高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册变压器优质学案设计

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▉题型1 变压器的构造与原理
【知识点的认识】
1.变压器的构造：变压器是由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成的（如图）。一个线圈与交流电源连接，叫作原线圈，也叫初级线圈；另一个线圈与负载连接，叫作副线圈，也叫次级线圈。
2.各部分的功能
原线圈：接在交流电源上的线圈，在铁芯内产生交变磁场。
副线圈：连接负载的线圈，产生感应电动势，为负载提供电能。
铁芯：硅钢叠合成的闭合框架，能增强磁场和集中磁感线，提高变压器效率。
3.工作原理：
互感现象是变压器工作的基础。
当原线圈两端加上交变电压U1时，原线圈中就有交变电流I1通过，
并在铁芯中产生交变的磁场，铁芯中的磁通量就发生变化。由于副线圈也绕在同一铁芯上，铁芯中磁通量的变化便会在副线圈上产生
感应电动势。
4.理想变压器
（1）闭合铁芯的“漏磁”忽略不计。
（2）变压器线圈的电阻忽略不计。
（3）闭合铁芯中产生的涡流忽略不计。即没有能量损失的变压器叫作理想变压器。
1．如图所示，理想变压器原线圈接在正弦交流电源上，电源电压的有效值不变，副线圈接滑动变阻器R和两个定值电阻R1、R2，电路中的电表均视为理想电表。滑动变阻器R的滑片P由a端向b端缓慢滑动过程中，下列说法正确的是（ ）
A．电压表V1的示数不变B．电压表V2的示数变小
C．电流表A1的示数变小D．电流表A2的示数变小
2．下列说法正确的是（ ）
A．恒定磁场对静置于其中的电荷有力的作用
B．小磁针N极在磁场中的受力方向是该点磁感应强度的方向
C．正弦交流发电机工作时，穿过线圈平面的磁通量最大时，电流最大
D．升压变压器中，副线圈的磁通量变化率大于原线圈的磁通量变化率
3．如图甲所示是一个简易发电机模型，发电机通过理想变压器对外工作，变压器原、副线圈的匝数比n1：n2＝1：3，电路中小灯泡完全相同且电阻恒定为R，电压表为理想电压表，若线圈以恒定角速度转动，线圈电阻忽略不计，闭合开关S后，四盏灯都能发光，副线圈输出的电压如图乙所示，下列说法正确的是（ ）
A．通过灯泡L2的电流方向每1分钟变化150次
B．原线圈中电流的最大值为2UR
C．若断开开关S，则电压表的示数不变
D．若断开开关S，则灯泡L1、L2、L3三个灯泡都变暗
（多选）4．如图所示，一个小型交流发电机输出端连接在理想变压器的原线圈n1上，原线圈两端连接有理想电压表，副线圈n2连接有可变电阻R和理想电流表A，理想变压器原、副线圈匝数比n1：n2＝1：2，已知交流发电机内匀强磁场的磁感应强度B＝1T，发电机线圈匝数N＝10，面积是25m2，内阻不计。发电机转动的角速度是25rad/s，下列说法正确的是（ ）
A．当线圈转到图示位置时磁通量的变化率为0
B．当线圈从图示位置转过90°时感应电流是0，电流表示数也是0
C．电压表的示数始终是50V
D．当R＝50Ω时，电流表的示数是2A
（多选）5．某款手摇点火器的结构如图所示，其工作原理为手摇转把使线圈中产生交变电动势，经变压器升压后接在钢针和金属板上，当钢针和金属板间的电压达到临界值时便可击穿空气而火花放电。下列说法正确的是（ ）
A．只要转动转把就能产生电火花
B．只要转把转动的时间够长就可以产生电火花
C．只要转把转动得够快就能产生电火花
D．产生电火花后手摇转把会更费力
（多选）6．如图为风力发电机的简化模型，风带动发电机线圈在匀强磁场中匀速转动，产生正弦交流电，通过理想变压器向用户端的m盏灯泡供电。A灯和用户端所有灯泡的额定电压均为U、额定电流均为I，都正常发光，则（ ）
A．变压器原副线圈的电流比为1：m
B．变压器原副线圈的匝数比为1：m
C．发电机输出功率为（m+1）UI
D．仅减少用户端的灯泡数量，A灯变亮
