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最新高考物理二轮复习课件：选修3-2 第4讲 变压器 电能的输送
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这是一份最新高考物理二轮复习课件：选修3-2 第4讲 变压器 电能的输送，共60页。PPT课件主要包含了原线圈，副线圈，互感现象，低电压，小电流，I2R，课时提升作业等内容，欢迎下载使用。
【知识梳理自查】一、探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系1.实验器材:学生电源(低压交流,小于12 V)1个、可拆变压器1个、多用表(交流电压挡)1个、导线若干。
2.实验原理:(1)实验电路图。(2)实验方法采用控制变量法。①n1一定,研究n2和U2的关系。②n2一定,研究n1和U2的关系。
3.注意事项:(1)要事先推测副线圈两端电压的可能值。(2)为了人身安全,只能使用低压交流电压,所用电压不要超过12 V,即使这样,通电时也不要用手接触裸露的导线、接线柱。(3)为了多用电表的安全,使用交流电压挡测电压时,先用最大量程挡测试,大致确定电压后再选择适当的挡位进行测量。(4)连接电路后要由同组的几位同学分别独立检查,然后请老师确认,才能接通电源。
二、理想变压器1.构造 如图所示,变压器是由闭合铁芯和绕在铁芯上的_______、_______组成的。(1)原线圈:与交流电源连接的线圈,也叫_____线圈。(2)副线圈:与负载连接的线圈,也叫_____线圈。
2.工作原理:电磁感应的_________。3.理想变压器原、副线圈基本量的关系
4.几种常用的变压器(1)自耦变压器——调压变压器,如图甲(降压作用)、乙(升压作用)所示。
(2)互感器①电压互感器(n1>n2):把高电压变成_______,如图丙所示。②电流互感器(n1
三、远距离输电1.输电过程(如图所示) 2.输送电流:
3.电压损失:(1)ΔU=U-U′。(2)ΔU=___。4.功率损失:(1)ΔP=P-P′。(2)ΔP=___=
【情境转换】从发电站输出的功率为220 kW,输电线的总电阻为0.1 Ω,用220 V和22 kV两种电压输电。两种情况下输电线上由电阻造成的电能的损耗之比是多少?提示:由题意知输电线上的电流I= ,则输电线的P损=I2r=( )2r,设220 V和22 kV两种电压输电下损失的功率分别为P1、P2。则
【小题速诊速纠】1.判一判(1)变压器不但可以改变交流电压,也可以改变稳恒直流电压。( )(2)变压器原线圈中的电流由副线圈中的电流决定。( )(3)理想变压器的基本关系式中,电压和电流均为有效值。( )(4)高压输电的目的是增大输电的电流。( )(5)在输送电压一定时,输送的电功率越大,输送过程中损失的功率越小。( )
(6)变压器副线圈接入的用电器越多,输电线上损失的功率越大。( )(7)在原副线圈匝数不变时,变压器副线圈中的电压由原线圈中的电压决定。( )提示:(1)× (2)√ (3)√ (4)× (5)× (6)√ (7)√
2.练一练(1)(多选)如图是街头变压器通过降压给用户供电的示意图,变压器的输入电压是市区电网的电压,当滑动变阻器R的滑片向上移动时,下列说法正确的是( )A. 读数不变, 读数不变B. 读数减少, 读数不变C. 增加,变压器的输出功率增加D. 不变,R0上输出的功率减少
【解析】选A、D。输入电压不变,所以 读数不变,由 知, 读数不变,故A正确;滑片上移,R变大,故 读数变小,I1由I2决定,n1I1=n2I2,所以 读数变小,R0分压变小,故 读数变大,R0上输出功率减少,变压器输出功率减小,所以D正确。
(2)如图是远距离输电的示意图,下列说法正确的是( ) A.a是升压变压器,b是降压变压器B.a是降压变压器,b是升压变压器C.a的输出电压等于b的输入电压D.a的输出电压等于输电线上损失的电压
【解析】选A。因能量损失与输送电压的平方成反比,故为了减小电路能量损耗,要用高压送电,到用户要进行降压,故a为升压变压器,b是降压变压器,故A正确,B错误;因输电线有电阻,会有电压损失,故a的输出电压减去输电线上损失的电压等于b的输入电压,故C、D错误。
考点1 理想变压器原理及应用(c)【要点融会贯通】1.变压器基本关系中的U1、U2、I1、I2均为有效值。2.两类理想变压器的动态分析问题:(1)匝数比不变的情况(如图甲所示):①U1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都不变。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。③I2变化引起P2变化,由P1=P2知P1发生变化。
(2)负载电阻不变的情况(如图乙所示):①U1不变, 发生变化,U2变化。②R不变,U2变化,I2发生变化。③根据P2= 和P1=P2,可以判断P2变化时,P1发生变化,U1不变时,I1发生变化。
【典例考题研析】 【典例1】如图所示为汽车的点火装置,此装置的核心是一个变压器,该变压器的原线圈通过开关连接到12 V的蓄电池上,副线圈连接到火花塞的两端,开关由机械控制,当开关由闭合变为断开时,副线圈中产生10 000 V以上的电压,火花塞中产生火花。下列说法中正确的是( )
A.变压器的原线圈要用粗导线绕制,而副线圈可以用细导线绕制B.若该点火装置的开关始终闭合,火花塞的两端会持续产生高压C.变压器原线圈输入的12 V电压必须是交流电,否则就不能在副线圈中产生高压D.该点火装置中变压器的副线圈匝数必须小于原线圈的匝数
【解题思路】解答本题应注意以下几点:
【解析】选A。汽车的点火装置是利用变压器原理工作的,当开关始终闭合时,通过原线圈的电流恒定,原线圈中产生的磁场恒定,则在副线圈上不会产生电压,所以B错误;由题可知原线圈处接12 V的直流电源,当断开开关瞬间原线圈中电流迅速变化,会产生变化的磁场,则在副线圈中可能产生高压,所以C错误;由 可知,要在副线圈中产生高压,则原线圈匝数必须小于副线圈的匝数,所以D错误。故选A。
【精练题组通关】 1.(2020·浙江1月选考真题)如图所示,甲、乙两图中的理想变压器以不同的方式接在高压电路中。甲图中变压器原、副线圈的匝数比为k1,电压表读数为U,乙图中变压器原、副线圈的匝数比为k2,电流表读数为I。则甲图中高压线电压和乙图中高压线电流分别为( )A.k1U,k2IB.k1U, C. ,k2ID.
