新高考物理一轮复习知识梳理+分层练习专题67 变压器及远距离输电（含解析）

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2023届高三物理一轮复习多维度导学与分层专练专题67  变压器及远距离输电导练目标导练内容目标1理想变压器原理与基本关系目标2理想变压器的动态分析目标3远距离输电【知识导学与典例导练】一、理想变压器原理与基本关系理想变压器没有能量损失(铜损、铁损)，没有磁通量损失(磁通量全部集中在铁芯中)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，U1∶U2＝n1∶n2，与负载的多少无关电流关系只有一个副线圈时，I1∶I2＝n2∶n1；有多个副线圈时，由P入＝P出即I1U1＝I2U2＋I3U3＋…＋InUn得I1n1＝I2n2＋I3n3＋…＋Innn频率关系f1＝f2(变压器不改变交流电的频率)处理技巧等效电阻【例1】如图为日常生活中常见的点火装置原理图，先将直流电压通过转换器转换为正弦式交变电压，然后将其加在理想变压器的原线圈n1上，当副线圈n2两端电压达到以上时放电针之间空气被击穿，从而引发电火花点燃气体。下列说法正确的是（　　）A．原线圈两端所接交流电压表的读数为4.24 VB．副线圈中交流电压与原线圈中交流电压频率不相等C．要实现点火则副线圈与原线圈的匝数比至少大于D．要实现点火则副线圈与原线圈的匝数比至少大于2 000【答案】AD【详解】A．根据题意可知，原线圈两端电压的最大值为则有效值为即电压表示数为，故A正确；B．变压器不能改变频率，故副线圈中交流电压与原线圈中交流电压频率相等，故B错误；CD．当变压器副线圈电压的瞬时值大于时，就会在放电针间引发电火花进而点燃气体，转换器所输出的正弦式交变电压最大值为6 V，根据电压与匝数成正比，所以实现点火的条件是故C错误，D正确。故选AD。【例2】如图所示为某水电站输电线路原理图，水电站输出电压稳定的正弦交流电，升至特高压U后向远距离用户供电，总功率为P。用户端理想变压器原、副线圈匝数分别为和，为输电线总电阻，为不断电用户电阻（可视为定值电阻），R为可变用户电阻（可视为可变电阻），电压表和电流表均为理想电表。当可变用户电阻R增大时，下列说法正确的是（　　）A．电流表示数将变大B．电压表示数将变大C．输电线路上损耗的功率为D．对于原线圈回路，虚线框所圈部分的等效电阻为【答案】BD【详解】AB．由闭合电路欧姆定律可知，当可变电阻R增大时，副线圈中的电流将减小，则电流表示数会变小，从而原线圈中电流也会变小，原线圈电压将增大，副线圈电压也将增大，电压表示数将增大，故A错误，B正确；CD．设虚线框所圈部分的等效电阻为，由，结合和，联立可得则上消耗的功率为故C错误，D正确。故选BD。二、理想变压器的动态分析匝数比不变的情况负载电阻不变的情况(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决定输入电流I1，可以判断I1的变化。(3)I2变化引起P2变化，根据P1＝P2，可以判断P1的变化。(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P1＝P2，可以判断P2变化时，P1发生变化，U1不变时，I1发生变化。【例3】如图所示，一理想变压器原线圈连接正弦交流电源、电阻R1和电流表A1，副线圈连接电压表V、电流表A2和滑动变阻器R2，电路中电表均为理想电表，将滑动变阻器R2的滑片向下滑动过程中，下列说法正确的是（　　）A．电压表V示数不变B．电流表A1示数变小C．电流表A2示数变大D．电流表A1与电流表A2示数比值不变【答案】CD【详解】ABC．将变压器、R1、电流表A1及电源等效成一个有内阻的电源，而电流表A2、电压表和R2为外电路，当滑动变阻器R2的滑片向下滑动过程中，相当于外电路的电阻减小，电流I2增大，即电流表A2的示数变大，根据原、副线圈电流与匝数的关系电流I2增大，I1增大，即电流表A1示数变大，R1的分压变大，则原线圈两端的电压U1变小，根据原、副线圈电压与匝数的关系原线圈两端的电压U1变小，U2变小，即电压表V示数变小，故AB错误，C正确；D．由于原、副线圈的电流之比为所以电流表A1与电流表A2示数比值不变，故D正确。故选CD。