聚焦能量观念，突破含理想变压器问题-《中学生数理化》高考理化2026年5月刊

中学生数理化 知识篇科学备考与策略 高中理化2026年5月 聚焦能量观念 ■河北省石家庄市鹿泉区 ■河北省石家庄市鹿泉区 基于能量观念考查理想变压器和远距离 输电问题是新高考命题的一个亮点，其核心 问题有两个：一是理想变压器因不计线圈、铁 芯的热损耗，也不计漏磁通，而成为一个既不 消耗能量，也不储存能量的特殊的传输电能 的元件；二是电能在实际输送过程中一定有 能量损耗。新高考物理命题往住会以电能的 产生、传输、使用、增效为链条创设情境，考查 物理学科核心素养。 一、“发电机十理想变压器”组合实现了 电能传输 例1张家口市坝上地区的风力发电 场是北京冬奥会绿色电能的主要供应地之 一，其发电、输电简易模型如图1所示。已知 风轮机叶片转速为之(r/s),通过转速比为 1：n的升速齿轮箱带动发电机线圈高速转 动，发电机线圈面积为S,匝数为N,匀强磁 场的磁感应强度为B,t=0时刻，线圈所在平 面与磁场方向垂直，发电机产生的交变电流 经过理想变压器升压后，输出电压为U。忽 略线圈电阻，下列说法正确的是( )。 低速 高速发电机等效图、升压变压器 转轴 转轴××× 升速齿轮箱 高压电网 (转速比1：n 图1 A.发电机输出的电压为√2πNBS B.发电机输出交变电流的频率为2πn C.理想变压器原、副线圈的匝数之比为 √2πNBSnz:U D.发电机产生的瞬时电动势的表达式 为√2πNBSnz sin(2πnx) 12 突破含理想变压器问题 数育局教研室 葛惠丽 第一中学 耿媛媛 解析：发电机线圈绕垂直于磁场的轴匀 速转动，产生正弦式交变电流，感应电动势的 最大值Emx=NBS·2π·n之，输出电压的有 效值E E==√2元NBSn,选项A错误。 发电机线圈的转速为之，输出交变电流的频 率∫=n之，选项B错误。理想变压器原、副线 国的匝数之比”-E=EπNBSm,选项C n,U 正确。t=0时刻，线圈所在平面与磁场方向 垂直，则发电机产生的瞬时电动势的表达式 为e=Emaxsin wt=2 NBSnz sin(2πnzt),选 项D错误。 答案：C 点评：发电机是变压器的上级元件，火力 发电、核电、水力发电、风力发电都是把其他 形式的能转化为发电机中线圈的动能，然后 通过克服安培力做功把动能转化为电能。当 发电机和理想变压器组合在一起时，可以实 现发电与输电的顺利完成。同学们在复习备 考的过程中要学会对不同形式的能量来源进 行建模：对于风力发电，要对空气流体建立柱 体模型：对于太阳能发电，要对太阳辐射建立 球体模型；对于核能发电，要正确应用质量与 能量的转化关系等。另外，需要注意的是能 量在转化和传输过程中可能存在损耗，从而 影响发电的效率和输电的效率。 二、理解变压器是传输电能的关键元件 例2（多选题）近些年来，基于变压器 原理的无线充电技术得到了广泛应用，其简 化的充电原理图如图2所示。发射线圈的输 入电压为220V,匝数为1100，接收线圈的 匝数为50。若工作状态下，穿过接收线圈的 磁通量约为发射线圈的80%，忽略其他损 耗，则下列说法正确的是( )o 交流 接收线圈 整流 直流 电路 电池 发射线圈 交流。 图2 A.接收线圈的输出电压约为8V B.接收线圈与发射线圈中的电流之比约 为22：1 C.发射线圈中交变电流的频率与接收线 圈中交变电流的频率相同 D,穿过发射线圈的磁通量变化率与穿 过接收线圈的磁通量变化率相同 解析：发射线园的输入电压U,=n,A她 △t 220V,穿过接收线圈的磁通量约为发射线圈 的806，则U=m:80%a0,其中n 1100,n2=50,解得U2=8V,选项A正确。 因为忽略其他损耗，所以由发射线圈与接收 线圈构成的变压器的输入功率等于输出功 率，即U,12=U1I1,其中U=220V,U2= 8V,解得I2:I1=55:2,选项B错误。发 射线圈与接收线圈中磁通量变化的频率相 等，则发射线圈与接收线圈中交变电流的频 率相同，选项C正确。穿过接收线圈的磁通 量约为发射线圈的80%，有漏磁，则穿过接 收线圈的磁通量变化率与穿过发射线圈的磁 通量变化率不同，选项D错误。 答案：AC 点评：从能量守恒的观念看，变压器副线 圈输出多少能量，原线圈就需要提供多少能 量，因而副线圈的输出功率P出决定原线圈 的输入功率P,即P入=P出。本题中由发射 线圈与接收线圈构成的变压器在工作状态 下，穿过接收线圈的磁通量约为发射线圈的 806,说明此变压器有漏磁，不能用理想变压 器的电压关系来计算，但是变压器的输入功 率还是等于输出功率。同学们在复习备考的 过程中要关注新科技，对实际变压器和理想 知理学备青室要骨中学生教理化 变压器的异同，从物理的视角、能量的观念出 发进行分析、判断、解释。 