当前位置:首页>文档>2022年高考物理一轮复习(新高考版1(津鲁琼辽鄂)适用)第12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_04高考物理_新高考复习资料_2022年新高考复习资料

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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1所示): 图1 (2)实验方法采用控制变量法 ①n、U 一定,研究n 和U 的关系. 1 1 2 2 ②n、U 一定,研究n 和U 的关系. 2 1 1 2 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n 和电压U 不变,改变副线圈的匝数n,研究n 对副线圈电压U 的影 1 1 2 2 2 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n 和原线圈两端的电压U 不变,研究原线圈的匝数对副线圈电压的影 2 1 响.重复(1)中步骤. 4.数据处理 分析可知,理想变压器原、副线圈两端电压U、U 之比等于原、副线圈的匝数n、n 之比. 1 2 1 2 5.误差分析 (1)由于漏磁,通过原、副线圈的每一匝的磁通量不严格相等造成误差.(2)原、副线圈有电阻,原、副线圈中的焦耳热损耗(铜损),造成误差. (3)铁芯中有磁损耗,产生涡流,造成误差. 6.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. 1.在“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”的实验中,小型可拆变压器的原、副线 圈匝数分别为n =120匝、n =240匝,某实验小组在原线圈两端依次加上不同的电压,用 1 2 多用电表的交流电压挡分别测量原、副线圈两端的电压,数据如表所示. 实验序号 原线圈两端的电压U(V) 副线圈两端的电压U(V) 1 2 1 3.9 8.2 1∶2.1 2 5.9 11.8 1∶2.0 3 7.8 15.2 (1)实验小组根据测得的数据在表格中算出U 、U 的比值,还有一组U 、U 的比值没有算出, 1 2 1 2 把求出的结果填在表格中. (2)本实验可得出结论:变压器线圈两端电压与匝数的关系为______________(用题目中给出 的字母表示). (3)该变压器是______________变压器(选填“升压”或“降压”). 答案 (1)1∶1.9 (2)= (3)升压 解析 (1)第三组数据为:=≈ (2)线圈匝数之比==,结合表格中的数据知,在误差允许的范围内线圈两端电压与匝数的 关系为=. (3)从表格中的数据可知副线圈匝数多、电压高,所以该变压器是升压变压器. 2.(2017·浙江4月选考·21(1))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________. 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n=60匝和n=120匝的变压器,实验测量数据如下表 a b U/V 1.80 2.80 3.80 4.90 a U/V 4.00 6.01 8.02 9.98 b 根据测量数据可判断连接电源的线圈是____________.(选填“n”或“n”) a b 答案 ACE n b 解析 为了完成实验探究,需要使用交流电源、变压器、多用电表(交流电压挡).为了让变 压效果明显需要含有闭合铁芯的原、副线圈,因此选用A、C、E.由于有漏磁,所以副线圈 测量电压应该小于理论变压值,即n 为输入端,n 为输出端. b a 考点二 理想变压器的原理及应用 基础回扣 1.构造和原理 (1)构造:如图2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. 图2 (2)原理:电磁感应的互感现象. 2.基本关系式 (1)功率关系:P = P 入 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 = f 出 入. 技巧点拨 1.