2024年高考物理一轮复习(新人教版) 第13章 第2讲 变压器 远距离输电 实验:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系.docx
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1、第2讲变压器远距离输电实验:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系目标要求1.会用实验探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系,体会控制变量法,了解实验误差.2.知道变压器的工作原理,掌握变压器的特点,并能分析、解决实际问题.3.理解远距离输电的原理并会计算线路损失的电压和功率考点一实验: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)实验方法采用控制变量法n1、U1一定,研究n2和U2的关系n2、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3实验过程(1)保持原线圈的匝数n1和电压U1不
2、变,改变副线圈的匝数n2,研究n2对副线圈电压U2的影响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
3、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例1在“探究变压器原、副线圈电压和匝数的关系”实验中,可拆变压器如图所示(1)本实验要通过改变原、副线圈匝数,探究原、副线圈的电压比与匝数比的关系,实验中需要运用的科学方法是_;A控制变量法B等效替代法C整体隔离法(2)为了减少涡流的影响,铁芯应该选择_;A整块硅钢铁芯 B整块不锈钢铁芯C绝缘的硅钢片叠成 D绝缘的铜片叠成(3)以下给出的器材中,本实验需要用到的有哪些_;(4)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 VB为了多
4、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C观察两个线圈的导线,发现粗细不同,导线粗的线圈匝数多D变压器开始正常工作后,铁芯导电,把电能由原线圈输送到副线圈(5)在实际实验中将电源接在原线圈的“0”和“800”两个接线柱上,用电表测得副线圈的“0”和“400”两个接线柱之间的电压为3.0 V,则原线圈的输入电压可能为_(填选项前字母)A1.5 V B3.0 VC6.0 V D7.0 V答案(1)A(2)C(3)BD(4)B(5)D解析(1)本实验要通过改变原、副线圈匝数,探究原、副线圈的电压比与匝数比的关系,实验中需要运用的科学方法是控制变量法,故选A.(2)变压器铁芯的材料要选
5、择磁性材料,为防止出现涡流,选择用绝缘的硅钢片叠成的铁芯,故C正确,A、B、D错误(3)实验中需要交流电源和交流电压表,不需要干电池和直流电压表,故选B、D.(4)变压器改变的是交流电压,因此为了人身安全,只能使用低压交流电源,所用电压不能超过12 V,若用直流电源,变压器不能工作,故A错误;使用多用电表测电压时,先用最大量程挡试测,再选用恰当的挡位进行测量,故B正确;观察两个线圈的导线,发现粗细不同,由变压器工作原理知,可知匝数少的电流大,则导线越粗,即导线粗的线圈匝数少,故C错误;变压器的工作原理是电磁感应现象,若不计各种损耗,在原线圈上将电能转化成磁场能,在副线圈上将磁场能转化成电能,铁
6、芯起到“传递”磁场能的作用,不是铁芯导电,传输电能,故D错误(5)若是理想变压器,则由变压器原、副线圈电压与匝数的关系有,若变压器的原线圈接“0”和“800”两个接线柱,副线圈接“0”和“400”两个接线柱,可知原、副线圈的匝数比为21,副线圈的电压为3 V,则原线圈的电压为U123 V6 V,考虑到不是理想变压器,有漏磁等现象,则原线圈所接的电源电压大于6 V,可能为7 V,故D正确考点二理想变压器的原理及应用1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2基本关系式(1)功率关系:P入P出(2)电压关系:.(3)电流关系:只有
