(2021新人教版)高中物理选择性必修第二册第3章 3.变压器讲义.doc
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1、3.3.变压器变压器 学习目标:学习目标:1.科学态度与责任科学态度与责任了解变压器的构造及几种常见的变压器。了解变压器的构造及几种常见的变压器。 2.物理观念物理观念理解互感现象和变压器的工作原理理解互感现象和变压器的工作原理。 3.科学探究科学探究掌握理想变压器掌握理想变压器 的电压与匝数的关系及应用。的电压与匝数的关系及应用。4.科学思维科学思维掌握理想变压器的功率关系,并导掌握理想变压器的功率关系,并导 出原、副线圈中的电流关系及应用。出原、副线圈中的电流关系及应用。 一、变压器的原理一、变压器的原理 1变压器的构造变压器的构造 由由闭合铁芯闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成和绕在铁芯
2、上的两个线圈组成,如图所示如图所示。 (1)原线圈:与原线圈:与交流电源交流电源连接的线圈连接的线圈,也叫也叫初级线圈初级线圈。 (2)副线圈:与副线圈:与负载负载连接的线圈连接的线圈,也叫也叫次级线圈次级线圈。 2原理原理:互感互感现象是变压器的工作基础现象是变压器的工作基础。原线圈中电流的大小原线圈中电流的大小、方向不断方向不断 变化变化,在铁芯中激发的在铁芯中激发的磁场磁场也不断变化也不断变化,变化的磁场在副线圈中产生变化的磁场在副线圈中产生感应电动感应电动 势势。 3作用:改变交变电流的作用:改变交变电流的电压电压,不改变交变电流的不改变交变电流的周期 周期和和频率频率。 4注意注意
3、(1)变压器不改变交变电流的周期和频率变压器不改变交变电流的周期和频率。 (2)变压器只对变化的电流起作用变压器只对变化的电流起作用,对恒定电流不起作用对恒定电流不起作用。 (3)变压器的两个线圈之间通过磁场联系在一起变压器的两个线圈之间通过磁场联系在一起,两个线圈间是绝缘的两个线圈间是绝缘的。 二、二、 电压与匝数的关系电压与匝数的关系 1理想变压器理想变压器 (1)定义:没有定义:没有能量能量损失的变压器损失的变压器。 (2)特点特点 变压器铁芯内无漏磁变压器铁芯内无漏磁。 原原、副线圈不计内阻副线圈不计内阻,即不产生焦耳热即不产生焦耳热。 铁芯中不产生涡流铁芯中不产生涡流。 2原、副线圈
4、的电压关系原、副线圈的电压关系 (1)对理想变压器对理想变压器,原原、副线圈中每一匝线圈都具有相同的副线圈中每一匝线圈都具有相同的 t ,根据法拉第根据法拉第 电磁感应定律有电磁感应定律有 E1n1 t ,E2n2 t ,所以所以E1 E2 n1 n2。 。 (2)由于不计原由于不计原、副线圈的电阻副线圈的电阻,因此原线圈两端的电压因此原线圈两端的电压 U1E1,副线圈两副线圈两 端的电压端的电压 U2E2,所以所以U1 U2 n1 n2。 。当有多组线圈时当有多组线圈时,则有则有U1 n1 U2 n2 U3 n3 3两类变压器两类变压器 (1)降压变压器:降压变压器:副线圈副线圈的电压比的电
5、压比原线圈原线圈电压低的变压器电压低的变压器。 (2)升压变压器:升压变压器:副线圈副线圈的电压比的电压比原线圈原线圈电压高的变压器电压高的变压器。 1思考判断思考判断(正确的打正确的打“”“”,错误的打错误的打“”“”) (1)变压器只能改变交变电流的电压变压器只能改变交变电流的电压,不能改变直流电的电压不能改变直流电的电压。( () ) (2)实际生活中实际生活中,不存在原线圈与副线圈匝数相等的变压器不存在原线圈与副线圈匝数相等的变压器。 ( () ) (3)理想变压器不仅可以改变交变电流的电压和电流理想变压器不仅可以改变交变电流的电压和电流,还可以改变交变电流还可以改变交变电流 的功率和
6、频率的功率和频率。( () ) (4)理想变压器是客观存在的理想变压器是客观存在的。( () ) (5)U1 U2 n1 n2适用于任何理想变压器 适用于任何理想变压器。( () ) 2理想变压器原理想变压器原、副线圈匝数比为副线圈匝数比为 10 1,下列说法中正确的是下列说法中正确的是() A穿过原穿过原、副线圈每一匝磁通量之比是副线圈每一匝磁通量之比是 101 B穿过原穿过原、副线圈每一匝磁通量的变化率相等副线圈每一匝磁通量的变化率相等,但穿过每匝线圈的磁通量但穿过每匝线圈的磁通量 并不相等并不相等 C原原、副线圈每一匝产生的电动势瞬时值之比为副线圈每一匝产生的电动势瞬时值之比为 10 1
