内容正文:
物 理
构建知识体系
形成关键能力
提高学科素养
精准高效备考
高考能力梯级集训
第2讲 理想变压器 电能的输送
实验16:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
目录
1
2
3
基础满分练
课前 自检自测·夯基固本
能力高分练
课中 关键能力·可视思维
素养提升练
课中 高考定向·捕捉热点
第2讲 理想变压器 电能的输送 实验16:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
基础 满分练
课前 自检自测·夯基固本
知识点一 理想变压器的原理
2个高考关键点
关键点1 理想变压器基本规律
1.下列各图是变压器电路图,可以将电压升高供给电灯的变压器是( )
[命题点❶]
B
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第2讲 实验16:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
解析 变压器的原线圈应接交变电流,故A、C错误;由题意知要求电压升高,则副线圈的匝数比原线圈的匝数多,故B正确,D错误。
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第2讲 实验16:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
2.(2026湖北襄阳阶段训练)如图,理想变压器原、副线圈匝数比n1∶n2= 4∶1,电压表和电流表均为理想电表,灯泡电阻RL=110 Ω,A、B端电压u1=220sin 100πt(V)。下列说法正确的是( )[命题点❶❷]
A.副线圈输出的交变电流的频率为25 Hz
B.电压表的示数为55 V
C.电流表的示数为1.0 A
D.变压器输入功率为27.5 W
D
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第2讲 实验16:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
解析 由题可知,交变电流的频率f= Hz=50 Hz,故A错误;原线圈两端的电压有效值为 V=220 V,由可知U2=55 V,电压表的示数为55 V,故B错误;电流表的示数为I2= A=0.5 A,故C错误;变压器的输入功率等于输出功率,大小为P=U2I2=55×0.5 W=27.5 W,故D正确。
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第2讲 实验16:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
关键点2 三种特殊变压器
3.如图所示,L1和L2是高压输电线,甲、乙是两只互感器,若已知n1∶n2=
1 000∶1,n3∶n4=1∶100,图中电压表示数为220 V,电流表示数为10 A,则高压输电线的送电功率为( )[命题点❸]
A.2.2×103 W
B.2.2×10-2 W
C.2.2×108 W
D.2.2×104 W
C
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第2讲 实验16:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
解析 对互感器甲,高压输电线的送电电压U=U甲=220 kV;对互感器乙,送电电流I=I乙=1 000 A;所以高压输电线的送电功率P=UI=220 kV×1 000 A=2.2×108 W,C正确。
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第2讲 实验16:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
回归基础·考教衔接
一、构造和原理
1.构造:如图所示,变压器是由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成的。
2.原理:电磁感应的互感现象。 [❶]变压器不改变稳恒直流的电压。
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第2讲 实验16:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
二、理想变压器的规律
1.理想变压器:没有能量损耗的变压器叫作理想变压器,它是一个理想化模型。
2.理想变压器的基本规律
(1)功率关系:P入=P出。
(2)电压关系:。
(3)电流关系:只有一个副线圈时。
(4)频率关系:f出=f入。 [❷]变压器不能改变交变电流的周期和频率。
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第2讲 实验16:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
三、三种特殊变压器
1.自耦变压器
