【备考2022】高考物理一轮复习学案第2讲 变压器 电能的输送 教案.doc
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1、金版教程高考总复习·物理(新教材)第2讲变压器电能的输送知识点理想变压器1构造:如图所示。变压器由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成。(1)原线圈:与交流电源连接的线圈,也叫初级线圈。(2)副线圈:与负载连接的线圈,也叫次级线圈。2工作原理:电磁感应的互感现象。3理想变压器的基本关系式(1)功率关系:P入P出。(2)电压关系:。若n1>n2,为降压变压器;若n1<n2,为升压变压器。(3)电流关系:只有一个副线圈时,;有多个副线圈时,U1I1U2I2U3I3UnIn。知识点远距离输电1降低输电损耗的两个途径减少输电损耗的理论依据:P损I2r。(1)减小输电线的电阻:根据电
2、阻定律r,要减小输电线的电阻r,在输电距离一定的情况下,可采用减小材料的电阻率、增大导线的横截面积的方法。(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。2远距离高压输电的分析(1)输电过程(如图所示)(2)输送电流I。I。(3)电压损失UUU。UIr。(4)功率损失PPP。PI2r2r。知识点实验:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系1.实验器材可拆变压器、低压交流电源、两只多用电表、导线若干、开关。2实验思路保持原线圈输入的电压一定,先保持原线圈的匝数不变,改变副线圈的匝数,研究其对副线圈电压的影响。然后再保持副线圈的匝数不变,研究原线圈的匝数
3、对副线圈电压的影响。3画出实验电路图画出实验电路图如图所示。电路图上要标出两个线圈的匝数、原线圈欲加电压的数值。要事先推测副线圈两端电压的可能数值。4画出数据记录表格记录数据的表格如表1、表2所示。表1:保持原线圈匝数n1不变n1U1/Vn2U2/V表2:保持副线圈匝数n2不变n1U1/Vn2U2/V一 堵点疏通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理想变压器的基本关系式中,电压和电流均为有效值。()3高压输电的目的是增大输电的电流。()4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。()5变压器原线圈中的电流由副线圈中的电流决定。()6变压器副线圈两端的
4、电压由原线圈两端的电压决定。()答案1.×2.3.×4.×5.6.二 对点激活1(人教版选择性必修第二册·P60·T2改编)有些机床为了安全,照明电灯用的电压是36 V,这个电压是把380 V的电压降压后得到的。如果变压器的原线圈是1140匝,副线圈是()A1081匝 B.1800匝 C.108匝 D.8010匝答案C解析由得n2108,故C正确。2(人教版选择性必修第二册·P60·T5改编)(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的滑片向下移动时,下列说法正确的是
5、()A.读数不变,读数不变B.读数变大,读数不变C.读数变大,读数变小D.读数不变,读数不变答案AC解析输入电压是市区电网的电压,不变,所以读数不变,由知,读数不变,故A正确;滑动变阻器R的滑片下移,滑动变阻器接入电路的电阻变小,用户电路总电阻变小,故读数变大,I1由I2决定,n1I1n2I2,所以读数变大,I2变大,则R0分压变大,故读数变小,所以C正确,B、D错误。3(人教版选择性必修第二册·P65·T3改编)从发电站输出的功率为220 kW,输电线的总电阻为0.05 ,用220 V和11 kV两种电压输电。两种情况下输电线上由电阻造成的电压损失之比为()A501 B.
