不变，多次改变输入 电压，记录每次改变后原、副线圈的电压值。 (4)保持输入电压、原线圈的匝数不变， 多次改变副线圈的匝数，记录每次的 副线圈匝数和对应的电压值。 知识点1：变压器的组成 探究新知 在误差允许的范围内，原、副线圈的电压之比等于原、副线圈的匝数比， 即_______。 实验结论 由于存在能量损耗，所以副线圈测量电压值应小于理论变压值。 误差分析 知识点1：变压器的组成 探究新知 注意事项 (1)在改变学生电源的电压、线圈匝数前均要先 开关，再进行操作。 (2)为了保证人身安全，学生电源的电压不能超过 ，通电时不能用手接触裸露的导线和接线柱。 (3)为了保证多用电表的安全，使用交流电压挡测电压时，先用 挡试测，大致确定被测电压后再选用适当的挡位进行测量。 断开 12 V 最大量程 知识点1：变压器的组成 探究新知 概念：没有 的变压器叫作理想变压器。 (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”。 理想变压器 理想化模型 能量损耗 知识点2 理想变压器原、副线圈的电压比与匝数比的关系 知识点2：理想变压器原、副线圈的电压比与匝数比的关系 探究新知 原线圈感应电动势： 副线圈感应电动势： n1 n2 U1 ~ U2 ~ R 交变电源 无漏磁： 综合得： 知识点2：理想变压器原、副线圈的电压比与匝数比的关系 探究新知 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。 > 1.电压关系 等于 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。 < 知识点2：理想变压器原、副线圈的电压比与匝数比的关系 探究新知 3.电流关系 (2)当有多个副线圈时，I1U1＝I2U2＋I3U3＋…或n1I1＝n2I2＋n3I3＋…。 知识点2：理想变压器原、副线圈的电压比与匝数比的关系 探究新知 知识点3 电能的输送 知识点3：电能的输送 探究新知 为了合理的利用能源，发电站要建在靠近能源的地方。而用电的地方却很多， 有的地方离发电站很远，这就需要输送电能。 阳江核电站 三峡水电站 知识点3：电能的输送 探究新知 电能从发电厂到远方用户端的传输过程，如图所示。假定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？ P损＝I2r 知识点3：电能的输送 探究新知 (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？ 知识点3：电能的输送 探究新知 (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？ 由第(2)问可知，减小电流对降低输电线路的损耗更有效。 (4)怎样计算用户消耗的功率P？ 在保证用户的电功率不变的前提下，怎样才能减小输电电流？ P＝UI 知识点3：电能的输送 探究新知 输电线路的电压损失 U ΔU 知识点3：电能的输送 探究新知 输电线路的功率损失 (1)远距离输电时，输电线有电阻，电流的热效应引起功率损失，损失的电功率ΔP＝I2r。 U ΔU 知识点3：电能的输送 探究新知 减小电压、功率损失的方法 减小r 减小I P损=I2r (1)减小输电线的电阻 ： ①减小材料的电阻率ρ 用铜或铝 ②可适当增大导线横截面积S 有一定限度 用于远距离输电的钢芯铝绞线 知识点3：电能的输送 探究新知 (2)提高输电电压U，减小输电电流I 知识点3：电能的输送 探究新知 (1)首先应画出远距离输电的电路图(如图)，并将已知量和待求量写在电路图的相应位置。 解决远距离高压输电问题的基本方法 知识点3：电能的输送 探究新知 U1I1 (2)理清三个回路： 回路1：P1＝ ， 回路2：U2＝ ，P2＝ΔP＋P3＝I22R线＋P3，I2＝I3 回路3：P4＝ 。 ΔU＋U3 U4I4 知识点3：电能的输送 探究新知 (3)常用关系 ①功率关系：P1＝P2，P2＝ΔP＋P3，P3＝P4。 ④输电电流：I线＝____＝____＝____。 知识点3：电能的输送 探究新知 ⑤输电线上损耗的电功率： ⑥输电线上的电压损失： ΔU＝ ＝ 。 ⑦输电效率η＝___×100%。 I线R线 U2－U3 课堂总结 课内知识通关练 巩固新知 √ √ 课内知识通关练 巩固新知 课内知识通关练 巩固新知 √ 课内知识通关练 巩固新知 √ √ 课内知识通关练 巩固新知 课内知识通关练 巩固新知 √ √ 课内知识通关练 巩固新知 课内知识通关练 巩固新知 √ √ 课内知识通关练 巩固新知 课后作业 探究新知 作业 内容 同步作业 完成课后作业：“问题与思考” 自主安排 配套同步分层作业 谢谢聆听 谢谢聆听 物理选择性必修第二册•沪科版 ＝ E1＝n1＝ E2＝n2＝ ＝ ＝＝ (1)只有一个副线圈时，＝____。 (2)有多个副线圈时，＝＝＝… (1)只有一个副线圈时，U1I1＝U2I2或＝。 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。 由P损＝I2r可知，I不变，r减半，P损变为原来的； 由P损＝I2r可知，r不变，I减半，P损变为原来的。 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。 其中I为输电线上的电流，r为输电线的总电阻。 ΔU＝U－U′＝Ir＝r， 输电线始端电压U与输电线末端电压U′的差值。 (2)若输电线上损失的电压为ΔU，则功率损失还可以表示为ΔP＝，ΔP＝ΔU·I。 R＝ρ 根据I＝，在输送功率P一定，输电线电阻r一定的条件下，输电电压提高到原来的n倍，输送电流可减为原来的，输电线上的功率损耗将降为原来的。 ②电压关系：＝____，U2＝_________，＝____。 ③电流关系：＝，I2＝I线＝I3，＝。 ΔU＋U3 ΔP＝P2－P3＝I线2R线＝＝ΔU·I线。 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。 $