如图所示,这种变压器的特点是铁芯上只绕有一个线圈。如果把整个线圈作原线圈,副线圈只取线圈的一部分,就可以降低电压;如果把线圈的一部分作原线圈,整个线圈作副线圈,就可以升高电压。
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第2讲 实验16:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
2.互感器
分类 电压互感器 电流互感器
原理图
互感器的作用 将高电压变为低电压 将大电流变成小电流
利用的关系式 I1n1=I2n2
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第2讲 实验16:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
[❸]电压互感器的原线圈并联在高压电路中,电流互感器的原线圈串联在待测电路中
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第2讲 实验16:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
知识点二 电能的输送
2个高考关键点
关键点1 输电线路的电压损失和功率损失
4.(多选)(原创+教材改编)特高压输电可使输送中的电能损耗和电压损失大幅降低。我国已成功掌握并实际应用了特高压输电技术。假设从A处采用550 kV的超高压向B处输电,输电线上损耗的电功率为ΔP,到达B处时电压下降了ΔU。在保持A处输送的电功率和输电线电阻都不变的条件下,改用1 100 kV特高压输电。输电线上损耗的电功率变为ΔP',到达B处时电压下降了ΔU'。不考虑其他因素的影响,则( )[命题点❹]
A.ΔP'=ΔP B.ΔP'=ΔP C.ΔU'=ΔU D.ΔU'=ΔU
AD
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第2讲 实验16:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
解析 由输电电流I=知,输送的电功率不变,输电电压加倍,输电电流变为原来的,损耗的电功率ΔP=I2r,故输电电压加倍,损耗的电功率变为原来的,即ΔP'=ΔP;输电线上损失电压为ΔU=Ir,即输电电压加倍,损失电压变为原来的,即ΔU'=ΔU。故A、D正确。
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第2讲 实验16:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
关键点2 远距离输电
5.(原创+教材改编)发电机两端的电压为220 V,输出功率为44 kW,输电导线的总电阻为0.2 Ω,如果用原、副线圈匝数比为1∶10的升压变压器升压,经输电线后,再用原、副线圈匝数比为10∶1的降压变压器降压供给用户,两个变压器均为理想变压器。[命题点❺]
(1)画出全过程的线路示意图;
(2)求用户得到的电压和功率;
(3)若不经过变压而直接送给用户,求用户得到的电压和功率。
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第2讲 实验16:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
答案 (1)见解析图 (2)219.6 V 4.392×104 W (3)180 V 3.6×104 W
解析 (1)线路示意图如图所示。
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第2讲 实验16:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
(2)由图可知,升压变压器副线圈两端的输出电压U2=U1=2 200 V。根据理想变压器P入=P出,则升压变压器副线圈的输出电流I2= A =20 A,输电线上的功率损耗和电压损失分别为P损=R线=202×0.2 W
=80 W
U损=I2R线=20×0.2 V=4 V
所以降压变压器原线圈的输入电压和电流分别为
U3=U2-U损=2 200 V-4 V=2 196 V
I3=I2=20 A
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第2讲 实验16:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
降压变压器副线圈的输出电压和电流分别为
U4=U3=×2 196 V=219.6 V
I4=I3=10×20 A=200 A
用户得到的功率为
P4=U4I4=219.6×200 W=4.392×104 W。
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第2讲 实验16:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
(3)若直接给用户供电,线路示意图如图所示。
则输电电流
I'= A=200 A
输电线路上的电压损失
ΔU'=I'R线=200×0.2 V=40 V