【解析】选B。已知U2=U,I2=I,根据原、副线圈的电压、电流与线圈匝数关系 =k1、 ,可知U1=k1U,I1= ,选项B正确。
2.为完成“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”的实验,必须要选用的是____________ (多选)。 A.有闭合铁芯的原副线圈B.无铁芯的原副线圈C.交流电源D.直流电源E.多用电表(交流电压挡)F.多用电表(交流电流挡) 用匝数na=60匝和nb=120匝的变压器,实验测量数据如表,
根据测量数据可判断连接电源的线圈是__________(填“na”或“nb”)。
【解析】变压器原副线圈需要有闭合铁芯,才能尽可能地减少漏磁,使穿过两线圈的磁通量相同,也才能更好地观察到原副线圈电压与匝数的关系,故A项正确,B项错误。直流电源通过线圈不可能引发自感现象,从而也就无法产生感应电动势,实现变压器更是无从谈起,故C项正确,D项错误。为了探究变压器线圈两端电压与匝数的关系,必须要测量原副线圈电压,因此必须要用到多用电表(交流电压挡),而不是多用电表(交流电流挡),故E项正确,F项错误。已知 ,那么理论上Ua与Ub之比也应为 。但是由于实验中很难达到
理想条件,不可避免地存在漏磁等现象,导致副线圈电压比理论值略小。那么据此对照实验数据即可发现,Ua均略小于 ,故na为副线圈,nb为原线圈,那么连接电源的原线圈自然应该是nb。答案:ACE nb
3.在“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验中,电源输出端与变压器线圈连接方式正确的是________(选填“图1”或“图2”)。变压器原、副线圈的匝数分别为120匝和60匝,测得的电压分别为8.2 V和3.6 V,据此可知电压比与匝数比不相等,主要原因是_________________。
【解析】变压器是靠电磁感应原理工作的,必须接交流电,故正确的是图2;理想变压器电压与匝数成正比,实际变压器不成正比的原因是由于漏磁、铁芯发热、导线发热等电能损失造成的。答案:图2 漏磁、铁芯发热、导线发热
考点2 电能的输送(c)【要点融会贯通】1.降低输电损耗的两个途径:(1)减小输电线的电阻,由电阻定律R=ρ 可知,在输电距离一定的情况下,为了减小电阻,应采用电阻率小的材料,也可以增加导线的横截面积。(2)减小输电导线中的输电电流,由P=UI可知,当输送功率一定时,提高输电电压,可以减小输电电流。
2.远距离输电问题的“三二一”:(1)理清三个回路。
(2)抓住两个联系。①理想的升压变压器联系了回路1和回路2,由变压器原理可得:线圈1(匝数为n1)和线圈2(匝数为n2)中各个量间的关系是 ②理想的降压变压器联系了回路2和回路3,由变压器原理可得:线圈3(匝数为n3)和线圈4(匝数为n4)中各个量间的关系是 (3)掌握一个守恒:能量守恒关系式P1=P损+P3
【典例考题研析】 【典例2】(多选)某小型发电站的电能输送示意图如图所示,发电机通过升压变压器T1和降压变压器T2向用户供电。已知输电线的总电阻为R=10 Ω,降压变压器T2原、副线圈匝数之比为4∶1,降压变压器副线圈两端交变电压u=220 sin 100πt(V),降压变压器的副线圈与滑动变阻器组成闭合电路。若将变压器视为理想变压器,当负载R0=11 Ω时( )
A.通过R的电流有效值是20 AB.升压变压器的输入功率为4 650 WC.当负载R0增大时,发电机的输出功率减小D.发电机中电流变化的频率为100 Hz
【解析】选B、C。通过R0的电流有效值I4= =20 A,根据 得,输电线上的电流I3=20× A=5 A,故A错误;输电线上损耗的功率P损= R=250 W,降压变压器的输入功率P3=U4I4=220×20 W=4 400 W,则升压变压器的输入功率为P1=P2=P3+P损=(4 400+250)W=4 650 W,故B正确;当R0增大时,降压变压器的输出电流减小,则输电线上的电流减小,升压变压器原线圈中的电流变小,根据P=UI知,发电机的输出功率减小,故C正确;交流电的频率f= =50 Hz,故D错误。
【精练题组通关】 1.(多选)如图所示,甲是远距离输电线路的示意图,乙是发电机输出电压随时间变化的图象,则( ) A.用户用电器上交流电的频率是50 HzB.发电机输出交流电的电压有效值是500 VC.输电线的电流只由降压变压器原副线圈的匝数比决定D.当用户用电器的总电阻增大时,输电线上损失的功率减小
【解析】选A、D。由图乙可知交流电的周期为0.02 s,频率为50 Hz,则A正确;发电机输出电压的有效值是 V,则B错误;输电线上的电流由用户消耗的功率及降压变压器原副线圈的匝数比共同决定,则C错误;当用户用电器的总电阻增大时,设降压变压器副线圈两端的电压为U4,则U4没变,由P= 知,用户消耗功率变小,降压变压器输入功率变小,设降压变压器原线圈电压为U3,又P入=I线U3,U3没变,I线变小,P线= R线,R线未变,则输电线上损失的功率减少,故D正确。
2.(2020·浙江7月选考真题)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 AB.输电线上的电流I线=625 AC.降压变压器的匝数比n3∶n4=190∶11D.用户得到的电流I4=455 A
