1、3变 压 器课前自主学习一、变压器的构造和原理(1)构造：由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成，与交流电源连接的线圈叫_，与负载连接的线圈叫_。(2)原理：_现象是变压器工作的基础。原线圈中电流的大小、方向不断变化，在铁芯中激发的磁场也不断变化，变化的磁场在副线圈中产生_。(3)作用：改变交变电流的_，不改变交变电流的_和_。原线圈副线圈互感感应电动势电压周期频率二、理想变压器的基本关系(1)理想变压器：没有_的变压器叫作理想变压器。(2)电压与匝数的关系：原、副线圈的电压比等于两个线圈的_，即。(3)两类变压器：副线圈的电压比原线圈电压低的变压器叫_变压器；副线圈的电压比原线圈的电压高的变压
2、器叫_变压器。1122UnUn能量损失匝数比降压升压课堂合作探究主题一 变压器的构造和原理【实验情境】如图分别为变压器的实物图、结构示意图和电路符号。【问题探究】(1)变压器的结构是怎样的？主要构造是_。由闭合铁芯和绕在铁芯上的原、副线圈构成的，变压器的结构示意图和电路符号如题图乙、丙所示。原线圈：与交流电源相连接的线圈，又叫初级线圈。副线圈：与负载相连的另一个线圈，又叫次级线圈(2)为什么原、副两个线圈之间没有导线相连，副线圈也能够输出电流？变压器能够改变恒定电流的电压吗？提示：互感现象是变压器工作的基础。电流通过原线圈时在铁芯中激发磁场。由于电流的大小、方向在不断变化，铁芯中的磁场也在不断
3、变化，变化的磁场在副线圈中产生感应电动势，所以尽管两个线圈之间没有导线相连，副线圈也能够输出电流。恒定不变的电流不能产生变化的磁场，不满足产生感应电动势的条件，所以变压器不能够改变恒定电流的电压。(3)试探究变压器能否改变交流电的频率。提示：变压器在工作时，原、副线圈磁通量的变化情况相同，所以变压器不能改变交流电的频率。【结论生成】1变压器的原理：变压器的工作原理是互感现象，原线圈中交变电流铁芯中产生交变磁通量副线圈中产生感应电动势 E2副线圈中产生交变电流。2注意三个问题：(1)记住变压器的电路符号，与原线圈对应的物理量 U1、I1、n1，与副线圈对应的物理量 U2、I2、n2。其中的电压值
4、 U1 及 U2、电流值 I1 及 I2 都是指交变电流的有效值。(2)变压器只能在交变电流下工作，若输入的是恒定的直流电流，则变压器无法输出，即 U20，I20，变压器只能改变交变电压。(3)变压器不能改变交变电流的频率。【典例示范】(多选)关于理想变压器，下列说法正确的是()A变压器只能改变交变电流的电压，不能改变直流电的电压B实际生活中，不存在原线圈与副线圈匝数相等的变压器C理想变压器不仅可以改变交变电流的电压和电流，还可以改变交变电流的频率D输送的电能经变压器先转化为磁场能，再转化为电能【解析】选 A、B、D。易知 A、B 正确；理想变压器无能量损耗，改变交变电流的电压，不改变交变电流
5、的周期和频率，C 错误；变压器工作的原理是互感现象，输送的电能经变压器先转化为磁场能，再转化为电能，D 正确。【探究训练】(多选)理想变压器正常工作时，原、副线圈中一定相同的物理量是()A每匝线圈中磁通量的变化率B交变电流的频率C原线圈的输入功率和副线圈的输出功率D原线圈的感应电动势和副线圈的感应电动势【解析】选 A、B、C。理想变压器，改变电压、电流，不改变频率、功率和磁通量及磁通量变化率。【补偿训练】(多选)关于变压器的构造和工作原理，下列说法中正确的是()A原、副线圈缠绕在一个闭合铁芯上，是为了减少磁场能的损失，有效地传送电能B铁芯不用整块金属做成，是为了防止将原、副线圈短路，造成危险C