所以用户得到的电压
U2'=U1-ΔU'=220 V-40 V=180 V
用户得到的功率为
P'=U2'I'=180×200 W=3.6×104 W。
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第2讲 实验16:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
回归基础·考教衔接
四、电能的输送
1.输电电流I=
2.电压损失
(1)ΔU=U-U';(2)ΔU=IR
3.功率损失
(1)ΔP=P-P'=ΔU·I;
(2)ΔP=I2R=R。
[❹]先由I=计算输电电流,再计算输电线上的电压损失、功率损失。
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第2讲 实验16:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
4.降低输电损耗的两个途径
(1)减小输电线的电阻R。由R=ρ知,可加大导线的横截面积、采用电阻率小的材料做导线。
(2)减小输电导线中的电流。在输电功率一定的情况下,根据P=UI,要减小电流,必须提高输电电压。
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第2讲 实验16:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
五、理清输电电路图的三个回路(如图)
(1)在电源回路中,P发电机=U1I1=P1。
(2)在输送回路中,I2=I线=I3,U2=ΔU+U3,ΔU=I2R线,ΔP=R线。
(3)在用户回路中,P4=U4I4=P用户。
[❺]首先画出远距离输电示意图是解题的起点。
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第2讲 实验16:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
考点一 理想变压器的原理及其应用
能力 高分练
课中 关键能力·可视思维
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考点一
考点二
考点三
第2讲--实验16
角度一 理想变压器基本规律的应用
例1 (2025福建卷)如图甲所示,交变电流变压器的原、副线圈的匝数比为4∶1,输入电压随时间变化的u-t图像如图乙所示,定值电阻 R1的阻值为R2的2倍,则( )
A.副线圈交变电流的周期为0.25 s
B.电压表示数为12 V
C.副线圈干路电流为流过R1电流的2倍
D.原、副线圈功率之比为4∶1
B
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考点一
考点二
考点三
第2讲--实验16
解析 由图可知T=0.25 s-0.1 s=0.15 s,解得T=0.2 s,A错误;电压表示数为有效值,设为U2,根据题意U1==48 V,而=4,解得U2==12 V,B正确;由并联电路电流与电压的关系可知U2=IR1R1=IR2R2,且R1=2R2,则IR2=2IR1, I2=IR1+IR2=3IR1,故副线圈干路电流为流过R1电流的3倍,C错误;根据变压器的原理可知,原、副线圈功率相同,即P1=P2,功率之比为1∶1,D错误。
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考点一
考点二
考点三
第2讲--实验16
破题思维链
理想变压器基本规律的应用
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考点一
考点二
考点三
第2讲--实验16
角度二 原线圈回路含有用电器的电路分析
例2 (多选)(2026陕西咸阳阶段训练)如图所示,理想变压器原、副线圈匝数之比为1∶2,原线圈与定值电阻R1串联后,接入输出电压有效值恒定的正弦交流电源,副线圈电路中负载电阻为可变电阻R2,A、V为理想交流电表。当R2=2R1时,电流表的读数为1 A,电压表的读数为4 V,则( )
A.电源输出电压为6 V
B.电源输出功率为4 W
C.保持R1阻值不变,当R2=8 Ω时,
电压表的读数为6 V
D.保持R1阻值不变,当R2=8 Ω时,变压器输出的功率最大
ACD
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考点一
考点二
考点三
第2讲--实验16
解析 方法一(常规解法)
当R2=2R1时,电流表的读数为1 A,电压表的读数为4 V,所以R2=4 Ω,R1=2 Ω,理想变压器原、副线圈匝数之比为1∶2,根据电压与匝数成正比得原线圈两端的电压U1=2 V,根据电流与匝数成反比得原线圈中的电流I1=2 A,所以电源输出电压U=U1+I1R1=6 V,电源输出功率P=UI1=12 W,故A正确,B错误;
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考点一
考点二
考点三
第2讲--实验16