（多选）7．变压器是日常生活中必不可少的重要元器件，小明同学学习交流电单元的知识后，他查阅资料，改进了课本中的变压器模型，制作了一个环形变压器（可视为理想变压器）。图甲是实物图，图乙所示的环形变压器原线圈的匝数为880匝，副线圈接一个“11V 11W”的小灯泡，电压表与电流表均为理想交流电表。原线圈两端的交流电压随时间变化的关系图像为如图丙所示的余弦曲线，最大值Um=2202V，此时小灯泡恰好正常发光。下列说法正确的是（ ）
A．交流电的方向每秒改变100次
B．电压表的示数为220V
C．电流表的示数为0.05A
D．副线圈的匝数为44
8．有一个教学用的可拆变压器，其铁芯粗细一致，如图1所示，它有两个外观基本相同的线圈A、B（内部导线电阻率、横截面积相同），线圈外部还可以再绕线圈。
（1）某同学用多用电表的同一欧姆挡先后测量了A、B线圈的电阻值，指针分别对应图2中的a、b位置，则A线圈的电阻为 Ω，由此可推断 （选填“A”或“B”）线圈的匝数较多。
（2）如果把它看作理想变压器，现要测量A线圈的匝数，提供的器材有：一根足够长绝缘导线、一只多用电表和低压交流电源，请完成实验的步骤填空：
①用绝缘导线在线圈B上绕制n匝线圈；
②将A线圈与低压交流电源相连接；
③用多用电表的“交流电压”挡分别测量A线圈的输入电压UA和 （选填“绕制”或“B”）线圈的输出电压U；
④则A线圈的匝数为 。（用已知和测得量的符号表示）
▉题型2 理想变压器两端的电压、电流与匝数的关系
【知识点的认识】
一、理想变压器的基本规律
1.理想变压器原、副线圈的电压与匝数的关系
（1）原、副线圈的电压之比等于匝数之比：U1：U2＝n1：n2
（2）如果n1＞n2，变压器为降压变压器；如果n1＜n2，变压器为升压变压器
2.理想变压器原、副线圈的功率关系
原线圈的输入功率等于副线圈的输出功率：P入＝P出
3.理想变压器原、副线圈的电流与匝数的关系
（1）只有一个副线圈时：
原、副线圈的电流之比等于匝数的反比：I1：I2＝n2：n1
（2）有多个副线圈时
由P1＝P2，可得U1I1＝U2I2+U3I3+•••或n1I1＝n2I2+n3I3+•••
4.理想变压器原、副线圈的功率关系
变压器只改变交变电流的大小，不改变交变电流的频率：f1＝f2
二、各物理量之间的因果关系
（1）由于U1取决于电源电压，由U2=n2n1U1可知U1决定U2，即原线圈两端的电压决定副线圈两端的电压。
（2）由于副线圈中电流取决于所接负载I2=U2R，由I1=n2n1I2可知，I2决定11，即副线圈中的电流决定原线圈中的电流。
（3）由于副线圈输出功率取决于负载消耗的功率，由P入＝P出可知输出功率决定输入功率，功率按需提供。
9．三个规格相同的小灯泡（可视为纯电阻）分别按照如图连接在理想变压器的原、副线圈上，三个灯泡均能正常发光，已知小灯泡的额定电流为2A，电阻为3Ω，则ab两点间的电压为（ ）
A．6VB．9VC．12VD．18V
（多选）10．如图所示为一款冬夏两用的风扇的简化电路图，触片开关可以连接不同的位置实现吹风、吹热风、无风加热三个挡位且正常工作。理想变压器的匝数比n1：n2＝4：1，小风扇的额定功率为110W，电热丝的额定电压为220V，额定功率为880W。下列说法正确的是（ ）
A．小风扇的电阻为27.5Ω
B．电热丝的电阻为55Ω
C．风扇只用吹风挡且正常工作时，变压器原线圈的电流等于0.5A
D．风扇吹热风挡且正常工作时，变压器原线圈的电流大于0.5A
▉题型3 理想变压器两端的功率关系
【知识点的认识】
一、理想变压器的基本规律
1.理想变压器原、副线圈的电压与匝数的关系
（1）原、副线圈的电压之比等于匝数之比：U1：U2＝n1：n2
（2）如果n1＞n2，变压器为降压变压器；如果n1＜n2，变压器为升压变压器
2.理想变压器原、副线圈的功率关系
原线圈的输入功率等于副线圈的输出功率：P入＝P出
3.理想变压器原、副线圈的电流与匝数的关系
（1）只有一个副线圈时：
原、副线圈的电流之比等于匝数的反比：I1：I2＝n2：n1
（2）有多个副线圈时
由P1＝P2，可得U1I1＝U2I2+U3I3+•••或n1I1＝n2I2+n3I3+•••
4.理想变压器原、副线圈的功率关系
变压器只改变交变电流的大小，不改变交变电流的频率：f1＝f2
二、各物理量之间的因果关系