7、 D正常工作时正常工作时,原原、副线圈的输入副线圈的输入、输出功率之比为输出功率之比为 11 D对理想变压器,无磁通量损失,因而穿过两个线圈的磁通量相同,磁对理想变压器,无磁通量损失,因而穿过两个线圈的磁通量相同,磁 通量变化率相同,因而每匝线圈产生的感应电动势相等,才导致电压与匝数成通量变化率相同,因而每匝线圈产生的感应电动势相等,才导致电压与匝数成 正比正比,选项选项 A、B、C 错误错误;理想变压器可以忽略各种损耗理想变压器可以忽略各种损耗,故输入功率等于输故输入功率等于输 出功率,选项出功率,选项 D 正确。正确。 3如图所示如图所示,理想变压器原理想变压器原、副线圈的匝数比为副线圈的
8、匝数比为 n1n241,当导体棒当导体棒 在匀强磁场中向左做匀速直线运动切割磁感线时在匀强磁场中向左做匀速直线运动切割磁感线时,电流表电流表 A1的示数是的示数是 12 mA, 则电流表则电流表 A2的示数为的示数为() A3 mAB0 C48 mAD与负载与负载 R 的值有关的值有关 B导体棒向左匀速切割磁感线时,在线圈导体棒向左匀速切割磁感线时,在线圈 n1中通过的是恒定电流中通过的是恒定电流, 不能引起穿过副线圈的磁通量变化,在副线圈上无感应电动势,所以不能引起穿过副线圈的磁通量变化,在副线圈上无感应电动势,所以 A2中无电中无电 流通过。流通过。 理想变压器的基本关系理想变压器的基本关
9、系 如图所示如图所示, 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, 一个线圈一个线圈(原原 线圈线圈)通过开关可以连接到交流电源的两端通过开关可以连接到交流电源的两端,另一个线圈另一个线圈(副线圈副线圈)连到小灯泡连到小灯泡 上连接电路上连接电路,接通电源接通电源,小灯泡能发光小灯泡能发光。 (1)两个线圈并没有连接两个线圈并没有连接,小灯泡为什么会发光?小灯泡为什么会发光? (2)小灯泡两端的电压与学生电源的输出电压相等吗?如果不相等小灯泡两端的电压与学生电源的输出电压相等吗?如果不相等,与什么与什么 因素有关?因素有关? (3)若将原线圈接在
10、恒定的直流电源上小灯泡发光吗?为什么?若将原线圈接在恒定的直流电源上小灯泡发光吗?为什么? 提示:提示:(1)当左侧线圈加上交流电压时,左侧线圈中就有交变电流,它在铁当左侧线圈加上交流电压时,左侧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,在右侧线圈中会产芯中产生周期性变化的磁场,根据法拉第电磁感应定律知,在右侧线圈中会产 生感应电动势,右侧线圈作为电源给小灯泡供电,小灯泡就会发光。生感应电动势,右侧线圈作为电源给小灯泡供电,小灯泡就会发光。 (2)左左、右线圈中每一圈上磁通量的变化率右线圈中每一圈上磁通量的变化率 t 都相同都相同,若左边匝数为若左边匝数为
11、 n1,则则 U1E1n1 t 。若右边匝数为若右边匝数为 n2,则则 U2E2n2 t ,故有故有E1 E2 n1 n2; ;若忽略左边若忽略左边 线圈的电阻则有线圈的电阻则有 U1U电源 电源,这样看来只要 ,这样看来只要 n1n2,小灯泡两端的电压与学生电,小灯泡两端的电压与学生电 源的输出电压就不相等。小灯泡两端的电压,即副线圈两端的电压与原、副线源的输出电压就不相等。小灯泡两端的电压,即副线圈两端的电压与原、副线 圈匝数比有关。圈匝数比有关。 (3)不发光,因为无法在副线圈中产生感应电动势。不发光,因为无法在副线圈中产生感应电动势。 1电压关系电压关系 U1U2U3n1n2n3或或U
12、1 n1 U2 n2 U3 n3 2功率关系功率关系 输入功率等于输出功率输入功率等于输出功率,即即 P入 入 P 出出, ,U1I1U2I2。 3电流关系电流关系 由功率关系可知由功率关系可知,当只有一个副线圈时当只有一个副线圈时,I1 I2 U2 U1 n2 n1; ; 当有多个副线圈时当有多个副线圈时,I1U1I2U2I3U3,I1n1I2n2I3n3 4原原、副线圈的交变电流的周期副线圈的交变电流的周期 T 和频率和频率 f 相同 相同。 【例【例 1】如图所示如图所示,理想变压器原理想变压器原、副线圈匝数比副线圈匝数比 n1n221,和和 均为理想电表均为理想电表,灯泡电阻灯泡电阻