【例4】如图所示，电源输出电压不变，要使电路中电流表示数变大，可采用的方法（　　）A．将R上的滑片向上移动 B．将R上的滑片向下移动C．将开关S掷向1 D．将开关S掷向2【答案】AD【详解】A．输入的电压和匝数比不变，输出的电压也不变，当滑片向上移动时，副线圈所在电路的电阻变小，所以电流要增加，电流表示数增大，A正确；B．当滑片向下移动时，副线圈所在电路的电阻变大，所以电流要变小，B错误；C．由电压与匝数成正比可得故输出电压为将开关S掷向1，原线圈的匝数变大，副线圈的输出电压要减小，副线圈所在电路的电阻不变，所以电流要减小，C错误；D．由上述分析可知，将开关S掷向2时，原线圈的匝数减小，副线圈的输出电压要变大，副线圈所在电路的电阻不变，所以电流要增大，D正确。故选AD。三、远距离输电远距离输电问题中的“三 二 一”1．理清三个回路2．抓住两个联系(1)理想的升压变压器联系着回路1和回路2，由变压器原理可得：线圈1(匝数为n1)和线圈2(匝数为n2)中各个量间的关系是＝，＝，P1＝P2。(2)理想的降压变压器联系着回路2和回路3，由变压器原理可得：线圈3(匝数为n3)和线圈4(匝数为n4)中各个量间的关系是＝，＝，P3＝P4。3．掌握一个守恒 能量守恒关系式P1＝P损＋P4。4.电压损失和功率损失的计算（1）电压损失：输电线路上I2＝I线＝I3，总电阻R线导致的电压损失ΔU＝U2－U3＝I线R线。（2）功率损失： ①P损＝P1－P4 ②P损＝I线·ΔU＝IR线＝2R线注意：(1)当输送功率一定时，输电电压增大到原来的n倍，输电线上损耗的功率减小到原来的。(2)不要把输电线上的输电电压U2和输电线上损失的电压ΔU相混淆。【例5】如图是远距离输电的电路示意图，升压变压器和降压变压器均为理想变压器，升压变压器原、副线圈匝数为，降压变压器原、副线圈匝数比为，发电厂输出电压为，输出电功率为P，升压变压器和降压变压器之间输电线总电阻为R。下列说法正确的是（    ）A．若用户获得的电压也为，则B．用户端并联使用的用电器增多时，输电线上损失的功率增大C．输电线上损失的电压D．降压变压器输出的电功率【答案】BC【详解】A．升压变压器副线圈两端的电压若用户获得的电压也为，则降压变压器的输入电压由于输电线上有电压损失，故即得，A错误；B．用户端使用的用电器增多时，电阻减小，降压变压器副线圈中电流增大，通过输电线的电流增大，输电线上损失的功率增大，B正确；C．输电线上的电流则输电线上损失的电压，C正确；D．输电线上损失的功率则降压变压器输出电功率为，D错误。故选BC。【多维度分层专练】1．如图，理想变压器输入端电压随时间变化为，在原线圈回路中串联阻值为R的电阻，a、b、c为副线圈上的3个抽头。若仅在抽头a、b间接入阻值为R的电阻，原线圈回路中电阻R消耗的功率为P；若仅在抽头b、c间接入阻值为的电阻，原线圈回路中电阻R消耗的功率也为P。已知原线圈匝数与a、b间线圈匝数之比为，下列说法正确的是（　　）A．a、b间线圈匝数与b、c间线圈匝数之比为B．原线圈匝数与b、c间线圈匝数之比为C．仅在抽头a、b间接入电阻R时，a、b两端电压为D．仅在抽头b、c间接入电阻R时，b、c两端电压为【答案】A【详解】AB．因为原线圈回路中电阻R消耗的功率为P，保持不变，根据公式知，原线圈回路中电流不变，根据能量守恒有，根据理想变压器原副线圈电流与匝数关系可知，由题知联立得，故A正确，B错误；CD．在原线圈回路中，有，解得；故CD错误。故选A。2．如图，理想变压器原、副线圈总匝数相同，滑动触头P1初始位置在副线圈正中间，输入端接入电压有效值恒定的交变电源。定值电阻R1的阻值为R，滑动变阻器R2的最大阻值为9R，滑片P2初始位置在最右端。理想电压表Ⓥ的示数为U，理想电流表Ⓐ的示数为I。下列说法正确的是（　　）A．保持P1位置不变，P2向左缓慢滑动的过程中，I减小，U不变B．保持P1位置不变，P2向左缓慢滑动的过程中，R1消耗的功率增大C．保持P2位置不变，P1向下缓慢滑动的过程中，I减小，U增大D．保持P2位置不变，P1向下缓慢滑动的过程中，R1消耗的功率减小【答案】B【详解】AB．根据原副线圈两端的电流和电压的比值关系可知，原线圈部分的等效电阻与副线圈的电阻的比值关系为可知此电路的等效电路如图所示，保持P1位置不变，P2向左缓慢滑动的过程中，即原、副线圈的匝数比保持不变，R2接入电路的阻值减小，则由上述分析可知，原线圈位置的等效电阻保持不变，因为滑动变阻器的电阻变小，则电流I变大，原线圈等效电阻两端电压变大，得此时U变小。