（1）由于U1取决于电源电压，由U2=n2n1U1可知U1决定U2，即原线圈两端的电压决定副线圈两端的电压。
（2）由于副线圈中电流取决于所接负载I2=U2R，由I1=n2n1I2可知，I2决定11，即副线圈中的电流决定原线圈中的电流。
（3）由于副线圈输出功率取决于负载消耗的功率，由P入＝P出可知输出功率决定输入功率，功率按需提供。
11．如图所示的理想变压器，副线圈的匝数为原线圈的匝数的一半，原线圈两端接电压最大值为U的正弦交流电，副线圈接阻值为R的电阻，则电阻的电功率为（ ）
A．U2RB．U28RC．U24RD．U22R
（多选）12．如图所示，某旋转磁极式发电机的转子有两对磁极，定子线圈的输出端接在一理想变压器的原线圈上，不计定子线圈的电阻。当转子以25r/s的转速匀速转动时，在定子线圈中产生频率为50Hz的正弦交流电。若使转子以50r/s的转速转动，则（ ）
A．电流表 A 的示数变为原来的2 倍
B．变压器的输出功率不变
C．电阻 R 消耗的电功率为原来的4倍
D．变压器铁芯中磁通量变化率的最大值变为原来的2倍
题型4 理想变压器两端的频率关系
【知识点的认识】
一、理想变压器的基本规律
1.理想变压器原、副线圈的电压与匝数的关系
（1）原、副线圈的电压之比等于匝数之比：U1：U2＝n1：n2
（2）如果n1＞n2，变压器为降压变压器；如果n1＜n2，变压器为升压变压器
2.理想变压器原、副线圈的功率关系
原线圈的输入功率等于副线圈的输出功率：P入＝P出
3.理想变压器原、副线圈的电流与匝数的关系
（1）只有一个副线圈时：
原、副线圈的电流之比等于匝数的反比：I1：I2＝n2：n1
（2）有多个副线圈时
由P1＝P2，可得U1I1＝U2I2+U3I3+•••或n1I1＝n2I2+n3I3+•••
4.理想变压器原、副线圈的功率关系
变压器只改变交变电流的大小，不改变交变电流的频率：f1＝f2
二、各物理量之间的因果关系
（1）由于U1取决于电源电压，由U2=n2n1U1可知U1决定U2，即原线圈两端的电压决定副线圈两端的电压。
（2）由于副线圈中电流取决于所接负载I2=U2R，由I1=n2n1I2可知，I2决定11，即副线圈中的电流决定原线圈中的电流。
（3）由于副线圈输出功率取决于负载消耗的功率，由P入＝P出可知输出功率决定输入功率，功率按需提供。
13．如图甲所示，某理想变压器原线圈接入如图乙所示的交流电源，副线圈所接的滑动变阻器的最大阻值为60Ω，电压表和电流表均为理想电表，原、副线圈的匝数比为6：1。下列说法正确的是（ ）
A．电压表的示数为362V
B．滑动变阻器消耗的最小功率为0.6W
C．原线圈所加电流的频率为100Hz
D．电流表的最小示数为0.2A
题型5 变压器的动态分析——原线圈有负载
【知识点的认识】
1.理想变压器的规律
2.理想变压器的动态分析．
解决理想变压器中有关物理量的动态分析问题的方法
（1）分清不变量和变量，弄清理想变压器中电压、电流、功率之间的联系和相互制约关系，利用闭合电路欧姆定律，串、并联电路特点进行分析判定．
（2）分析该类问题的一般思维流程是：
14．如图，理想变压器原线圈匝数为n1，接有一阻值为R1＝6R的定值电阻和理想交流电电流表A，副线圈匝数为n2，接有阻值R2＝R和R3＝5R的两个定值电阻。U为正弦交流电电压源，输出电压的有效值恒定，频率为50Hz。当开关S断开时，电流表的示数为I，且R2的电功率为9I2R，则（ ）
A．流经R2的交变电流的频率为150Hz
B．该变压器原、副线圈匝数比n1：n2＝2：1
C．当开关S闭合时，原线圈两端的电压增大
D．当开关S闭合时，R2的电功率变为144I2R
题型6 变压器的动态分析——原线圈无负载
【知识点的认识】
1.理想变压器的规律
2.理想变压器的动态分析．
解决理想变压器中有关物理量的动态分析问题的方法
（1）分清不变量和变量，弄清理想变压器中电压、电流、功率之间的联系和相互制约关系，利用闭合电路欧姆定律，串、并联电路特点进行分析判定．
（2）分析该类问题的一般思维流程是：
15．图1为某品牌可调速风扇，图2为其用来调速的自耦变压器，通过改变电机两端电压达到调速的目的。给变压器输入u=2202sin100πt(V）正弦交流电压，通过调节滑片P，可使风扇在220V及以下的不同电压下工作，变压器为理想变压器，则下列判断正确的是（ ）