【解析】选C。发电机的输出电流I1= =400 A,选项A错误。输电线上的电流I线 = =25 A,选项B错误。升压变压器的副线圈输出电压U2 = =4×103 V,输电线损耗电压ΔU=I线R=25×8 V=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 ,选项C正确。降压变压器的功率P4=P3=P-P线=95 kW,故用户得到的电流I4= =431.8 A,选项D错误。
3.(多选)一台发电机最大输出功率为4 000 kW,电压为4 000 V,经变压器T1升压后向远方输电。输电线路总电阻为R=1 kΩ。到目的地经变压器T2降压,负载为多个正常发光的灯泡(220 V 60 W)。若在输电线路上消耗的功率为发电机输出功率的10%,变压器T1和T2的耗损可忽略,发电机处于满负荷工作状态,则( )A.T1原、副线圈电流分别为103 A和20 AB.T2原、副线圈电压分别为1.8×105 V和220 VC.T1和T2的变压比分别为1∶50和40∶1D.有6×104盏灯泡(220 V 60 W)正常发光
【解析】选A、B、D。远距离输电的模型如图所示。T1原线圈的电流为I1= =1×103 A,输电线路上损失的功率为P损= R=10%P1,所以I2= =20 A,选项A正确;T1的原、副线圈匝数比为 T1上副线圈的电压为U2=50U1=2×105 V,T2原线圈的电压为U3=U2-I2R=2×105 V-20×103 V=1.8×105 V,选项B正确;T2上原、副线圈的变压比为 选项C错误;能正常发光的灯泡的盏数为:N= =6×104,选项D正确。
二十九 变压器 电能的输送(建议用时40分钟)【基础练】1.如图所示,理想变压器原、副线圈分别接有额定电压相同的灯泡a和b。当输入电压U为灯泡额定电压的10倍时,两灯泡均能正常发光,下列说法正确的是( )A.原、副线圈匝数之比为9∶1B.原、副线圈匝数之比为1∶9C.此时a和b的电功率之比为9∶1D.此时a和b的电功率之比为1∶10
【解析】选A。灯泡正常发光,则其电压均为额定电压U0,说明原线圈输入电压为9U0,输出电压为U0,原、副线圈匝数之比为9∶1,故A正确,B错误;根据公式 ,可得 由于小灯泡两端的电压相等,所以根据公式P=UI可得两者的电功率之比为1∶9,故C、D错误。
2.如图甲所示,一理想变压器原、副线圈匝数之比为22∶1,其原线圈两端接入如图乙所示的正弦交流电,副线圈通过电流表与负载电阻R=20 Ω相连。若交流电压表和交流电流表都是理想电表,则下列说法中正确的是( )A.电流表的示数是0.5 AB.变压器的输入功率是5 WC.流过R的电流方向每秒改变50次D.当t=1×10-2 s时电压表的示数是0 V
【解析】选B。由题图乙可知交流电压最大值Um=220 V,有效值为220 V,根据变压比 可知,输出电压有效值为10 V,电压表的示数为有效值,则任意时刻的示数均为10V,故D错误;根据欧姆定律可知,I= =0.5 A,电流表的示数是0.5 A,故A错误;变压器的输出功率P=UI=5 W,根据输出功率等于输入功率可知,变压器的输入功率是5 W,故B正确;周期T=0.02 s,则流过R的电流方向每秒改变100次,故C错误。
3.(多选)如图所示的电路中,P为滑动变阻器的滑片,保持理想变压器的输入电压U1不变,闭合电键S,下列说法正确的是( )A.P向下滑动时,灯L变亮B.P向下滑动时,变压器的输出电压不变C.P向上滑动时,变压器的输入电流变小D.P向上滑动时,变压器的输出功率变大
【解题指导】解答本题时应从以下三点进行分析:(1)理想变压器电压、电流和电功率分别由什么因素决定。(2)若为理想电源,并联电路的各个支路间没有影响。(3)在电压一定的情况下,电阻越小,电功率越大。【解析】选B、D。理想变压器的输出电压由输入电压决定,与用电器无关,故无论P怎样滑动,变压器的输出电压不变,灯L的亮度不变,A项错误、B项正确;理想变压器的输入电流和功率由用电器决定,P向上滑动时,用电器的功率变大,变压器的输出功率和输入电流都变大,C项错误、D项正确。
4.在如图所示的电路中,理想变压器原、副线圈的匝数比n1∶n2=22∶1,原线圈接u1=220 ·sin100πt (V)的交变电流,电阻R=10 Ω,电流表、电压表均为理想电表,则( )A.电压表的读数为10 VB.电流表的读数为22 AC.电阻R消耗的功率为10 WD.变压器的输出功率为10 W
【解析】选D。输入电压的有效值为U1= =220 V,根据 得U2= U1=10 V,故选项A错误;电流表的示数为I2= =1 A,故选项B错误;电阻消耗的功率为P2=U2I2=10 W,故选项C错误;理想变压器的输入电功率等于副线圈回路负载消耗的功率,故选项D正确。
5.(2020·绍兴模拟)如图所示,理想变压器原、副线圈匝数分别为n1、n2,副线圈电路中L1、L2、L3为3个小灯泡,A为理想交流电流表,L为电感线圈,C为电容器,闭合电键K后( )A.电流表指针会不断摆动B.仅增加副线圈的匝数n2,L1变暗C.仅提高交流电源的频率,L2变暗D.仅提高交流电源的频率,L3变暗
【解析】选C。交流电流表显示的是有效值,通过交变电流时,不会摆动,故A错误;增加副线圈的匝数,根据理想变压器的工作原理可知,输出电压增大,灯泡L1两端的电压增大,变亮,故B错误;仅提高交流电源的频率,则电感对电流的阻碍作用增大,灯泡L2变暗,故C正确;仅提高交流电源的频率,则电容对电流的阻碍作用减小,灯泡L3变亮,故D错误。