7、一个副线圈时.(4)频率关系:f出f入1变压器只对交变电流起作用,对恒定电流不起作用()2变压器不但能改变交变电流的电压,还能改变交变电流的频率()3在任何情况下,理想变压器均满足、P入P出()1理想变压器的制约关系电压原线圈电压U1和匝数比决定副线圈电压U2,U2U1功率副线圈的输出功率P出决定原线圈的输入功率P入,P入P出电流副线圈电流I2和匝数比决定原线圈电流I1,I1I22.含有多个副线圈的变压器计算具有两个或两个以上副线圈的变压器问题时,需注意三个关系:电压关系:功率关系:P1P2P3P4Pn电流关系:n1I1n2I2n3I3n4I4nnIn 考向1变压器基本物理量的分析与计算例2(
8、2022山东卷4)如图所示的变压器,输入电压为220 V,可输出12 V、18 V、30 V电压,匝数为n1的原线圈中电压随时间变化为uUmcos (100t)单匝线圈绕过铁芯连接交流电压表,电压表的示数为0.1 V将阻值为12 的电阻R接在BC两端时,功率为12 W下列说法正确的是()An1为1 100匝,Um为220 VBBC间线圈匝数为120匝,流过R的电流为1.4 AC若将R接在AB两端,R两端的电压为18 V,频率为100 HzD若将R接在AC两端,流过R的电流为2.5 A,周期为0.02 s答案D解析变压器的输入电压为220 V,原线圈的交流电的电压与时间成余弦函数关系,故输入交流
9、电压的最大值为220 V,根据理想变压器原线圈与单匝线圈的匝数比为,解得原线圈为2 200匝,A错误;根据题图可知,当原线圈输入电压为220 V时,BC间的电压为UBC12 V,故BC间的线圈与单匝线圈匝数关系有,则BC间的线圈匝数为120匝,流过R的电流为IBC1 A,B错误;若将R接在AB两端,根据题图可知,当原线圈输入电压为220 V时,AB间的电压应该为18 V,根据交流电原线圈电压的表达式可知,交流电的角速度为100 rad/s,故交流电的频率为f50 Hz,C错误;若将R接在AC两端,根据题图可知,当原线圈输入电压为220 V时,AC间的电压应该为30 V,根据欧姆定律可知,流过电
10、阻R的电流为IAC A2.5 A,交流电的周期为T0.02 s,D正确例3(2022北京卷4)某理想变压器的原线圈接在220 V的正弦交流电源上,副线圈输出电压为22 000 V,输出电流为300 mA.该变压器()A原、副线圈的匝数之比为1001B输入电流为30 AC输入电流的最大值为15 AD原、副线圈交流电的频率之比为1100答案B解析原、副线圈的匝数之比为,故A错误;根据可得输入电流为I1I2100300103 A30 A,故B正确;输入电流的最大值为ImI130 A,故C错误;变压器不会改变交流电的频率,故原、副线圈交流电的频率之比为11,故D错误 考向2原线圈接入用电器的变压器问题
11、分析例4(2023江苏省名校联考)如图,一理想变压器ab端接交流电源,原线圈匝数为100匝,R1、R2、R3阻值相等则当开关S断开时R1的功率为P1,当S闭合时R1的功率为P2,且P1P2925,则副线圈匝数为()A25 B50 C200 D400答案B解析设原、副线圈的匝数比为n,开关断开时原线圈电流为I1,开关闭合时原线圈电流为I2,由P1P2925、PI2R可知I1I235;设开关断开时副线圈电流为I1,开关闭合时副线圈电流为I2,设R1R2R3R,则开关断开时副线圈电压为U1I1RnI1R,此时原线圈输出电压为U1nU1n2I1R,总电压为UU1I1Rn2I1RI1R,由欧姆定律可知开
12、关闭合时副线圈电阻为R0.5R,此时副线圈电压为U2I20.5R0.5nI2R,此时原线圈输出电压为U2nU20.5n2I2R,总电压为UU2I2R0.5n2I2RI2R,联立解得n2,则副线圈的匝数为n10050,故B正确,A、C、D错误考点三理想变压器的动态分析1匝数比不变的分析思路(1)U1不变,根据,输入电压U1决定输出电压U2,不论负载电阻R如何变化,U2不变(2)当负载电阻发生变化时,I2变化,输出电流I2决定输入电流I1,故I1发生变化(3)I2变化引起P2变化,而P1P2,故P1发生变化2负载电阻不变的分析思路(1)U1不变,发生变化时,U2变化(2)R不变,U2变化时,I2发