A．a、b是变压器的输入端
B．滑片向上移动时，c、d端的电压减小
C．滑片向上移动时，变压器的输出功率变小
D．滑片移到线圈中间位置时，变压器的输出电压为110V
（多选）16．在如图所示的电路中，输入交变电压的瞬时值u=222sin100πt(V)，理想变压器原、副线圈的匝数比n1：n2＝2：1，两定值电阻R1、R2的阻值相同。在滑动变阻器的滑片P向上滑动一小段的过程中，R1、R2两端电压的变化量分别为ΔU1、ΔU2，R1的电功率的变化量为ΔP1。下列说法正确的是（ ）
A．R2中电流的频率是R1中电流频率的2倍
B．ΔU1=12ΔU2
C．ΔP1=(ΔU1)2R1
D．当滑片P移到最上端时，R1两端的电压为4.4V
（多选）17．如图所示，电路中有一自耦变压器，左侧并联一个理想交流电压表V1后接在稳定的交流电源上，右侧串联灯泡L和滑动变阻器，R上并联一个理想交流电压表V2。下列正确的是（ ）
A．若F不动，滑片P向上滑动时，V1示数不变，V2示数变小
B．若F不动，滑片P向上滑动时，灯泡L消耗的功率变小
C．若P不动，滑片F向上移动时，V1、V2的示数均变大
D．若P不动，滑片F向上移动时，灯泡L消耗的功率变大
题型7 结合图像解决变压器问题
【知识点的认识】
本考点旨在针对变压器与图像相结合的问题，主要是原线圈或副线圈中的电压随时间变化的图像或电流随时间变化的图像等。
（多选）18．如图1所示，理想变压器原、副线圈的匝数比为4：1，b是原线圈的中心抽头，图中电表均为理想的交流电表，定值电阻R＝10Ω，其余电阻均不计，从某时刻开始在原线圈c、d两端加上如图2所示的交变电压，则下列说法正确的是（ ）
A．当单刀双掷开关与a连接时，电压表的示数为55V
B．当单刀双掷开关与a连接且t＝0.01 s时，电流表示数为零
C．当单刀双掷开关由a拨向b时，原线圈的输入功率增大
D．当单刀双掷开关由a拨向b时，副线圈输出电压的频率为25 Hz
题型8 自耦变压器
【知识点的认识】
图甲是自耦变压器的示意图。这种变压器的特点是铁芯上只绕有一个线圈。如果把整个线圈作原线圈，副线圈只取线圈的一部分，就可以降低电压；如果把线圈的一部分作原线圈，整个线圈作副线圈，就可以升高电压。
调压变压器就是一种自耦变压器，它的构造如图乙所示。线圈AB绕在一个圆环形的铁芯上，AB之间加上输入电压U1，移动滑动触头P的位置就可以调节输出电压U2。
19．如图所示，理想变压器为自耦变压器，原线圈接交流电源的两端，理想电压表V1的读数恒为U1，副线圈接阻值为R0的定值电阻和滑动变阻器R。调节自耦变压器以及滑动变阻器的滑片，当理想电压表V2的读数为U2时，电源的输入功率为P，则滑动变阻器R消耗的功率为（ ）
A．P(1−PR0U12)B．P(1−PR0U22)
C．P[1−PR0(U1+U2)2]D．P[1−PR0(U1−U2)2]
（多选）20．一个理想自耦变压器左端接交变电流，电压随时间变化的关系为u1=2202sin100πt(V)，右端接入如图所示电路，电压表和电流表均为理想表，灯泡L的额定电压为50V，R0为定值电阻，R为滑动变阻器，不计导线电阻。当开关S断开时，灯泡正常工作。以下说法正确的是（ ）
A．流过小灯泡的电流方向每秒变化50次
B．此时变压器原、副线圈电流之比为5：22
C．当自耦变压器的可动端Q向下移动时，R0消耗的功率减小
D．闭合开关S后，向下移动滑片P，电流表A1和电流表A2的示数都要减小
题型9 电压与电流互感器
【知识点的认识】
1.电压互感器：如图甲所示，原线圈并联在高压电路中，副线圈接电压表。互感器将高电压变为低电压，通过电压表测低电压，结合匝数比可计算出高压电路的电压。
（2）电流互感器：如图乙所示，原线圈串联在待测大电流电路中，副线圈接电流表。互感器将大电流变成小电流，通过电流表测出小电流，结合匝数比可计算出大电流电路的电流。
21．如图所示为从发电站到用户之间的高压输电线路图。将两个相同的电压互感器甲和乙分别接入远距离输电线路的前后端，电流互感器接入远距离输电线路。电压互感器的原副线圈匝数比为k：1，电流互感器的原副线圈匝数比为1：k，且k＞100。高压输电线路正常工作时，电压互感器甲、乙的示数分别为U1、U2，电流互感器的示数为I。则该远距离输电线路上的电阻r为（ ）