6、150 C.15 D.51答案A解析输电线上的电流I,则输电线上由电阻造成的电压损失UIr,故,故选A。4(人教版选择性必修第二册·P65·T5改编)(多选)如图所示为远距离输电示意图,其中水电站发电机的输出功率为100 kW,发电机的电压为250 V。通过升压变压器升高电压后向远处输电,输电线总电阻为8 ,在用户端用降压变压器把电压降为220 V。要求在输电线上损失的功率控制为5 kW(即用户得到的功率为95 kW)。下列说法正确的是()A输电线上通过的电流为25 AB降压变压器的输入电压为4000 VC升压变压器的匝数比为D降压变压器的匝数比为答案AC解析输电线上通过的
7、电流I2 A25 A,A正确;输电线上损失的电压U损I2R25×8 V200 V,升压变压器的输出电压U2 V4000 V,则降压变压器的输入电压U3U2U损4000 V200 V3800 V,B错误;升压变压器的匝数比,C正确;降压变压器的匝数比,D错误。考点1理想变压器的工作原理和基本关系1.变压器的工作原理2基本关系(1)无漏磁,故原、副线圈中的相同。(2)线圈无电阻,因此无电压降,副线圈两端电压U2n2。(3)根据得,套在同一铁芯上的线圈,有。(4)无电能损失,因此P入P出,无论副线圈是一个还是多个,总有U1I1U2I2U3I3,将电压关系代入可得n1I1n2I2n3I3。(
8、5)变压器只能改变交变电流的电压和电流,不能改变交变电流的频率。(6)理想变压器基本关系中的U、I均为有效值。3基本关系式中物理量之间的决定关系制约关系电压原线圈电压U1和匝数比决定副线圈电压U2(当U1和匝数比不变时,不论负载电阻R变化与否,U2不会改变)功率副线圈的输出功率P出决定原线圈的输入功率P入(可简记为“用决定供”)电流副线圈电流I2和匝数比决定原线圈电流I1例1(2020·吉林省白山市二模)在图示电路中,理想变压器原线圈的匝数为220,副线圈的匝数可调,L1、L2、L3和L4是四个相同的灯泡。当在a、b两端加上瞬时值表达式为u220sin100t(V)的交变电压时,调节
9、副线圈的匝数,使四个灯泡均正常发光。下列说法正确的是()A变压器副线圈的匝数为440B灯泡的额定电压为55 VC变压器原线圈两端电压为220 VD穿过变压器原线圈的磁通量变化率的最大值为0.1 V(1)四个灯泡均正常发光,求副线圈匝数适合用电压比还是电流比?提示:电流比。(2)原线圈含有用电器时a、b两端电压还是变压器的输入电压吗?提示:不是。尝试解答选B。四个灯泡均正常发光,且灯泡均串联在电路中,说明通过变压器原、副线圈中的电流相同,根据,可得变压器副线圈的匝数n2n1220,故A错误;根据题意,a、b两端电压的有效值为U V220 V,设每个灯泡的额定电压为U0,原线圈两端电压为U1,则有
10、U2U0U1,又,联立可得U055 V,U1110 V,故B正确,C错误;原线圈两端电压的最大值为UmU1110 V,根据法拉第电磁感应定律有Umn1,解得穿过原线圈的磁通量变化率的最大值为 V,故D错误。1.变压器原线圈所在电路中含有负载问题的分析(1)将原线圈看成用电器,在原线圈电路中可应用串并联电路规律、闭合电路欧姆定律等。(2)要求解原线圈电路中负载的电流、电压和功率,一般需先求副线圈中的电流,然后根据理想变压器原、副线圈的电流关系求得原线圈电路中的电流,进而求解通过负载的电流。原、副线圈的电流关系往往是解决问题的突破口。2含有多个副线圈的变压器的电路分析副线圈有两个或两个以上时,一般
11、从原、副线圈的功率相等入手。利用P1P2P3,结合原副线圈电压关系、欧姆定律等分析。3变压器与二极管相结合的分析当副线圈回路中含有二极管时,由于二极管具有单向导电性,二极管只有一半时间导通,经过二极管后的输出电压的有效值与副线圈两端交流电压的有效值不相等,应根据电流的热效应进行计算。变式11(2020·山东省滨州市三模)(多选)如图,理想变压器原线圈匝数为N,有两个接有阻值均为R的电阻的独立副线圈甲、乙。现测得线圈甲上的电流为I1,线圈乙上的电流为I2,原线圈电压为U。则()A甲线圈匝数为N B.乙线圈匝数为NC原线圈电流为I1I2 D.原线圈电流为R答案AD解析甲线圈两端电压U1I
