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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
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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
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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 =,
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题图乙中升压变压器副线圈电压 U′>U,则流过A的电流I =