三、从能量观念理解电能的应用性 例3如图3所示，理想变压器原线圈 的匝数为1100，接有一阻值为R的定值电 阻，电压表V,的示数为110V,副线圈接有一 个阻值恒为R。的灯泡，绕过铁芯的单匝线圈 接有一理想电压表V,其示数为0,1V。已 知R。:R=4:1,则副线圈的匝数为()。 图3 A.225 B.550 C.2200 D.4400 解法1：常规解法。设理想变压器原线 圈两端电压为U1,根据理想变压器原理得 0=2=1100, Uve n3 1,解得U=110V。原线圈 中的电流1，一货发。设到线国两端电 压为U2,根据理想变压器的输入功率等于输 U;U 出功率得U1,=R=4R,解得U,=220V。 根据理想变压器原理得”==10V n=d=220V 号解得到线围的匝数=220， 解法2：等效电阻法。将理想变压器与 阻值恒为R。的灯泡视为等效电阻R效，则 R车=（巴）R,=()·4R,等效电阻R数 与定值电阻R申联，且其两端电压均为 10V故Rg=R,则分一号解得副线圈的 匝数n:=2200。 解法3：等效电源法。将理想变压器、原 交流电源与原线圈中的定值电阻R看成一 个新的电源，设新电源的等效内阻为”等，则 13 知识篇科学备考与策略 中学生数理化高中理化2026年3月 (份)R,等效内阻r数与灯泡申联，且 其两端电压均为110V,则r等数=4R,即”= 2,解得副线园的匝数1：=2200。 答案：C ,点评：对于理想变压器而言，既不消耗能 量，也不储存能量。从用能的角度出发，从交 流电源沿着输电方向看过去，将理想变压器 与负载（阻值为R)视为一个整体，可以把这 个整体等效为一个新的电阻。由此可以构建 含理想变压器电路中的等效电阻模型，且等 效电阻R'= (份)广·R。从候能的角度出发， 从负载逆着输电方向看过去，将理想变压器、 原交流电源（电动势有效值为E。)及原线圈 串联的电阻（阻值为R)视为一个整体，可以 把这个整体等效为一个新的电源。由此可以 构建含理想变压器电路中的等效电源模型， 且新电源的电动势有效值E,=”兰E。,新电源 1 的内阻r1 ()R。米用等数法起支压器 问题转化为恒定电流中的电路问题，可以达 到化繁为简的目的。同学们在复习备考的过 程中，若能学会运用能量的观念对含有理想 变压器的电路问题进行深入分析，则有助于 加深对相关基本公式的理解和应用。 四、减少远距离输电中能量损耗的目的 是节能增效 例4某节能储能输电网络如图4所 示，发电机的输出电压U1=250V,输出功率 P出=500kW。降压变压器的匝数比n: n,=50:1,输电线总电阻R=62.52,其余 线路电阻不计，用户端电压U,=220V,功率 发 站 图4 14 P用=88kW,所有变压器均为理想变压器。 下列说法正确的是()。 A.发电机的输出电流为368A B.输电线上损失的功率为4.8kW C.输送给储能站的功率为408kW D.升压变压器的匝数比n1·n2=1:44 解析：发电机的输出电压U1=250V,输 出功率P出=5×10W,根据P出=U111可 得，发电机的输出电流I1=2×103A,选项A 错误。用户端电压U:=220V,功率P用= 8.8×10W,根据P用=U:1,可得，降压变压 器副线圈中的电流1，=400A,根据1g: I,=n,:ng可得，降压变压器原线圈中的电 流I,=8A,则输电线上损失的功率△P= IR=4kW,选项B错误。输送给储能站的 功率P储=P出一P用一△P=408kW,选项C 正确。根据升压变压器的功率关系得P用十 △P=U1:,解得U:=1.15×10V,因此升 压变压器的匝数比n1：n2=U：U:=1: 46,选项D错误。 答案：C 点评：节能增效是电力系统与电力用户 共同关心的事情，电能质量与节能息息相关。 国家提倡节能减排，超高压输电作为国家重 大科技进展，是电力工业发展水平的重要标 志之一。从能量耗散的观念来看，输送回路 中的输电损耗是不可避免的，但降低输电损 耗即意味着电能使用的增效，可以从以下两 个途径来降低输电损耗：一是减小输电线的 电阻R,根据R一pS可知，加大导线的横截 面积、采用电阻率小的材料做导线可以实现 减小R:二是减小输电线中的电流，根据P= UUI可知，在输电功率一定的情况下，要想减 小电流，必须提高输电电压。从电能使用增 效角度出发，采用高压输电更符合实际社会 工农业生产与生活的需求。 总之，新高考背景下的复习备考，一定要 立足核心素养，注重知识的形成过程，注重规 律的建立过程，深入把握物理学科本质，在解 决问题的过程中强化能量观，发展能量观。 (责任编辑张巧)