6、变压器不改变交变电流的频率，只改变电压大小D当原线圈接入大小不断变化的直流电时，副线圈也有电压输出【解析】选 A、C、D。闭合铁芯的导磁能力比真空或空气强得多，当原、副线圈绕在同一闭合铁芯上时，原线圈产生的磁场几乎全部沿铁芯通过副线圈，漏到空气中的磁场很少，因此可以有效地将原线圈中的电能传递到副线圈中，选项 A 正确。若用整块金属做铁芯，当通过它的磁通量发生变化时，就会在铁芯中产生感应电流，导致铁芯发热，烧坏变压器，同时大大降低了电能的传输效率，故选项B 错误。对于正弦式交变电流，铁芯中磁通量的变化率正比于原线圈中电流的变化率，在副线圈中，感应电动势正比于磁通量的变化率，因此感应电动势的变化随
7、着磁通量变化率的变化而变化，所以副线圈输出交变电流的频率等于输入交变电流的频率，所以选项 C 正确。由电磁感应定律知，只要输入原线圈的电流发生变化，穿过副线圈的磁通量就发生变化，在副线圈中就有感应电动势产生，故选项 D 正确。主题二 理想变压器的基本关系任务 1 探究变压器一个原线圈和一个副线圈两端的电压关系【实验情境】如图为探究实验中用到的可拆卸变压器。【问题探究】1利用可拆变压器怎样探究变压器电压与匝数间的关系？提示：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。保持副线圈的匝数不变，改变原线圈的匝数，研究原线圈的匝数对副线圈电压的影响。为了人身安全，只能使用低压交流
8、电源，所用电压不要超过 12 V。2通过探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系实验，得到的结论是什么？结论是：_。3从理想变压器模型出发，结合变压器原、副线圈中的电压与匝数的关系，请推导出变压器原、副线圈中的电流与匝数的关系。理想变压器的_，即_，又因为U1U2 n1n2，所以_。变压器原、副线圈中的电压与匝数成正比，即 1122UnUn输入功率等于输出功率 U1I1U2I21221InIn任务 2 变压器中制约关系【实验情境】如图为理想变压器的工作的电路图，试分析：【问题探究】理想变压器的 U1、U2、I1、I2、P1、P2 之间谁决定谁？提示：(1)电压：变压器的原、副线圈的匝数比n1n2一
9、定时，输出电压 U2 由输入电压 U1 决定，即 U2n2n1 U1。(2)电流：变压器的原、副线圈的匝数比n1n2一定时，原线圈中的电流 I1 由副线圈中的电流 I2 决定，即 I1n2n1 I2。(3)功率。变压器的输出功率由负载决定，变压器的输出功率等于各个负载消耗的功率之和，即 P2P 负 1P 负 2变压器的输入功率由输出功率决定，即 P1P2。【结论生成】理想变压器中的几个关系【典例示范】(多选)如图所示，有一矩形线圈的面积为 S，匝数为 N，绕 OO轴在磁感应强度为 B 的匀强磁场中以角速度 匀速转动时，通过滑动触头 P 上下移动时可改变输出电压，副线圈接有定值电阻 R，从图示位
10、置开始计时，下列判断正确的是()A.当变压器的变压比为 n 时，电流表测得的是电流最大值，其值为NBSnRB感应电动势的瞬时值表达式为 eNBSsin tCP 向上移动时，电流表示数变大DP 向上移动时，电流表示数变小【解析】选 B、D。电流表测得的是电流的有效值，故 A 错误；从中性面时开始计时，矩形线圈产生的感应电动势的瞬时值表达式为 eNBSsin t，故 B 正确；当 P 位置向上移动、R 不变时，副线圈匝数减小，根据理想变压器的变压比公式U1U2 n1n2，输出电压变小，故电流变小，故电流表读数变小，故 C 错误，D 正确。【规律方法】变压器动态分析的思路(1)首先抓住三个决定原则：