理想变压器的制约关系 电压 原线圈电压U 和匝数比决定副线圈电压U,U=U 1 2 2 1 功率 副线圈的输出功率P 决定原线圈的输入功率P ,P =P 出 入 入 出 电流 副线圈电流I 和匝数比决定原线圈电流I,I=I 2 1 1 22.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:P=P+P+P+……+P 1 2 3 4 n 电流关系:nI=nI+nI+nI+……+nI 1 1 2 2 3 3 4 4 n n 变压器基本物理量的分析与计算 例1 (2017·北京卷·16)如图3所示,理想变压器的原线圈接在u=220sin(100πt) V的交流电 源上,副线圈接有R=55 Ω的负载电阻,原、副线圈匝数之比为2∶1,电流表、电压表均 为理想电表.下列说法正确的是( ) 图3 A.原线圈的输入功率为220 W B.电流表的读数为1 A C.电压表的读数为110 V D.副线圈输出交流电的周期为50 s 答案 B 解析 由u=220sin(100πt) V可知,原线圈电压最大值为220 V,故原线圈电压的有效值为 U =220 V,根据=可知,U =U =110 V,故电压表的读数为110 V,选项C错误;副线圈 1 2 1 电流有效值为I==2 A,根据P=UI可知,输出功率为220 W,则原线圈的输入功率为220 2 W,故选项A错误;原线圈中的电流I==1 A,故选项B正确;因为ω=,所以T== s= 1 0.02 s,故选项D错误. 原线圈接入用电器的变压器问题分析 例2 (2020·山东泰安市模拟)如图4所示,用一交流电源给理想变压器供电,已知理想变 压器原线圈接有阻值为R的电阻,副线圈接有电阻R 、R 且R =R =100R,闭合开关S后 1 2 1 2 发现三个电阻消耗的功率均为P,则理想变压器原、副线圈的匝数比 n和a、b间的电压U 0 分别为( ) 图4A.n=5∶1,U=3 0 B.n=5∶1,U=5 0 C.n=1∶5,U=3 0 D.n=1∶5,U=5 0 答案 C 解析 设原线圈电流为I ,电压为U ,副线圈电流为I ,电压为U ,根据题意得:P=I2R 1 1 2 2 1 =()2·R 且R =100R,解得=5,则n===;==,根据串联电路特点 U =IR+U ,又U 2 2 0 1 1 1 =U,U=I·=10IR,联立解得U=3IR,又因为P=I2R,所以U=3,故C正确. 2 2 2 1 0 1 1 0 3.(变压器基本物理量的计算)如图5所示,一理想变压器原线圈输入正弦式交流电,交流 电的频率为50 Hz,电压表示数为11 000 V,灯泡L 与L 的电阻相等,原线圈与副线圈的匝 1 2 数比为n∶n=50∶1,电压表和电流表均为理想交流电表,则( ) 1 2 图5 A.原线圈输入的交流电压的表达式为u=11 000sin 50πt(V) B.开关K未闭合时,灯泡L 两端的电压为220 V 1 C.开关K闭合后电流表的示数为通过灯泡L 中电流的 1 D.开关K闭合后,原线圈输入功率增大为原来的倍 答案 B 解析 原线圈的电压最大值U =11 000 V,角速度ω=2πf=100π rad/s,所以原线圈输入的 m 交流电压的表达式为u=11 000sin 100πt(V),故A错误;开关K未闭合时,灯泡L 两端的电 1 压即为副线圈电压,==,则开关K未闭合时,灯泡L 两端的电压U =220 V,故B正确; 1 2 开关K闭合后,L 与L 并联,且电阻相等,所以电流表的示数与通过灯泡L 中电流相等, 1 2 1 故C错误;开关K闭合后,副线圈功率增大为原来的2倍,则原线圈输入功率增大为原来 的2倍,故D错误. 4.(原线圈上有用电器的变压器)(多选)如图6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( ) 图6A.原、副线圈匝数比为9∶1 B.原、副线圈匝数比为1∶9 C.此时a和b的电功率之比为9∶1 D.此时a和b的电功率之比为1∶9 答案 AD 解析 设灯泡的额定电压为U,两灯泡均能正常发光,所以原线圈两端电压为U=9U,副 0 1 0 线圈两端电压为U=U,故=,==,A正确,B错误;根据公式=可得,=,由于小灯泡 2 0 两端的电压相等,所以根据公式P=UI可得,灯泡a和b的电功率之比为1∶9,C错误,D 正确. 考点三 理想变压器的动态分析 1.