设副线圈两端的电压为U2,根据欧姆定律得副线圈中的电流为,则原线圈中的电流是,所以电源的输出电压U=R1+U2,副线圈输出电压与电阻R2的关系为U2=,变压器输出的功率P2=,其中U=6 V,R1=2 Ω,所以当R2=4R1=8 Ω时,变压器输出的功率P2最大,为 W,此时U2=6 V,故C、D正确。
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考点一
考点二
考点三
第2讲--实验16
方法二(等效电阻法)
因原、副线圈的匝数之比为1∶2,则等效负载R'=R2=R2,R2==4 Ω, R1=2 Ω,I1=2I2=2 A,所以U=I1R1+I1R'=6 V,P=UI1=12 W,A正确,B错误;当R2=8 Ω时,R'=2 Ω,I1'==1.5 A,I2'==0.75 A,则U2'=I2'R2=6 V,C正确;将R1等效为电源的内阻,则R'=R1,即R2=4R1=8 Ω时,变压器输出功率最大,D正确。
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考点一
考点二
考点三
第2讲--实验16
解题精要
理想变压器的基本关系
1.电压关系
(1)只有一个副线圈时,。
(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+…
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考点一
考点二
考点三
第2讲--实验16
考点二 电能的输送
考点一
考点二
考点三
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第2讲--实验16
角度一 输电线路的电压损失和功率损失的计算
例3 (2026辽宁大连检测)某水电站,用总电阻为2.5 Ω的输电线输电给500 km外的用户,其输出电功率是3×106 kW,现用500 kV电压输电,则下列说法正确的是( )
A.输电线上输送的电流大小为2×105 A
B.输电线上由电阻造成的电压损失为15 kV
C.输电线上损失的功率为ΔP=,U为输电电压,r为输电线的电阻
D.输电线上损失的功率为9×107 kW
B
考点一
考点二
考点三
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第2讲--实验16
解析 由P=IU得用500 kV电压输电时输电线上输送的电流I= A =6×103 A,故A错误;由ΔU=Ir得输电线上的电压损失ΔU=6×103×2.5 V =15×103 V=15 kV,故B正确;输电线上损失的功率为ΔP=,U为输电线上损失的电压,故C错误;输电线上损失的功率ΔP=I2r=(6×103)2×2.5 W= 9×107 W,故D错误。
考点一
考点二
考点三
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第2讲--实验16
角度二 远距离输电相关量的计算
例4 如图所示,某小型水电站发电机的输出功率P=100 kW,发电机的电压U1=250 V,经变压器升压后向远处输电,输电线总电阻R线=8 Ω,在用户端用降压变压器把电压降为U4=220 V。已知输电线上损失的功率P线=5 kW,假设两个变压器均是理想变压器,
下列说法正确的是( )
A.发电机输出的电流I1=40 A
B.输电线上的电流I线=625 A
C.降压变压器的匝数比n3∶n4=190∶11
D.用户得到的电流I4=455 A
C
考点一
考点二
考点三
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第2讲--实验16
解析 发电机输出的电流I1= A=400 A,故A错误;输电线上损失的功率P线=R线=5 kW,所以I线==25 A,故B错误;用户得到的功率P4=P-P线=(100-5) kW=95 kW,则I4= A= A≈432 A,故,故C正确,D错误。
考点一
考点二
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第2讲--实验16
破题思维链
远距离输电相关量的计算
考点一
考点二
考点三
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第2讲--实验16
解题精要
远距离输电问题
①抓住两组关联式:
理想的升压变压器
,P3=P4。
②掌握一个守恒观念:
功率关系P2=ΔP+P3,其中ΔP=ΔU·I线=。
考点一
考点二
考点三
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第2讲--实验16
考点三 探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
1.实验原理
(1)实验电路图(如图所示):
(2)实验方法:控制变量法
①n1、U1一定,研究n2和U2的关系。
②n2、U1一定,研究n1和U2的关系。
2.实验器材
学生电源(低压交流电源,小于12 V)1个、可拆变压器1个、多用电表1个、导线若干。
考点一
考点二
考点三
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第2讲--实验16