11、输入电压 U1 决定输出电压 U2；输出电流 I2 决定输入电流 I1；输出功率决定输入功率。(2)把副线圈当作电源，研究副线圈电路电阻的变化。(3)根据闭合电路的欧姆定律，判定副线圈电流的变化、功率的变化。(4)根据理想变压器原、副线圈间的电流关系和电功率关系判定原线圈电流的变化及输入功率的变化。【探究训练】1.(多选)(2021长沙高二检测)如图所示，理想变压器的原线圈接有频率为 f、电压为 U 的交流电，副线圈接有光敏电阻 R(阻值随光照强度增强而减小)、理想交流电流表 A，下列说法正确的是()A当 U 增大时，变压器的输入功率增大B当 f 减小时，变压器的输入功率减小C当光照增强时，交
12、流电流表 A 的示数减小D当滑动触头 P 向下滑动时，交流电流表 A 的示数增大【解析】选 A、D。当 U 增大时，根据U1U2 n1n2 可得副线圈两端的电压增大，所以副线圈消耗的电功率增大，则变压器的输入功率增大，A 正确；变压器的输入功率与交流电频率无关，B 错误；当光照增强时，R 减小，电流增大，交流电流表 A 的示数增大，C 错误；当滑动触头 P 向下滑动时，n1n2 变小，即 U2 增大，电流增大，所以交流电流表 A 的示数增大，D 正确。2如图所示，理想变压器的原线圈接在 u220 2 sin100t(V)的交流电源上，副线圈接有 R55 的负载电阻，原、副线圈匝数之比为 21，
13、电流表、电压表均为理想电表。下列说法正确的是()A.原线圈的输入功率为 220 2 WB电流表的读数为 1 AC电压表的读数为 110 2 VD副线圈输出交流电的周期为 50 s【解析】选 B。由交流电压的表达式可知，原线圈两端所加的电压最大值为 220 2 V，故有效值为 U1220 V，由U1U2 n1n2，故副线圈电压的有效值为 U2110 V，故输出功率 P2U22R220 W，再由输入功率等于输出功率知，P1P2220 W，A 项错误；根据欧姆定律知，I2U2R2 A，I1I2 n2n1，得 I11 A，故电流表读数为 1 A，所以 B 项正确；电压表的读数为有效值，即 U2110
14、V，C 项错误；由交流电压的表达式可知，100(rad/s)，又 T2，解得 T0.02 s，所以 D 项错误。【补偿训练】(多选)国家电网公司推进智能电网推广项目建设，拟新建智能变电站 1 400 座。变电站起变换电压作用的设备是变压器，如图所示，理想变压器原线圈输入电压 u200 2 sin100t(V)，电压表、电流表都为理想电表。则下列判断正确的是()A输入电压有效值为 200 V，电流频率为 50 HzBS 打到 a 处，当变阻器的滑片向下滑动时，两电压表示数都增大CS 打到 a 处，当变阻器的滑片向下滑动时，两电流表的示数都减小D若变阻器的滑片不动，S 由 a 处打到 b 处，电压
15、表 V2 和电流表 A1 的示数都减小【解析】选 A、D。输入电压的最大值 U1m200 2 V，有效值 U1200 22 V200 V，由瞬时值知，角速度 100 rad/s，电流频率 f 2 1002 Hz50 Hz，故 A 正确；S 打到 a 处，变阻器的滑片向下滑动时，由U1U2 n1n2，知 U2 不变即 V2 示数不变，副线圈接入电路的电阻减小，所以电流表 A2 的示数变大，故 B、C 错误；若变阻器的滑片不变，S 由 a 处打到 b 处，副线圈匝数减少，输入电压不变，输出电压减小，电压表 V2 示数减小，输出功率 P2U22R减小，根据输入功率等于输出功率，P1U1I1 减小，U
16、1 不变，则 I1 减小，即电流表 A1 的示数减小，故 D 正确。【课堂小结】课堂素养达标1如图所示，从学生电源输出的电压，经变压器降压后，使小灯泡正常发光。其对应的电路图为()【解析】选 B。变压器不能改变直流电的电压，A 错误；而 C、D 图不是变压器，C、D 错误；B 项正确。2如图甲所示，一理想变压器原、副线圈匝数之比为 556，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 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变压器输入电压的最大值是 220 VB若电流表的示数为 0.50 A，变压器的输入功率是 12 WC原线圈输入的正弦