12、1R,根据理想变压器原理可得,甲线圈的匝数为n1N,同理可得乙线圈匝数为n2N,故A正确,B错误;设原线圈中电流为I,由输入功率等于输出功率可得IUIRIR,解得IR,故C错误,D正确。变式12(2020·福建省厦门市五月质量检查)如图所示,理想变压器原、副线圈的匝数比n1n2115,原线圈接u1220sin100t(V)的交流电,电阻R1R250 ,D为理想二极管,则()AR2两端的电压为100 VBR2两端的电压为100 VC原线圈的输入功率为300 WD原线圈的输入功率为400 W答案C解析根据可得,副线圈两端电压的有效值为U2100 V,R1消耗的功率P1200 W,由于二极
13、管具有单向导电性,因此R2消耗的功率是没有二极管时的一半,即R2消耗的功率是R1的一半,根据P2100 W,可求出R2两端电压的有效值为U250 V,A、B错误;两个电阻消耗的总功率P总P1P2200 W100 W300 W,又因为变压器输出功率与输入功率相等,因此原线圈的输入功率为300 W,C正确,D错误。考点2理想变压器的动态分析常见的理想变压器的动态分析问题一般有两种:匝数比不变的情况和负载电阻不变的情况。1匝数比不变的情况(如图所示)(1)U1不变,根据,输入电压U1决定输出电压U2,可以得出不论负载电阻R如何变化,U2不变。(2)当负载电阻发生变化时,I2变化,根据输出电流I2决定
14、输入电流I1,可以判断I1的变化。(3)I2变化引起P2变化,根据P1P2,可以判断P1的变化。2负载电阻不变的情况(如图所示)(1)U1不变,发生变化,U2变化。(2)R不变,U2变化,I2发生变化。(3)根据P2和P1P2,可以判断P2变化时,P1发生变化,U1不变时,I1发生变化。3分析动态问题的步骤例2(2020·山西省长治市3月线上模拟)如图所示,理想交流电流表A1、A2,定值电阻R1、R2,光敏电阻RG(光照强度增大,阻值减小),分别接在理想变压器的原、副线圈上,U0为正弦交流电源电压的有效值,且保持不变。若增大光照强度,则下列说法正确的是()A电流表A1示数增大、A2示
15、数减小BU1、U2都不变CR1、R2的电功率都增大DRG两端电压增大(1)光照变强,光敏电阻阻值变小,如何分析电流表A1、A2示数的变化?提示:用等效法,副线圈的等效电阻R等效2(R2RG)。(2)如何分析RG两端电压的变化?提示:先分析U1、U2如何变化,U2减去R2两端电压就是RG两端电压。尝试解答选C。根据理想变压器的输出功率等于输入功率,有IR原IR副,所以R原R副R副,那么原线圈两端的等效电阻R原2(R2RG),由题意,光强增大,光敏电阻RG阻值变小,则R原变小,则原线圈所在回路电流I1变大,即A1示数增大,R1分压变大,R1消耗的电功率增大;因原线圈所在回路电流变大,根据知副线圈回
16、路电流I2也变大,即A2示数增大,则R2分压变大,R2消耗的电功率增大;由于交流电源电压有效值不变,所以原线圈电压U1变小,由理想变压器电压关系可知副线圈电压U2也变小,再根据R2分压变大,可知RG两端电压减小。综上所述,C正确,A、B、D错误。原线圈含有用电器的动态分析技巧图甲中当R2变化时如何判断原线圈中I1的变化情况?我们可以把图甲等效画成图乙。由R,R2,联立得:R2R2这样若当R2变大时,知R变大,则U1变大,I1变小,方便极了!变式21(2020·江苏省宿迁市沭阳县5月联考)如图甲所示为恒压电源给硫化镉光敏电阻R供电时,流过此电阻的电流和所受光照强度的关系图像。根据这一特