6.(多选)如图,将额定电压为60 V的用电器,通过一理想变压器接在正弦交变电源上。闭合开关S后,用电器正常工作,交流电压表和交流电流表(均为理想电表)的示数分别为220 V和2.2 A。以下判断正确的是( )A.变压器输入功率为484 WB.通过原线圈的电流的有效值为0.6 AC.通过副线圈的电流的最大值为2.2 AD.变压器原、副线圈匝数比n1∶n2=11∶3
【解析】选B、D。变压器副线圈电流表的读数2.2 A 为有效值,故选项C错误;原线圈电压表的读数220 V也为有效值,由变压器的电压关系 ,可得 D正确;由变压器的电流关系 可得通过原线圈的电流为 ×2.2 A=0.6 A,故B正确;变压器的输入功率为P=U1I1=220×0.6 W=132 W,选项A错误。
7.(2020·金丽衢模拟)某同学模拟“远距离输电”电路,将实验室提供的器材连接成了如图所示电路。A、B为理想变压器,灯L1、L2相同且阻值不变,输电线路等效电阻为R。现保持A的输入电压不变, 当开关S断开时,灯L1正常发光,则( )A.仅闭合S,L1变亮B.仅闭合S,输电线路的发热功率变小C.仅将滑片P上移,L1变亮D.仅将滑片P上移,输电线路的发热功率变小
【解析】选D。闭合S,则消耗功率增大,B副线圈中电流增大,B原线圈电流也增大,则R上损失的电压和功率增大,则B输入电压UB1=UA2-IR减小,灯泡两端电压UB2减小,故灯泡L1会变暗,故A错误;由以上分析知,闭合S,输电线路的发热功率变大,故B错误;仅将滑片P上移,A副线圈匝数减小,则输出电压减小,B的输入电压减小,B输出电压减小,灯泡电压也减小,故L1变暗,消耗功率减小,则电流减小,那么输电线的电流也减小,则输电线电阻R消耗的功率减小,故C错误,D正确。
8.(多选)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6.0×103 AB.输电线上由电阻造成的电压损失为15 kVC.若改用5 kV电压输电,则输电线上损失的功率为9×108 kWD.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
【解析】选A、B。输电线上输送的电流为: A=6 000 A,选项A正确;输电线上由电阻造成的电压损失为U损=Ir=6 000×2.5 V=1.5×104 V,选项B正确;输电线上损失的功率不可能大于输送的总功率3×106 kW,选项C错误;输电线上损失的功率为ΔP= 中,U应当为输电线上损失的电压,选项D错误。
【提升练】9.(多选)如图所示是街头变压器通过降压给用户供电的示意图。变压器的输入电压是市区电网的电压,负载变化时输入电压不会有大的波动,可以认为电压表V1示数不变。输出电压通过输电线输送给用户,两条输电线的总电阻用R0表示,变阻器R表示用户用电器的总电阻。如果变压器上的能量损失忽略不计,当用户的用电器增加时,图中各表的示数变化的情况是( )A.电流表A1示数变大 B.电流表A2示数变小C.电压表V2示数变大D.电压表V3示数变小
【解析】选A、D。由于变压器的输入功率和输出功率相等,副线圈的电阻减小了,输出功率变大了,所以原线圈的输入功率也要变大,因为输入电压不变,所以输入电流要变大,所以电流表A1的示数变大,A正确;当用电器增加时,相当于R的值减小,副线圈的总电阻减小,所以电流要变大,即电流表A2的示数变大,B错误;理想变压器的输出电压是由输入电压和匝数比决定的,由于输入电压和匝数比不变,所以副线圈的输出电压不变,所以电压表V2的示数不变,C错误;由于副线圈的电流变大,电阻R0两端的电压变大,又因为电压表V2的示数不变,所以电压表V3的示数变小,D正确。
10.(多选)(2020·宁波模拟)如图所示,理想变压器原、副线圈匝数比为n1∶n2,副线圈的输出端接有一交流电动机,正在将质量为m的重物以速度v匀速提升,若不计摩擦和空气阻力,变压器的输入功率为P,理想电流表示数为I,则下列说法正确的是( )A.原线圈的电流为 IB.原线圈的输入电压为 C.电动机消耗的功率为 PD.电动机的内阻为
【解析】选A、D。单相变压器匝数和电流的关系: 解得原线圈的电流:I0= I,故A正确;原线圈的电压为:U0= ,解得:U0=P· ,故B错误;理想变压器输入功率等于输出功率,所以电动机消耗的功率为P,故C错误;电动机的总功率:P=mgv+I2r解得:r= 故D正确。
11.在“探究变压器两个线圈的电压关系”的实验中,操作步骤如下:①将两个线圈套到可拆变压器的铁芯上;②闭合电源开关,用多用电表的交流电压挡分别测量原线圈和副线圈两端的电压;③将匝数较多的一组线圈接到学生电源的交流电源输出端上,另一个作为副线圈,接上小灯泡;④将原线圈与副线圈对调,重复以上步骤。
(1)以上操作的合理顺序是______(只填步骤前数字序号)。 (2)如图所示,在实验中,两线圈的匝数n1=1 600,n2=400,当将匝数为n1的线圈作为原线圈时,U1=16 V,副线圈两端的电压U2=4 V;原线圈与副线圈对调后,当U′1=8 V时,U′2=32 V,那么可初步确定,变压器两个线圈的电压U1、U2与线圈匝数n1、n2的关系是_______。
【解析】(1)合理顺序为①③②④(2)根据数据分析 。答案:(1)①③②④ (2)
12.(2020·嘉兴模拟)学校有一台应急备用发电机,内阻为r=1 Ω,升压变压器的匝数比为1∶4,降压变压器的匝数比为4∶1,输电线的总电阻为R=4 Ω,全校共有22间教室,每间教室用“220 V 40 W”的灯6盏,要求所有灯都正常发光,求:(1)发电机的输出功率多大?(2)发电机的电动势多大?(3)输电线上损耗的电功率多大?