17、交变电流的频率是 100 HzD电压表的示数是 24 2 V【解析】选 B。由图乙可知交流电压最大值 Um220 2 V，故 A 错误；输入电压的有效值为 220 V，根据变压器电压与匝数成正比知电压表示数为 U 655 220 V24 V，电压表的示数是 24 V，若流过电阻中的电流为 0.5 A，变压器的输入功率是：P 入P 出UI240.5 W12 W，故 B 正确、D 错误；变压器不改变频率，由图乙可知交流电周期 T0.02 s，可由周期求出正弦交变电流的频率是 50 Hz，故 C 错误。【补偿训练】如图所示，L1、L2、L3、L4 为四只规格均为“12 V 6 W”的灯泡，L1 接在
18、理想变压器的原线圈回路中，L2、L3、L4 接在副线圈回路中，a、b 两端连接交流电源，交流电流表 A 示数为 0.5 A，已知灯泡 L2 正常发光，以下说法正确的是()A.a、b 端输入功率为 18 WBa、b 端输入电压为 36 VCa、b 端输入电压为 48 VD若副线圈回路再并联一只同样的灯泡，L2 仍能正常发光【解析】选 C。灯泡的额定电流 ILPLUL 612 A0.5 A，交流电流表 A 示数为0.5 A，所以灯泡 L1 正常发光，功率为 6 W；灯泡 L2 正常发光，则其余两盏灯也能正常发光，所以 a、b 端输入功率等于四个灯泡的电功率，即为 Pab64 W24 W，故 A 错
19、误；根据 PabUabIA 可得：Uab240.5 V48 V，故 B 错误，C 正确；若副线圈回路再并联一只同样的灯泡，使得副线圈的电流强度增大，则原线圈的电流强度增大，灯泡 L1 分得的电压增大，原线圈两端电压减小，副线圈两端电压减小，L2 不能正常发光，故 D 错误。3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()Ak1U，k2I Bk1U，Ik2CUk1，k2I DUk1，Ik2【解析】选 B。根据理想变压器的
20、电压和电流规律，可得U0U k1，I0I 1k2，解得题图甲中高压线电压 U0k1U，题图乙中高压线电流 I0 Ik2，故 B 正确，A、C、D 错误。4如图所示，理想变压器原、副线圈回路中的输电线的电阻忽略不计。当 S 闭合时()A电流表 A1 的读数变大，电流表 A2 的读数变小B电流表 A1 的读数变大，电流表 A2 的读数变大C电流表 A1 的读数变小，电流表 A2 的读数变小D电流表 A1 的读数变小，电流表 A2 的读数变大【解析】选 B。将开关 S 闭合，负载总电阻变小，由线圈匝数和输入端电压不变可知输出端电压不变，由欧姆定律可知输出端电流变大，故电流表 A2 的示数变大；由 n
21、1I1n2I2 可知原、副线圈中电流与匝数成反比，所以输出端电流变大时输入端电流也增大，即 A1 示数变大，故 B 正确。【补偿训练】如图所示，理想变压器的输入电压保持不变。副线圈通过输电线接两个相同的灯泡 L1 和 L2，输电线的等效电阻为 R。开始时，开关 S 断开，当 S 闭合时，下列说法正确的是()A.交流电压表的示数变大B灯泡 L1 更亮C交流电流表的示数增大D变压器的输出功率减小【解析】选 C。当 S 闭合时，副线圈两端电压不变，负载总电阻变小，输电线中电流增大，等效电阻 R 分得电压增大，交流电压表的示数变小，灯泡 L1 变暗，变压器的输出功率增大，则变压器的输入功率变大，交流电流表的示数增大，选项C 正确，A、B、D 错误。