匝数比不变的情况 (1)U 不变,根据=,输入电压U 决定输出电压U,不论负载电阻R如何变化,U 不变. 1 1 2 2 (2)当负载电阻发生变化时,I 变化,输出电流I 决定输入电流I,故I 发生变化. 2 2 1 1 (3)I 变化引起P 变化,P=P,故P 发生变化. 2 2 1 2 1 2.负载电阻不变的情况 (1)U 不变,发生变化时,U 变化. 1 2 (2)R不变,U 变化时,I 发生变化. 2 2 (3)根据P=,P 发生变化,再根据P=P,故P 变化,P=UI,U 不变,故I 发生变化. 2 2 1 2 1 1 1 1 1 1 例3 (多选)(2020·河北唐山市摸底考试)如图7所示,理想变压器原线圈一端有a、b两接 线柱,a是原线圈的一端点,b是原线圈的中心抽头,电压表和电流表均为理想交流电表. 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u=Usin 100πt.则( ) 图7 A.当单刀双掷开关分别与a、b连接时,电压表的示数比为1∶2 B.当t=0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n ,则有U =U ,当单刀双掷开关与b 1 2 1 连接时,原线圈的匝数为,则有U′=U ,联立得U∶U′=1∶2,故电压表的示数比为 2 1 2 21∶2,故A正确;当t=0时,c、d间的电压瞬时值为u=Usin(100π×0)=0,故B错误;副 线圈的电压由原、副线圈匝数和输入电压决定,单刀双掷开关与 a连接,滑动变阻器触头P 向上移,可知副线圈电压不变,故电压表的示数不变,C错误;单刀双掷开关由a扳向b, 原线圈的匝数变小,副线圈的电压变大,则电压表示数变大,电阻不变,故电流表的示数也 变大,故D正确. 5.(负载不变匝数变)(2020·天津耀华中学模拟)如图8所示为一自耦变压器的电路图,其特点 是铁芯上只绕有一个线圈.把整个线圈作为副线圈,而取线圈的一部分作为原线圈.原线圈 接在电压为U的正弦交流电源上,电流表 、 均为理想交流电表.当触头P向上移动时, 下列说法正确的是( ) 图8 A.A 读数变小,A 读数变小 1 2 B.A 读数变大,A 读数变小 1 2 C.R两端电压变大,变压器输入功率变小 D.R两端电压变大,变压器输入功率变大 答案 A 6.(匝数不变负载变)(多选)(八省联考·湖北·10)如图9(a)所示,理想变压器原、副线圈匝数比 为n∶n =1∶5,定值电阻R 的阻值为10 Ω,滑动变阻器R 的最大阻值为50 Ω,定值电阻 1 2 1 2 R 的阻值为10 Ω,图中电表均为理想电表.原线圈输入如图9(b)所示的交变电流,其有效 3 值不随负载变化.当滑动变阻器接入电路的阻值由50 Ω减小到0的过程中( ) 图9 A.电流表的示数为5 A B.通过R 的电流减小 2 C.电压表的示数减小 D.R 和R 的总电功率先增大后减小 2 3 答案 CD 解析 由图可知,电流表示数为原线圈的电流I = A=4 A,故A错误;当滑动变阻器R 的 1 2接入电路的阻值逐渐减小时,副线圈的负载电阻的总阻值减小,原线圈的输入电流I 保持不 1 变,根据变压器的电流规律=,副线圈中的电流I 保持不变,副线圈两端电压逐渐减小,电 2 压表示数逐渐减小,故C正确;通过定值电阻R 的电流逐渐减小,则通过滑动变阻器R 的 1 2 电流逐渐增大,故B错误;根据欧姆定律、串联和并联电路特点可知,R 和R 的总功率P 2 3 总 =,由数学知识可知,在R 由50 Ω减小到0的过程中,P 先增大后减小,故D正确. 2 总 考点四 远距离输电 基础回扣 如图10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′,用户的 电压为U′,输电电流为I,输电线总电阻为R. 图10 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 ′ ; (2)ΔP= I 2 R =()2R 4.减少输电线上电能损失的方法 (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. 技巧点拨 1.理清输电电路图的三个回路(如图11) 图11 (1)在电源回路中,P =UI=P. 