【解析】(1)所有灯都正常发光时的总功率P2=22×6×40 W=5 280 W,用电器总电流I3= =24 A,输电线上的电流I2= =6 A,降压变压器上的输入电压U3=4U4=880 V,输电线上的电压损失U损=I2R=24 V,
【知识梳理自查】一、探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系1.实验器材:学生电源(低压交流,小于12 V)1个、可拆变压器1个、多用表(交流电压挡)1个、导线若干。
2.实验原理:(1)实验电路图。(2)实验方法采用控制变量法。①n1一定,研究n2和U2的关系。②n2一定,研究n1和U2的关系。
3.注意事项:(1)要事先推测副线圈两端电压的可能值。(2)为了人身安全,只能使用低压交流电压,所用电压不要超过12 V,即使这样,通电时也不要用手接触裸露的导线、接线柱。(3)为了多用电表的安全,使用交流电压挡测电压时,先用最大量程挡测试,大致确定电压后再选择适当的挡位进行测量。(4)连接电路后要由同组的几位同学分别独立检查,然后请老师确认,才能接通电源。
二、理想变压器1.构造 如图所示,变压器是由闭合铁芯和绕在铁芯上的_______、_______组成的。(1)原线圈:与交流电源连接的线圈,也叫_____线圈。(2)副线圈:与负载连接的线圈,也叫_____线圈。
2.工作原理:电磁感应的_________。3.理想变压器原、副线圈基本量的关系
4.几种常用的变压器(1)自耦变压器——调压变压器,如图甲(降压作用)、乙(升压作用)所示。
(2)互感器①电压互感器(n1>n2):把高电压变成_______,如图丙所示。②电流互感器(n1
三、远距离输电1.输电过程(如图所示) 2.输送电流:
3.电压损失:(1)ΔU=U-U′。(2)ΔU=___。4.功率损失:(1)ΔP=P-P′。(2)ΔP=___=
【情境转换】从发电站输出的功率为220 kW,输电线的总电阻为0.1 Ω,用220 V和22 kV两种电压输电。两种情况下输电线上由电阻造成的电能的损耗之比是多少?提示:由题意知输电线上的电流I= ,则输电线的P损=I2r=( )2r,设220 V和22 kV两种电压输电下损失的功率分别为P1、P2。则
【小题速诊速纠】1.判一判(1)变压器不但可以改变交流电压,也可以改变稳恒直流电压。( )(2)变压器原线圈中的电流由副线圈中的电流决定。( )(3)理想变压器的基本关系式中,电压和电流均为有效值。( )(4)高压输电的目的是增大输电的电流。( )(5)在输送电压一定时,输送的电功率越大,输送过程中损失的功率越小。( )
(6)变压器副线圈接入的用电器越多,输电线上损失的功率越大。( )(7)在原副线圈匝数不变时,变压器副线圈中的电压由原线圈中的电压决定。( )提示:(1)× (2)√ (3)√ (4)× (5)× (6)√ (7)√
2.练一练(1)(多选)如图是街头变压器通过降压给用户供电的示意图,变压器的输入电压是市区电网的电压,当滑动变阻器R的滑片向上移动时,下列说法正确的是( )A. 读数不变, 读数不变B. 读数减少, 读数不变C. 增加,变压器的输出功率增加D. 不变,R0上输出的功率减少
【解析】选A、D。输入电压不变,所以 读数不变,由 知, 读数不变,故A正确;滑片上移,R变大,故 读数变小,I1由I2决定,n1I1=n2I2,所以 读数变小,R0分压变小,故 读数变大,R0上输出功率减少,变压器输出功率减小,所以D正确。
(2)如图是远距离输电的示意图,下列说法正确的是( ) A.a是升压变压器,b是降压变压器B.a是降压变压器,b是升压变压器C.a的输出电压等于b的输入电压D.a的输出电压等于输电线上损失的电压
【解析】选A。因能量损失与输送电压的平方成反比,故为了减小电路能量损耗,要用高压送电,到用户要进行降压,故a为升压变压器,b是降压变压器,故A正确,B错误;因输电线有电阻,会有电压损失,故a的输出电压减去输电线上损失的电压等于b的输入电压,故C、D错误。
考点1 理想变压器原理及应用(c)【要点融会贯通】1.变压器基本关系中的U1、U2、I1、I2均为有效值。2.两类理想变压器的动态分析问题:(1)匝数比不变的情况(如图甲所示):①U1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都不变。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。③I2变化引起P2变化,由P1=P2知P1发生变化。
(2)负载电阻不变的情况(如图乙所示):①U1不变, 发生变化,U2变化。②R不变,U2变化,I2发生变化。③根据P2= 和P1=P2,可以判断P2变化时,P1发生变化,U1不变时,I1发生变化。
【典例考题研析】 【典例1】如图所示为汽车的点火装置,此装置的核心是一个变压器,该变压器的原线圈通过开关连接到12 V的蓄电池上,副线圈连接到火花塞的两端,开关由机械控制,当开关由闭合变为断开时,副线圈中产生10 000 V以上的电压,火花塞中产生火花。下列说法中正确的是( )
A.变压器的原线圈要用粗导线绕制,而副线圈可以用细导线绕制B.若该点火装置的开关始终闭合,火花塞的两端会持续产生高压C.变压器原线圈输入的12 V电压必须是交流电,否则就不能在副线圈中产生高压D.该点火装置中变压器的副线圈匝数必须小于原线圈的匝数
【解题思路】解答本题应注意以下几点:
【解析】选A。汽车的点火装置是利用变压器原理工作的,当开关始终闭合时,通过原线圈的电流恒定,原线圈中产生的磁场恒定,则在副线圈上不会产生电压,所以B错误;由题可知原线圈处接12 V的直流电源,当断开开关瞬间原线圈中电流迅速变化,会产生变化的磁场,则在副线圈中可能产生高压,所以C错误;由 可知,要在副线圈中产生高压,则原线圈匝数必须小于副线圈的匝数,所以D错误。故选A。
【精练题组通关】 1.(2020·浙江1月选考真题)如图所示,甲、乙两图中的理想变压器以不同的方式接在高压电路中。甲图中变压器原、副线圈的匝数比为k1,电压表读数为U,乙图中变压器原、副线圈的匝数比为k2,电流表读数为I。则甲图中高压线电压和乙图中高压线电流分别为( )A.k1U,k2IB.k1U, C. ,k2ID.