17、性,某同学设计了一个台灯的自动控制电路如图乙所示,T为一自耦式变压器。下列说法正确的是()A在其他条件不变的情况下,如果光照变强,则灯泡的亮度减小B在其他条件不变的情况下,如果光照变强,则灯泡的亮度增加C在其他条件不变的情况下,将自耦式变压器的滑片P适当下滑,则灯泡的亮度增加D在其他条件不变的情况下,适当增大滑动变阻器R1的阻值,则灯泡的亮度增加答案A解析分析图甲可知,光照强度增强时,流过电阻R的电流增大,说明光敏电阻阻值减小。在其他条件不变的情况下,如果光照变强,则光敏电阻阻值减小,灯泡两端电压减小,则灯泡的亮度减小,A正确,B错误;在其他条件不变的情况下,将自耦式变压器的滑片P适当下滑,则
18、副线圈匝数减小,输出电压减小,灯泡的亮度减小,C错误;在其他条件不变的情况下,适当增大滑动变阻器R1的阻值,则通过灯泡的电流减小,灯泡亮度减小,D错误。变式22(2020·河北省唐山市一模)(多选)如图所示,理想变压器原线圈一端有a、b两接线柱,a接原线圈的一端点,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u1Usin100t。则()A当单刀双掷开关分别与a、b连接时,电压表的示数比为12B当t0时,c、d间的电压瞬时值为C单刀双掷开关与a连接,在滑动变阻器触头P向上移动的过程中,电压表示数增大D当单刀双掷开关由a扳
19、向b时,电流表的示数增大答案AD解析当单刀双掷开关与a连接时,原线圈的匝数为n1,则有U2U1,当与b连接时,原线圈的匝数为,则有U2U1,联立得U2U2n112,即电压表的示数比为12,故A正确;当t0时,c、d间的电压瞬时值为u1Usin(100×0)0 V,故B错误;因为副线圈的电压由原、副线圈匝数和输入电压决定,而与滑动变阻器接入电路的电阻大小无关,故在滑动变阻器触头P向上移动的过程中,电压表的示数不变,C错误;当单刀双掷开关由a扳向b时,原线圈的匝数变小,副线圈的电压变大,则电压表示数变大,因滑动变阻器接入电路中的电阻不变,则电流表的示数也变大,故D正确。考点3远距离输电1
20、.远距离输电问题的分析方法对高压输电问题,应按“发电机升压变压器远距离输电线降压变压器用电器”这样的顺序,或从“用电器”倒推到“发电机”一步一步进行分析。2远距离高压输电的几个基本关系(以下图为例)(1)功率关系:P1P2,P3P4,P2P损P3。(2)电压、电流关系:,U2UU3,I2I3I线。(3)输电电流:I线。(4)输电线上损耗的电功率P损I线UIR线2R线。当输送的电功率一定时,输电电压增大到原来的n倍,输电线上损耗的功率就减小到原来的。例3(2020·河南省六市第二次联合调研检测)如图所示,为远距离交流输电的简化电路图,升压变压器与发电厂相连,降压变压器与用户相连,两变压
21、器均为理想变压器。当升压变压器原、副线圈匝数比为n时,用户得到的电功率为P1。现保持发电厂的输出电功率P、升压变压器原线圈两端电压和输电线总电阻不变,当升压变压器的原、副线圈匝数比变为kn时,用户得到的电功率为()A(1k2)Pk2P1 B.(1n2)Pn2P1C.P D.P(1)设输电线电流为I,则P1与P有什么关系?提示:PI2RP1。(2)升压变压器的原、副线圈匝数比变为kn时,输电线的电流变为原来的多少?提示:k倍。尝试解答选A。当升压变压器原、副线圈的匝数比为n时,由理想变压器的规律得,由能量守恒定律得,输电线损失的功率P损IRn2I2RPP1;当升压变压器的原、副线圈匝数比变为kn
22、时,由理想变压器的规律得,此时输电线损失的功率为P损I12Rk2n2I2Rk2P损k2(PP1),用户得到的功率为P用PP损Pk2(PP1)(1k2)Pk2P1,故A正确,B、C、D错误。解决远距离输电问题应注意下列几点(1)画出输电电路图。(2)注意升压变压器副线圈中的电流与降压变压器原线圈中的电流相等。(3)输电线长度等于输电距离的2倍。(4)计算线损功率一般用P损IR线。变式31(2020·北京市海淀区查漏补缺)某高压变电所通过变压器向一工厂送电,输送电压为U,输送功率为P,输电线电阻为R,下列说法正确的是()A如果输送功率与输电线电阻不变,输送电压变为原来的2倍,则输电线上损
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