13、RL6 ,A、B 两端电压两端电压 u112 2sin 100t(V)。下列下列 说法正确的是说法正确的是() A电流频率为电流频率为 100 Hz B的读数为的读数为 24 V C的读数为的读数为 0.5A D变压器输入功率为变压器输入功率为 6 W D根据根据 u112 2sin 100t(V)及及 UUm 2知 知 U112 V,f 2 50 Hz,选选项项 A 错误错误;根据根据U1 U2 n1 n2得 得 U2n2 n1U 11 2 12 V6 V,即即的读数为的读数为 6 V,选项选项 B 错错 误;又误;又 I2U2 RL 6 6 A1 A,即,即的读数为的读数为 1 A,选项,
14、选项 C 错误;根据错误;根据 P1P2及及 P2 U 2 2 RL 6 2 6 W6 W,选项,选项 D 正确。正确。 变压器中提到的电压关系、电流关系、电路中电表的示数等,指的都是交变压器中提到的电压关系、电流关系、电路中电表的示数等,指的都是交 流电的有效值。流电的有效值。 跟进训练跟进训练 1(多选多选)如图所示如图所示,将额定电压为将额定电压为 60 V 的用电器的用电器,通过一理想变压器接在通过一理想变压器接在 正弦交变电源上正弦交变电源上。 闭合开关闭合开关 S 后后, 用电器正常工作用电器正常工作, 交流电压表和交流电流表交流电压表和交流电流表(均均 为理想电表为理想电表)的示
15、数分别为的示数分别为 220 V 和和 2.2A。以下判断正确的是以下判断正确的是() A变压器输入功率为变压器输入功率为 484 W B通过原线圈的电流的有效值为通过原线圈的电流的有效值为 0.6A C通过副线圈的电流的最大值为通过副线圈的电流的最大值为 2.2 A D变压器原变压器原、副线圈匝数比副线圈匝数比 n1n2113 BD变压器的输入功率变压器的输入功率 P1P2I2U22.260 W132 W,选项,选项 A 错误错误; 由由U1 U2 n1 n2得 得n1 n2 U1 U2 220 60 11 3 , 选项选项 D 正确正确; 由由I1 I2 n2 n1得 得 I1n2 n1I
16、 2 3 11 2.2A0.6 A, 选项选项 B 正确正确; 根据根据 I Im 2得通过副线圈的电流的最大值 得通过副线圈的电流的最大值 I2m 2I211 5 2 A, 选项选项 C 错误。错误。 理想变压器工作时的制约关系理想变压器工作时的制约关系 1当副线圈空载时当副线圈空载时,变压器的输出功率为零变压器的输出功率为零,输入功率为多少?它们之间输入功率为多少?它们之间 是什么关系?是什么关系? 2在一个副线圈的情况下在一个副线圈的情况下,为什么电流与匝数成反比?为什么电流与匝数成反比? 提示:提示:1.零,输出功率决定输入功率。零,输出功率决定输入功率。 2因为电压与匝数成正比因为电
17、压与匝数成正比,而输入功率与输出功率相等而输入功率与输出功率相等, ,所示得到电流与所示得到电流与 匝数成反比。匝数成反比。 1电压制约电压制约 输入电压输入电压 U1决定输出电压决定输出电压 U2。当变压器原当变压器原、副线圈的匝数比副线圈的匝数比n1 n2一定时 一定时,输输 出电压出电压 U2由输入电压由输入电压 U1决定决定,即即 U2n2U1 n1 。 2电流制约电流制约 输出电流输出电流 I2决定输入电流决定输入电流 I1。当变压器原当变压器原、副线圈的匝数比副线圈的匝数比n1 n2一定 一定,且输入且输入 电压电压 U1确定时确定时,原线圈中的电流原线圈中的电流 I1由副线圈中的
18、输出电流由副线圈中的输出电流 I2决定决定,即即 I1n2I2 n1 。 而变压器副线圈中的电流而变压器副线圈中的电流 I2由用户负载及电压由用户负载及电压 U2确定确定,即即 I2P2 U2。 。 3功率制约功率制约 输出功率输出功率 P2决定输入功率决定输入功率 P1。变压器副线圈中的功率变压器副线圈中的功率 P2由用户负载决定由用户负载决定, 即即 P2P负 负1 P 负负2 。P2增大增大,P1增大;增大;P2减小减小,P1减小;减小;P2为零为零,P1为零为零。 【例【例 2】如图所示如图所示,理想变压器的原线圈接在理想变压器的原线圈接在 u110 2sin 60t(V)的交流的交流
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