3.实验过程
(1)保持原线圈的匝数n1和电压U1不变,改变副线圈的匝数n2,研究n2对副线圈电压U2的影响。
①估计被测电压的大致范围,选择多用电表交流电压挡适当量程,若不知道被测电压的大致范围,则应选择交流电压挡的最大量程进行测量。
②组装可拆变压器:把两个线圈穿在铁芯上,闭合铁芯,用交流电压挡测量输入、输出电压。
(2)保持副线圈的匝数n2和原线圈两端的电压U1不变,研究原线圈的匝数对副线圈电压的影响。重复(1)中步骤。
考点一
考点二
考点三
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第2讲--实验16
4.数据处理
由数据分析变压器原、副线圈两端电压U1、U2之比与原、副线圈的匝数n1、n2之比的关系。
5.注意事项
(1)在改变学生电源电压、线圈匝数前均要先断开电源开关,再进行操作。
(2)为了人身安全,学生电源的电压不能超过12 V,通电时不能用手接触裸露的导线和接线柱。
(3)为了多用电表的安全,使用交流电压挡测电压时,先用最大量程挡试测,大致确定被测电压后再选用适当的挡位进行测量。
考点一
考点二
考点三
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第2讲--实验16
例5 某兴趣小组用如图所示的可拆变压器进行“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验。
考点一
考点二
考点三
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第2讲--实验16
(1)下列说法正确的是 。
A.变压器工作时,通过铁芯导电把电能由原线圈输送到副线圈
B.变压器工作时在原线圈上将电能转化为磁场能,在副线圈上将磁场能转化为电能
C.理想变压器的输入功率等于输出功率,没有能量损失
D.变压器副线圈上不接负载时,原线圈两端电压为零
BC
考点一
考点二
考点三
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第2讲--实验16
(2)如图所示,实验时,原线圈接“0”“8”接线柱,副线圈接“0”“1”接线柱,原线圈两端连接低压交流电源10 V挡,用交流电压表测得副线圈两端的电压为0.4 V,这与其他小组的正确实验结论明显不一致。对于这个小组实验结论出现明显偏差的原因,最有可能的是 。
A.原线圈匝数太多,电阻过大
B.铁芯没有闭合,漏磁过多
C.副线圈匝数太少,增加实验误差
D.副线圈的电阻太小
B
考点一
考点二
考点三
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第2讲--实验16
(3)实际操作中将电源接在原线圈的“0”和“8”两个接线柱之间,测得副线圈的“0”和“4”两个接线柱之间的电压为3.0 V,则可推断原线圈的输入电压可能为 。
A.3.0 V B.5.3 V
C.6.0 V D.6.2 V
(4)为了实验过程中的安全,下列做法正确的是 。
A.为了人身安全,只能使用低压直流电源,所用电压不要超过12 V
B.连接好电路后,应先检查电路连接是否正确,再接通电源进行实验
C.因为使用电压较低,通电时可用手直接接触裸露的导线、接线柱
D.为了测量电表的安全,测量电压时,先选用最大量程试测
D
BD
考点一
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第2讲--实验16
解析 (1)变压器是通过互感工作,而不是通过铁芯导电把电能由原线圈输送到副线圈,A项错误;变压器工作时在原线圈上将电能转化为磁场能,在副线圈上将磁场能转化为电能,B项正确;理想变压器忽略能量损失,原线圈输入功率等于副线圈输出功率,C项正确;变压器的原线圈两端电压由发电机提供,则副线圈上不接负载时,原线圈两端电压不变,不为零,D项错误。
(2)根据变压器的工作原理可知,若通过原、副线圈的磁通量相同,则原、副线圈两端电压之比等于匝数比,则有,实际结果为,实验结论与理论结论出现明显的偏差,最有可能的是铁芯没有闭合,漏磁过多,使得通过副线圈的磁通量明显小于通过原线圈的磁通量,使得副线圈两端的电压很小。B正确。
考点一
考点二
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第2讲--实验16
(3)若是理想变压器,则变压器线圈两端的电压与匝数的关系为,当
变压器的原线圈接“0”和“8”两个接线柱,副线圈接“0”和“4”两个接线柱时,可知原、副线圈匝数比为2∶1,副线圈电压为3.0 V,则原线圈电压应该为6.0 V;实际操作中,不是理想变压器,需要考虑损失部分,则原线圈所接电压大于6.0 V。故选D。
(4)在实验中为了确保人身安全,需要使用低压交流电源,且电压不要超过12 V,A项错误;为了确保安全,实验时,连接好电路后,应先检查电路连接是否正确,再接通电源进行实验,B项正确;即使使用电压较低,为了确保实验数据的可靠,通电时也不能用手直接接触裸露的导线、接线柱,C项错误;为了测量电表的安全,测量电压时,先选用最大量程试测,再选用小一点的量程,确保精确度,D项正确。