【解析】选B。已知U2=U,I2=I,根据原、副线圈的电压、电流与线圈匝数关系 =k1、 ,可知U1=k1U,I1= ,选项B正确。
2.为完成“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”的实验,必须要选用的是____________ (多选)。 A.有闭合铁芯的原副线圈B.无铁芯的原副线圈C.交流电源D.直流电源E.多用电表(交流电压挡)F.多用电表(交流电流挡) 用匝数na=60匝和nb=120匝的变压器,实验测量数据如表,
根据测量数据可判断连接电源的线圈是__________(填“na”或“nb”)。
【解析】变压器原副线圈需要有闭合铁芯,才能尽可能地减少漏磁,使穿过两线圈的磁通量相同,也才能更好地观察到原副线圈电压与匝数的关系,故A项正确,B项错误。直流电源通过线圈不可能引发自感现象,从而也就无法产生感应电动势,实现变压器更是无从谈起,故C项正确,D项错误。为了探究变压器线圈两端电压与匝数的关系,必须要测量原副线圈电压,因此必须要用到多用电表(交流电压挡),而不是多用电表(交流电流挡),故E项正确,F项错误。已知 ,那么理论上Ua与Ub之比也应为 。但是由于实验中很难达到
理想条件,不可避免地存在漏磁等现象,导致副线圈电压比理论值略小。那么据此对照实验数据即可发现,Ua均略小于 ,故na为副线圈,nb为原线圈,那么连接电源的原线圈自然应该是nb。答案:ACE nb
3.在“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验中,电源输出端与变压器线圈连接方式正确的是________(选填“图1”或“图2”)。变压器原、副线圈的匝数分别为120匝和60匝,测得的电压分别为8.2 V和3.6 V,据此可知电压比与匝数比不相等,主要原因是_________________。
【解析】变压器是靠电磁感应原理工作的,必须接交流电,故正确的是图2;理想变压器电压与匝数成正比,实际变压器不成正比的原因是由于漏磁、铁芯发热、导线发热等电能损失造成的。答案:图2 漏磁、铁芯发热、导线发热
考点2 电能的输送(c)【要点融会贯通】1.降低输电损耗的两个途径:(1)减小输电线的电阻,由电阻定律R=ρ 可知,在输电距离一定的情况下,为了减小电阻,应采用电阻率小的材料,也可以增加导线的横截面积。(2)减小输电导线中的输电电流,由P=UI可知,当输送功率一定时,提高输电电压,可以减小输电电流。
2.远距离输电问题的“三二一”:(1)理清三个回路。
(2)抓住两个联系。①理想的升压变压器联系了回路1和回路2,由变压器原理可得:线圈1(匝数为n1)和线圈2(匝数为n2)中各个量间的关系是 ②理想的降压变压器联系了回路2和回路3,由变压器原理可得:线圈3(匝数为n3)和线圈4(匝数为n4)中各个量间的关系是 (3)掌握一个守恒:能量守恒关系式P1=P损+P3
【典例考题研析】 【典例2】(多选)某小型发电站的电能输送示意图如图所示,发电机通过升压变压器T1和降压变压器T2向用户供电。已知输电线的总电阻为R=10 Ω,降压变压器T2原、副线圈匝数之比为4∶1,降压变压器副线圈两端交变电压u=220 sin 100πt(V),降压变压器的副线圈与滑动变阻器组成闭合电路。若将变压器视为理想变压器,当负载R0=11 Ω时( )
A.通过R的电流有效值是20 AB.升压变压器的输入功率为4 650 WC.当负载R0增大时,发电机的输出功率减小D.发电机中电流变化的频率为100 Hz
【解析】选B、C。通过R0的电流有效值I4= =20 A,根据 得,输电线上的电流I3=20× A=5 A,故A错误;输电线上损耗的功率P损= R=250 W,降压变压器的输入功率P3=U4I4=220×20 W=4 400 W,则升压变压器的输入功率为P1=P2=P3+P损=(4 400+250)W=4 650 W,故B正确;当R0增大时,降压变压器的输出电流减小,则输电线上的电流减小,升压变压器原线圈中的电流变小,根据P=UI知,发电机的输出功率减小,故C正确;交流电的频率f= =50 Hz,故D错误。
【精练题组通关】 1.(多选)如图所示,甲是远距离输电线路的示意图,乙是发电机输出电压随时间变化的图象,则( ) A.用户用电器上交流电的频率是50 HzB.发电机输出交流电的电压有效值是500 VC.输电线的电流只由降压变压器原副线圈的匝数比决定D.当用户用电器的总电阻增大时,输电线上损失的功率减小
【解析】选A、D。由图乙可知交流电的周期为0.02 s,频率为50 Hz,则A正确;发电机输出电压的有效值是 V,则B错误;输电线上的电流由用户消耗的功率及降压变压器原副线圈的匝数比共同决定,则C错误;当用户用电器的总电阻增大时,设降压变压器副线圈两端的电压为U4,则U4没变,由P= 知,用户消耗功率变小,降压变压器输入功率变小,设降压变压器原线圈电压为U3,又P入=I线U3,U3没变,I线变小,P线= R线,R线未变,则输电线上损失的功率减少,故D正确。
2.(2020·浙江7月选考真题)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 AB.输电线上的电流I线=625 AC.降压变压器的匝数比n3∶n4=190∶11D.用户得到的电流I4=455 A
【解析】选C。发电机的输出电流I1= =400 A,选项A错误。输电线上的电流I线 = =25 A,选项B错误。升压变压器的副线圈输出电压U2 = =4×103 V,输电线损耗电压ΔU=I线R=25×8 V=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 ,选项C正确。降压变压器的功率P4=P3=P-P线=95 kW,故用户得到的电流I4= =431.8 A,选项D错误。