A．U1−U2IB．k2(U1−U2I)
C．1k2(U1−U2I)D．k(U1−U2I)
题型10 探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
【知识点的认识】
一、实验目的：U1一定时，n1，n2对U2的影响．
二、实验方法：控制变量法
n1一定，研究n2和U2的关系
n2一定，研究n1和U2的关系．
三、实验步骤：
1、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．
2、保持副线圈的匝数不变，研究原线圈的匝数对副线圈电压的影响
四、实验结论
通过实验分析表明，原，副线圈的电压之比，等于两个线圈的匝数之比．
四、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12v，即使这样，通电时不要用手接触裸露的导线，接线柱．
3、为了多用电表的安全，使用交流电压档测电压时，先用最大量程档测试，大致确定电压后在选择适当的档位进行测量．
22．在“探究变压器线圈两端的电压和匝数的关系”实验中，可拆变压器结构如图所示，
（1）变压器的铁芯，它的结构和材料是 ；（填字母）
A.整块硅钢铁芯
B.整块不锈钢铁芯
C.绝缘的硅钢片叠成
D.绝缘的铜片叠成
（2）如上中图所示，电源输出端与变压器原线圈的连接方式正确的是 （选填“甲”或“乙”）；使用多用电表测量电压时，应将选择开关置于 挡。
（3）用匝数na＝400匝和nb＝800匝的变压器，实验测量数据如上表所示：根据测量数据可判断原线圈匝数为 匝。（填“400”或“800”），实验数据中电压比与匝数比不严格相等，主要原因是 。
题型1 变压器的构造与原理
题型2 理想变压器两端的电压、电流与匝数的关系
题型3 理想变压器两端的功率关系
题型4 理想变压器两端的频率关系
题型5 变压器的动态分析——原线圈有负载
题型6 变压器的动态分析——原线圈无负载
题型7 结合图像解决变压器问题
题型8 自耦变压器
题型9 电压与电流互感器
题型10 探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
理想变压器
①没有能量损失；②没有磁通量损失
基本
关系
功率关系
原线圈的输入功率等于副线圈的输出功率P入＝P出
电压关系
原、副线圈的电压比等于匝数比，即U1U2=n1n2，与负载情况、副线圈个数的多少无关
电流关系
①只有一个副线圈：电流和匝数成反比，即I1I2=n2n1；
②多个副线圈：由输入功率和输出功率相等确定电流关系，即U1I1＝U2I2+U3I3+…+InUn
频率关系
原、副线圈中电流的频率相等
制
约
关
系
电压
副线圈电压U2由原线圈电压U1和匝数比决定，即U2=n2n1U1（原制约副）
功率
副线圈中的功率P2由用户负载决定，原线圈的输入功率P1由副线圈的输出功率P2决定，即P1＝P2（副制约原）
电流
原线圈的电流I1由副线圈的电流I2和匝数比决定，即I1=n2n1I2（副制约原）
理想变压器
①没有能量损失；②没有磁通量损失
基本
关系
功率关系
原线圈的输入功率等于副线圈的输出功率P入＝P出
电压关系
原、副线圈的电压比等于匝数比，即U1U2=n1n2，与负载情况、副线圈个数的多少无关
电流关系
①只有一个副线圈：电流和匝数成反比，即I1I2=n2n1；
②多个副线圈：由输入功率和输出功率相等确定电流关系，即U1I1＝U2I2+U3I3+…+InUn
频率关系
原、副线圈中电流的频率相等
制
约
关
系
电压
副线圈电压U2由原线圈电压U1和匝数比决定，即U2=n2n1U1（原制约副）
功率
副线圈中的功率P2由用户负载决定，原线圈的输入功率P1由副线圈的输出功率P2决定，即P1＝P2（副制约原）
电流
原线圈的电流I1由副线圈的电流I2和匝数比决定，即I1=n2n1I2（副制约原）
Ua/V
1.80
2.80
3.80
Ub/V
4.00
6.01
8.02