考点一
考点二
考点三
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第2讲--实验16
素养 提升练
课中 高考定向·捕捉热点
一、原理理解深化、基本关系灵活应用、情境化与综合性增强
备考方向 熟练掌握理想变压器的基本关系式,通过推导公式加深对功率、电压、电流关系的理解,同时牢记各物理量的决定关系;加强与电路知识的融合学习,理解变压器在复杂电路中的作用,能够结合闭合电路欧姆定律、串并联电路特点,分析变压器与其他电路元件组合的电路问题,计算各部分电路的电压、电流、功率等物理量。
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第2讲 实验16:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
1.(2025湖南卷)如图所示,某小组设计了灯泡亮度可调的电路,a、b、c为固定的三个触点,理想变压器原、副线圈匝数比为k,灯泡L和三个电阻的阻值均恒为R,交流电源输出电压的有效值恒为U。开关S与不同触点相连,下列说法正确的是( )
A.S与a相连,灯泡的电功率最大
B.S与a相连,灯泡两端的电压为
C.S与b相连,流过灯泡的电流为
D.S与c相连,灯泡的电功率为
B
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第2讲 实验16:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
解析 设变压器原、副线圈的电压分别为U1、U2,电流分别为I1、I2,电压关系=k,电流关系,在原线圈中U1=U-I1R原,在副线圈中U2=I2R,故灯泡两端电压U2=,整理后有U2=,即灯泡两端电压U2=,故流过灯泡的电流为I2=,灯泡的电功率P=U2I2=,由于不知道k的具体值,故无法判断原线圈所在回路的阻值R原为何值时功率最大,故A错误;
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第2讲 实验16:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
当开关S与a相连时,R原=3R,故灯泡两端电压U2=,故B正确;当开关S与b相连时,R原=2R,故流过灯泡的电流为I2=,故C错误;当开关S与c相连时,R原=R,故灯泡的电功率P=,故D错误。
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第2讲 实验16:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
二、核心公式深度考查、变压器与输电结合强化
备考方向 系统梳理知识框架,强化核心公式推导与记忆,优化解题策略与技巧;在解题过程中,学会运用一些解题技巧提高解题效率。例如,在选择题中,可以通过单位分析、特殊值代入、排除法等技巧快速筛选出正确答案;在计算题中,合理运用比例关系、守恒定律等简化计算过程。
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第2讲 实验16:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
2.(多选)(2025重庆卷)2025年1月“疆电入渝”工程重庆段全线贯通,助力重庆形成特高压输电新格局,该工程计划将输电站提供的1.6×106 V直流电由新疆输送至重庆,多次转换后变为1.0×104 V的交变电流,再经配电房中的变压器(视为理想变压器)降为220sin(100πt) V的家用交变电流,若输电线路输送功率为8.0×109 W,且直流输电过程中导线电阻产生的电功率损耗不超过输送功率的5%,则( )
A.直流输电导线中的电流为250 A
B.直流输电导线总阻值不超过16 Ω
C.家用交变电流的电压最大值为220 V,频率为50 Hz
D.配电房中变压器原、副线圈中电流比为11∶500
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第2讲 实验16:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
解析 直流输电电流由公式I=计算得I==5 000 A,故A错误;导线允许的最大功率损耗为5%的输送功率P损=0.05×8.0×109 W=4×108 W,由 P损=I2R得导线总阻值上限R= Ω=16 Ω,故B正确;家用交变电流表达式为220sin(100πt) V,其最大值为220 V,频率为f==50 Hz,故C错误;变压器原线圈电压U1=1.0×104 V,副线圈电压U2=220 V,匝数比,电流比与匝数比成反比可知,故D正确。
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第2讲 实验16:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
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