3.(多选)一台发电机最大输出功率为4 000 kW,电压为4 000 V,经变压器T1升压后向远方输电。输电线路总电阻为R=1 kΩ。到目的地经变压器T2降压,负载为多个正常发光的灯泡(220 V 60 W)。若在输电线路上消耗的功率为发电机输出功率的10%,变压器T1和T2的耗损可忽略,发电机处于满负荷工作状态,则( )A.T1原、副线圈电流分别为103 A和20 AB.T2原、副线圈电压分别为1.8×105 V和220 VC.T1和T2的变压比分别为1∶50和40∶1D.有6×104盏灯泡(220 V 60 W)正常发光
【解析】选A、B、D。远距离输电的模型如图所示。T1原线圈的电流为I1= =1×103 A,输电线路上损失的功率为P损= R=10%P1,所以I2= =20 A,选项A正确;T1的原、副线圈匝数比为 T1上副线圈的电压为U2=50U1=2×105 V,T2原线圈的电压为U3=U2-I2R=2×105 V-20×103 V=1.8×105 V,选项B正确;T2上原、副线圈的变压比为 选项C错误;能正常发光的灯泡的盏数为:N= =6×104,选项D正确。
二十九 变压器 电能的输送(建议用时40分钟)【基础练】1.如图所示,理想变压器原、副线圈分别接有额定电压相同的灯泡a和b。当输入电压U为灯泡额定电压的10倍时,两灯泡均能正常发光,下列说法正确的是( )A.原、副线圈匝数之比为9∶1B.原、副线圈匝数之比为1∶9C.此时a和b的电功率之比为9∶1D.此时a和b的电功率之比为1∶10
【解析】选A。灯泡正常发光,则其电压均为额定电压U0,说明原线圈输入电压为9U0,输出电压为U0,原、副线圈匝数之比为9∶1,故A正确,B错误;根据公式 ,可得 由于小灯泡两端的电压相等,所以根据公式P=UI可得两者的电功率之比为1∶9,故C、D错误。
2.如图甲所示,一理想变压器原、副线圈匝数之比为22∶1,其原线圈两端接入如图乙所示的正弦交流电,副线圈通过电流表与负载电阻R=20 Ω相连。若交流电压表和交流电流表都是理想电表,则下列说法中正确的是( )A.电流表的示数是0.5 AB.变压器的输入功率是5 WC.流过R的电流方向每秒改变50次D.当t=1×10-2 s时电压表的示数是0 V
【解析】选B。由题图乙可知交流电压最大值Um=220 V,有效值为220 V,根据变压比 可知,输出电压有效值为10 V,电压表的示数为有效值,则任意时刻的示数均为10V,故D错误;根据欧姆定律可知,I= =0.5 A,电流表的示数是0.5 A,故A错误;变压器的输出功率P=UI=5 W,根据输出功率等于输入功率可知,变压器的输入功率是5 W,故B正确;周期T=0.02 s,则流过R的电流方向每秒改变100次,故C错误。
3.(多选)如图所示的电路中,P为滑动变阻器的滑片,保持理想变压器的输入电压U1不变,闭合电键S,下列说法正确的是( )A.P向下滑动时,灯L变亮B.P向下滑动时,变压器的输出电压不变C.P向上滑动时,变压器的输入电流变小D.P向上滑动时,变压器的输出功率变大
【解题指导】解答本题时应从以下三点进行分析:(1)理想变压器电压、电流和电功率分别由什么因素决定。(2)若为理想电源,并联电路的各个支路间没有影响。(3)在电压一定的情况下,电阻越小,电功率越大。【解析】选B、D。理想变压器的输出电压由输入电压决定,与用电器无关,故无论P怎样滑动,变压器的输出电压不变,灯L的亮度不变,A项错误、B项正确;理想变压器的输入电流和功率由用电器决定,P向上滑动时,用电器的功率变大,变压器的输出功率和输入电流都变大,C项错误、D项正确。
4.在如图所示的电路中,理想变压器原、副线圈的匝数比n1∶n2=22∶1,原线圈接u1=220 ·sin100πt (V)的交变电流,电阻R=10 Ω,电流表、电压表均为理想电表,则( )A.电压表的读数为10 VB.电流表的读数为22 AC.电阻R消耗的功率为10 WD.变压器的输出功率为10 W
【解析】选D。输入电压的有效值为U1= =220 V,根据 得U2= U1=10 V,故选项A错误;电流表的示数为I2= =1 A,故选项B错误;电阻消耗的功率为P2=U2I2=10 W,故选项C错误;理想变压器的输入电功率等于副线圈回路负载消耗的功率,故选项D正确。
5.(2020·绍兴模拟)如图所示,理想变压器原、副线圈匝数分别为n1、n2,副线圈电路中L1、L2、L3为3个小灯泡,A为理想交流电流表,L为电感线圈,C为电容器,闭合电键K后( )A.电流表指针会不断摆动B.仅增加副线圈的匝数n2,L1变暗C.仅提高交流电源的频率,L2变暗D.仅提高交流电源的频率,L3变暗
【解析】选C。交流电流表显示的是有效值,通过交变电流时,不会摆动,故A错误;增加副线圈的匝数,根据理想变压器的工作原理可知,输出电压增大,灯泡L1两端的电压增大,变亮,故B错误;仅提高交流电源的频率,则电感对电流的阻碍作用增大,灯泡L2变暗,故C正确;仅提高交流电源的频率,则电容对电流的阻碍作用减小,灯泡L3变亮,故D错误。
6.(多选)如图,将额定电压为60 V的用电器,通过一理想变压器接在正弦交变电源上。闭合开关S后,用电器正常工作,交流电压表和交流电流表(均为理想电表)的示数分别为220 V和2.2 A。以下判断正确的是( )A.变压器输入功率为484 WB.通过原线圈的电流的有效值为0.6 AC.通过副线圈的电流的最大值为2.2 AD.变压器原、副线圈匝数比n1∶n2=11∶3