发电机 1 1 1(2)在输送回路中,I=I =I,U=ΔU+U,ΔU=IR ,ΔP=I2R 2 线 3 2 3 2 线 2 线. (3)在用户回路中,P=UI=P 4 4 4 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:=,=,P = 1 P. 2 (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:=,=,P = 3 P. 4 3.掌握一个守恒观念 功率关系:P=ΔP+P,其中ΔP=ΔU·I =I 2R =. 2 3 线 线 线 例4 如图12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,输电线路中的电流是I ,其末端间的电压为U ,在输电线与用户 1 1 间连有一理想变压器,流入用户端的电流为I,则( ) 2 图12 A.用户端的电压为 B.输电线上的电压降为U C.理想变压器的输入功率为I2r 1 D.输电线路上损失的电功率为IU 1 答案 A 解析 因为P =P ,所以UI =UI ,即U =,故选项A正确;输电线上的电压降为U 入 出 1 1 2 2 2 线 =U-U ,选项B错误;理想变压器的输入功率P =IU ,输电线路上损失的电功率P = 1 入 1 1 损 I2r=I(U-U),选项C、D错误. 1 1 1 例5 (2020·浙江7月选考·11)如图13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U =250 V,经变压器升压后向远处输电,输电线总电阻R =8 Ω,在用户端 1 线 用降压变压器把电压降为U =220 V.已知输电线上损失的功率P =5 kW,假设两个变压 4 线 器均是理想变压器,下列说法正确的是( ) 图13 A.发电机输出的电流I=40 A 1 B.输电线上的电流I =625 A 线 C.降压变压器的匝数比n∶n=190∶11 3 4D.用户得到的电流I=455 A 4 答案 C 解析 发电机输出电流I == A=400 A,故A错误;输电线上损失的功率P =I 2R =5 1 线 线 线 kW,所以I ==25 A,故B错误;用户得到的功率P=P-P =(100-5) kW=95 kW,则 线 4 线 I== A= A≈432 A,故==,故C正确,D错误. 4 7.(远距离输电基本电路分析)(多选)(2020·全国卷Ⅱ·19)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( ) A.ΔP′=ΔP B.ΔP′=ΔP C.ΔU′=ΔU D.ΔU′=ΔU 答案 AD 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. 8.(远距离输电电路的分析)(多选)(2019·广东深圳市4月第二次调研)如图14为远距离输电 示意图,发电厂输出电压U =104 V,输出功率P =109 W,两个理想变压器的匝数比分别 1 1 为n∶n=1∶100、n∶n=100∶1,输电线总电阻r=50 Ω.则( ) 1 2 3 4 图14 A.U=U 4 1 B.I=I 4 1 C.通过电阻r的电流I=2×104 A 2 D.电阻r损耗的电功率为5×107 W 答案 BD 解析 I ==105 A,根据=可得,I =I =×105 A=103 A,则通过电阻r的电流为103 A, 1 2 1 故C错误;电阻r两端的电压为U=Ir=103×50 V=5×104 V,根据=可得,U =U = r 2 2 1 100×104 V=106 V,则U=U-U=106 V-5×104 V=9.5×105 V,根据=可得,U=U 3 2 r 4 3 =×9.5×105 V=9.5×103 V,则U≠U,故A错误;由于I=I,根据=可得,I=I=×103 4 1 2 3 4 3 A=105 A,则I =I ,故B正确;电阻r损耗的电功率P=I2r=(103)2×50 W=5×107 W, 4 1 r 2故D正确. 课时精练 1.(多选)如图1所示,发电厂的输出电压为U ,发电厂至用户间输电导线的总电阻为 R, 1 通过导线的电流为I,用户得到的电压为U.下列输电导线上损耗功率的表达式中正确的是( 2 ) 图1 A.(U-U)I B.I2R 1 2 C. D. 答案 ABD 2.(2019·江苏卷·1)某理想变压器原、副线圈的匝数之比为1∶10,当输入电压增加20 V时, 输出电压( ) A.降低2 V B.增加2 V C.降低200 V D.