13、生变化(3)根据P2,P2发生变化,再根据P1P2,故P1变化,P1U1I1,U1不变,故I1发生变化1变压器副线圈并联更多的用电器时,原线圈输入的电流随之减小()2原线圈所加电压恒定,当原线圈的匝数增加时,副线圈两端电压增大()3变压器副线圈接入负载越多,原线圈的输入电流越小() 考向1理想变压器匝数不变问题的分析和计算例5(2021湖北卷6)如图所示,理想变压器原线圈接入电压恒定的正弦交流电,副线圈接入最大阻值为2R的滑动变阻器和阻值为R的定值电阻在变阻器滑片从a端向b端缓慢移动的过程中()A电流表A1示数减小B电流表A2示数增大C原线圈输入功率先增大后减小D定值电阻R消耗的功率先减小后增
14、大答案A解析由于原线圈所接电压恒定,匝数比恒定,故变压器副线圈的输出电压恒定,滑动变阻器的滑片从a端向b端缓慢移动的过程中,由数学知识可知,变压器副线圈所接的电阻值逐渐增大,则由欧姆定律得I2,可知副线圈的电流逐渐减小,由,可知变压器原线圈的电流I1也逐渐减小,故A正确,B错误;原线圈的输入功率为P入U1I1,由于I1逐渐减小,则原线圈的输入功率逐渐减小,故C错误;滑片从a端向b端滑动时,副线圈干路电流减小,滑动变阻器右半部分和R并联总电阻减小,则并联部分分压减小,由PR知,定值电阻R消耗的功率减小,故D错误 考向2理想变压器负载不变问题的分析和计算例6如图所示,原、副线圈匝数比为1001的理
15、想变压器,b是原线圈的中心抽头,电压表和电流表均为理想电表,从某时刻开始在原线圈c、d两端加上交变电压,其瞬时值表达式为u1310sin 314t(V),则()A当单刀双掷开关与a连接时,电压表的示数为3.1 VB副线圈两端的电压频率为50 HzC当单刀双掷开关由a扳向b时,原线圈输入功率变小D当单刀双掷开关由a扳向b时,电压表和电流表的示数均变小答案B解析由,得U2,因U1 V,所以U2 V2.2 V,A错误;由瞬时值表达式可得314 rad/s,则频率f Hz50 Hz,B正确;当单刀双掷开关由a扳向b时,n1减小,则U2增大,电压表示数变大,I2增大,副线圈的输出功率P出U2I2增大,原
16、线圈的输入功率增大,C、D错误考点四远距离输电如图所示,若发电站输出电功率为P,输电电压为U,用户得到的电功率为P,用户端的电压为U,输电电流为I,输电线总电阻为R.1输电电流I.2电压损失(1)UUU;(2)UIR.3功率损失(1)PPPUI;(2)PI2R()2R4降低输电损耗的两个途径(1)减小输电线的电阻R.由R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PUI,要减小电流,必须提高输电电压1增大输电导线的横截面积有利于减少输电过程中的电能损失()2高压输电是通过减小输电电流来减少电路的热损耗()3若发电站输出功率为P,输电电
17、压为U,输电线总电阻为R,如图所示,则输电线上损失的功率为P损.()1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U1I1P1.(2)在输送回路中,I2I线I3,U2UU3,UI2R线,PI22R线(3)在用户回路中,P4U4I4P用户2抓住两组关联式(1)理想的升压变压器联系着电源回路和输送回路,由理想变压器原理可得:,P1P2.(2)理想的降压变压器联系着输送回路和用户回路,由理想变压器原理可得:,P3P4.3掌握一个守恒观念功率关系:P2PP3,其中PUI线I线2R线.例7如图所示为远距离交流输电的简化电路图发电厂的输出电压为U,用等效总电阻是r的两条输电线输电,输电线路
18、中的电流是I1,其末端间的电压为U1,在输电线与用户间连有一理想变压器,流入用户端的电流为I2,则()A用户端的电压为B输电线上损失的电压为UC理想变压器的输入功率为I12rD输电线路上损失的电功率为I1U答案A解析因为P入P出,所以U1I1U2I2,即U2,选项A正确;输电线上损失的电压为U线UU1,选项B错误;理想变压器的输入功率P入I1U1,输电线路上损失的电功率P损I12rI1(UU1),选项C、D错误例8(多选)(2021山东卷9)输电能耗演示电路如图所示左侧变压器原、副线圈匝数比为13,输入电压为7.5 V的正弦交流电连接两理想变压器的导线总电阻为r,负载R的阻值为10 .开关S接
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