【解析】选B、D。变压器副线圈电流表的读数2.2 A 为有效值,故选项C错误;原线圈电压表的读数220 V也为有效值,由变压器的电压关系 ,可得 D正确;由变压器的电流关系 可得通过原线圈的电流为 ×2.2 A=0.6 A,故B正确;变压器的输入功率为P=U1I1=220×0.6 W=132 W,选项A错误。
7.(2020·金丽衢模拟)某同学模拟“远距离输电”电路,将实验室提供的器材连接成了如图所示电路。A、B为理想变压器,灯L1、L2相同且阻值不变,输电线路等效电阻为R。现保持A的输入电压不变, 当开关S断开时,灯L1正常发光,则( )A.仅闭合S,L1变亮B.仅闭合S,输电线路的发热功率变小C.仅将滑片P上移,L1变亮D.仅将滑片P上移,输电线路的发热功率变小
【解析】选D。闭合S,则消耗功率增大,B副线圈中电流增大,B原线圈电流也增大,则R上损失的电压和功率增大,则B输入电压UB1=UA2-IR减小,灯泡两端电压UB2减小,故灯泡L1会变暗,故A错误;由以上分析知,闭合S,输电线路的发热功率变大,故B错误;仅将滑片P上移,A副线圈匝数减小,则输出电压减小,B的输入电压减小,B输出电压减小,灯泡电压也减小,故L1变暗,消耗功率减小,则电流减小,那么输电线的电流也减小,则输电线电阻R消耗的功率减小,故C错误,D正确。
8.(多选)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6.0×103 AB.输电线上由电阻造成的电压损失为15 kVC.若改用5 kV电压输电,则输电线上损失的功率为9×108 kWD.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
【解析】选A、B。输电线上输送的电流为: A=6 000 A,选项A正确;输电线上由电阻造成的电压损失为U损=Ir=6 000×2.5 V=1.5×104 V,选项B正确;输电线上损失的功率不可能大于输送的总功率3×106 kW,选项C错误;输电线上损失的功率为ΔP= 中,U应当为输电线上损失的电压,选项D错误。
【提升练】9.(多选)如图所示是街头变压器通过降压给用户供电的示意图。变压器的输入电压是市区电网的电压,负载变化时输入电压不会有大的波动,可以认为电压表V1示数不变。输出电压通过输电线输送给用户,两条输电线的总电阻用R0表示,变阻器R表示用户用电器的总电阻。如果变压器上的能量损失忽略不计,当用户的用电器增加时,图中各表的示数变化的情况是( )A.电流表A1示数变大 B.电流表A2示数变小C.电压表V2示数变大D.电压表V3示数变小
【解析】选A、D。由于变压器的输入功率和输出功率相等,副线圈的电阻减小了,输出功率变大了,所以原线圈的输入功率也要变大,因为输入电压不变,所以输入电流要变大,所以电流表A1的示数变大,A正确;当用电器增加时,相当于R的值减小,副线圈的总电阻减小,所以电流要变大,即电流表A2的示数变大,B错误;理想变压器的输出电压是由输入电压和匝数比决定的,由于输入电压和匝数比不变,所以副线圈的输出电压不变,所以电压表V2的示数不变,C错误;由于副线圈的电流变大,电阻R0两端的电压变大,又因为电压表V2的示数不变,所以电压表V3的示数变小,D正确。
10.(多选)(2020·宁波模拟)如图所示,理想变压器原、副线圈匝数比为n1∶n2,副线圈的输出端接有一交流电动机,正在将质量为m的重物以速度v匀速提升,若不计摩擦和空气阻力,变压器的输入功率为P,理想电流表示数为I,则下列说法正确的是( )A.原线圈的电流为 IB.原线圈的输入电压为 C.电动机消耗的功率为 PD.电动机的内阻为
【解析】选A、D。单相变压器匝数和电流的关系: 解得原线圈的电流:I0= I,故A正确;原线圈的电压为:U0= ,解得:U0=P· ,故B错误;理想变压器输入功率等于输出功率,所以电动机消耗的功率为P,故C错误;电动机的总功率:P=mgv+I2r解得:r= 故D正确。
11.在“探究变压器两个线圈的电压关系”的实验中,操作步骤如下:①将两个线圈套到可拆变压器的铁芯上;②闭合电源开关,用多用电表的交流电压挡分别测量原线圈和副线圈两端的电压;③将匝数较多的一组线圈接到学生电源的交流电源输出端上,另一个作为副线圈,接上小灯泡;④将原线圈与副线圈对调,重复以上步骤。
(1)以上操作的合理顺序是______(只填步骤前数字序号)。 (2)如图所示,在实验中,两线圈的匝数n1=1 600,n2=400,当将匝数为n1的线圈作为原线圈时,U1=16 V,副线圈两端的电压U2=4 V;原线圈与副线圈对调后,当U′1=8 V时,U′2=32 V,那么可初步确定,变压器两个线圈的电压U1、U2与线圈匝数n1、n2的关系是_______。
【解析】(1)合理顺序为①③②④(2)根据数据分析 。答案:(1)①③②④ (2)
12.(2020·嘉兴模拟)学校有一台应急备用发电机,内阻为r=1 Ω,升压变压器的匝数比为1∶4,降压变压器的匝数比为4∶1,输电线的总电阻为R=4 Ω,全校共有22间教室,每间教室用“220 V 40 W”的灯6盏,要求所有灯都正常发光,求:(1)发电机的输出功率多大?(2)发电机的电动势多大?(3)输电线上损耗的电功率多大?
【解析】(1)所有灯都正常发光时的总功率P2=22×6×40 W=5 280 W,用电器总电流I3= =24 A,输电线上的电流I2= =6 A,降压变压器上的输入电压U3=4U4=880 V,输电线上的电压损失U损=I2R=24 V,
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