增加200 V 答案 D 解析 假设理想变压器原线圈的输入电压为U ,则由变压器的工作原理可知=,变压器副 1 线圈的输出电压为U =10U ;当输入电压增加20 V时,即输入电压为U +20 V,则变压器 2 1 1 的输出电压为U′=10U +10×20 V,则输出电压的变化量为ΔU=U′-U =10U +200 2 1 2 2 1 V-10U=200 V,即输出电压增加200 V,A、B、C错误,D正确. 1 3.(多选)(2020·河南中原名校联考)如图2所示是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 V 示数不变.两条输电线的总电阻用R 表示,滑动变阻器R表示用户用电器的总电阻.如 1 0 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( ) 图2 A.电流表A 示数变大 1B.电流表A 示数变小 2 C.电压表V 示数变大 2 D.电压表V 示数变小 3 答案 AD 4.(2018·天津卷·4)教学用发电机能够产生正弦式交变电流.利用该发电机(内阻可忽略)通过 理想变压器向定值电阻R供电,电路如图3所示,理想交流电流表A、理想交流电压表V的 读数分别为I、U,R消耗的功率为P.若发电机线圈的转速变为原来的,则( ) 图3 A.R消耗的功率变为P B.电压表V的读数变为U C.电流表A的读数变为2I D.通过R的交变电流频率不变 答案 B 解析 发电机线圈的转速变为原来的,由E=知,原线圈中输入电压变为原来的,频率变为 原来的.根据=,知U 变为原来的,即U =U,则通过R的电流变为原来的,R消耗的功率 2 2 P==P,根据=,原线圈上的电流也变为原来的,即电流表A的读数变为I,故选B. 2 5.(2019·四川达州市第二次诊断)如图4所示,一自耦变压器接在交流电源上,V 、V 为理想 1 2 交流电压表.下列说法正确的是( ) 图4 A.若P不动,滑片F向下滑动时,V 示数不变,V 示数变小 1 2 B.若P不动,滑片F向下滑动时,灯泡消耗的功率变大 C.若F不动,滑片P向上滑动时,V 示数不变,V 示数变大 1 2 D.若F不动,滑片P向上滑动时,灯泡消耗的功率变小 答案 A 解析 设变压器的输入电压为U ,输出电压为U ;若P不动,滑片F向下滑动时,输入电 1 2 压U 不变,V 示数不变,根据变压比公式=,由于n 减小,故输出电压U 减小,故灯泡消 1 1 2 2 耗的功率减小,V 的示数变小,故A正确,B错误;若F不动,根据变压比公式=,输入 2 电压U 不变,则输出电压U 也不变,V 示数不变;滑片P向上滑动时,滑动变阻器R接入 1 2 1电路的电阻值减小,则副线圈回路中的电流增大,灯泡中的电流、电压都增大,灯泡消耗的 功率变大;由U =U-U 可知电压表V 示数变小,故C、D错误. V2 2 L 2 6.(八省联考·河北·4)如图5所示,理想变压器原线圈匝数为1 100匝,接有一阻值为R的电 阻,电压表V 示数为110.0 V.副线圈接有一个阻值恒为R 的灯泡,绕过铁芯的单匝线圈接 1 L 有一理想电压表V,示数为0.10 V.已知R ∶R=4∶1,则副线圈的匝数为( ) 2 L 图5 A.225 B.550 C.2 200 D.4 400 答案 C 解析 因为电压表V 的示数为0.10 V,由变压器原副线圈匝数与电压之间的关系,可知原 2 线圈的输入电压为U =110 V;根据电路连接,可知原线圈中的电流I =;副线圈两端电压 1 1 为U ,电流为I =,又UI =UI ,R ∶R=4∶1,联立得U =220 V,由=得,n =2 200, 2 2 1 1 2 2 L 2 2 故C正确. 7.(八省联考·江苏·7)小明分别按图6甲和乙电路探究远距离输电的输电损耗,将长导线卷 成相同的两卷A、B来模拟输电线路,忽略导线的自感作用.其中T 为理想升压变压器,T 1 2 为理想降压变压器,两次实验中使用的灯泡相同,灯泡的电压相等,两次实验中( ) 图6 A.都接直流电源 B.A两端的电压相等 C.A损耗的功率相等 D.图甲中A的电流较大 答案 D 解析 由于变压器只能改变交变电流,因此题图乙中不可能接直流电源,故 A错误;设电 源输出电压为U,输出功率为P,A、B的阻值为R,则题图甲电路中输电线上的电流I =, 1 题图乙中升压变压器副线圈电压 U′>U,则流过A的电流I =