电流I变大，副线圈电流也变大，得R1消耗的功率增大，A错误，B正确；C．保持P2位置不变，P1向下缓慢滑动的过程中，n2减小，等效电阻增大，电流I减小，则电压表的示数减小，C错误；D．滑动触头P1初始位置在副线圈正中间，此时等效电阻的阻值为保持P2位置不变，P1向下缓慢滑动的过程中，则副线圈的匝数变小，相当于原线圈位置的等效电阻增大；由电路知识可知，当等效电阻的阻值等于R2时，即此时等效电阻为9R时，原线圈等效电阻的此时消耗的功率最大，根据输出功率等于输入功率可得此时R1消耗的功率最大；当等效电阻的阻值大于9R时，P1向下缓慢滑动时，等效电阻的输入功率减小，得此时R1消耗的电功率减小，所以R1消耗的功率先增大后减小，D错误。故选B。3．玉门有充沛的风力资源。风力发电是最环保的发电方式之一。远距离输电是实现风电产业健康快速发展的必要因素之一。某同学模拟“远距离输电”，将实验室提供的器材连接成如图所示电路，A、B为理想变压器，灯L1、L2相同且阻值不变。保持A的输入电压不变，开关S断开时，灯L1正常发光。则（　　）A．仅闭合S，L1变亮B．仅闭合S，A的输入功率变小C．仅将滑片P上移，L1变亮D．仅将滑片P上移，A的输入功率变小【答案】D【详解】AB．仅闭合S，用户端用电器增多，消耗的功率增大，对于理想变压器输入功率等于输出功率，则A端输入功率增大，由于A的输入电压不变，则电流增大，输电线电阻R两端的电压增大，理想变压器B原副线圈的电压减小，即L1两端电压减小，电流减小，L1变暗，故AB错误；CD．仅将滑片上移，A的副线圈匝数减小，根据原副线圈电压与匝数的关系，n2减小，U2减小，则B的输入电压和输出电压都减小，即L1两端电压减小，电流减小，L1变暗，电路中总电流减小，A的原线圈中的电流减小，输入电压不变，所以输入功率变小，故C错误，D正确。故选D。4．如图所示为某型号电吹风电路图，a、b、c、d为四个固定触点。可动的扇形金属触片P可同时接触两个触点。触片P处于不同位置时，电吹风可处于停机、吹热风和吹冷风三种工作状态。该电吹风吹热风时输入功率为500W，吹冷风时输入功率为60W。小风扇额定电压为60V，正常工作时小风扇输出功率为50W。和分别是理想变压器原、副线圈的匝数。则（　　）A．吹冷风时触片P位于ab之间B．吹热风时通过电热丝的电流为1AC．小风扇的内阻是10ΩD．变压器原、副线圈的匝数比【答案】CD【详解】A．由图示电路图可知，触片P若同时接触两个触点b和c，只有小风扇接入电路，只有小风扇工作，电吹风处于吹冷风工作状态，A错误；B．吹热风时，电热丝消耗的功率为P=500W-60W=440W则电热丝中的电流为，B错误；C．吹冷风时只有小风扇工作，电流为则小风扇内阻消耗的功率为解得r=10Ω，C正确；D．变压器的原线圈、副线圈的匝数比为 ，D正确。故选CD。5．某无级充电装置的原理如图所示，该装置主要由供电线圈和受电线圈组成，可等效为一个理想变压器，从受电线圈输出的交流电经过转化装置变为直流电给电池充电。已知供电线圈匝数大于受电线圈匝数，供电线路中保护电阻R=50Ω，其余电阻不计。充电时，供电线圈接有效值的正弦交流电，受电线圈cd端的输出电压、输出电流，下列说法正确的是（　　）A．cd端电压的最大值为B．供电线圈和受电线圈匝数比为10：1C．充电时，ab端的输入功率为80WD．若输入端ab接220V直流电，也能进行充电【答案】AB【详解】A．cd端输出电压为正弦交流电压，最大值为有效值的倍，即，故A正确；B．由变压器电压与匝数的关系得由欧姆定律得解得故B正确；C．ab端的输入功率故C错误；D．变压器不能在直流电下工作，故D错误。故选AB。6．如图甲所示的电路中，理想变压器原线圈接图乙所示的正弦交变电压。闭合S后，额定电压为20V的用电器正常工作，理想交流电流表A的示数为0.1A。已知图中元件D具有正向电流导通、反向电流截止的作用。下列判断正确的是（　　）A．交变电流的频率为100HzB．变压器原、副线圈匝数比为11∶1C．用电器的额定功率为22WD．在用电器电阻不变的情况下断开开关S，用电器功率将变为原来的一半【答案】CD【详解】A．由交变电压的u-­t图像可知周期为T=0.02 s，则频率为f==50 Hz，A错误；B．因用电器正常工作，故副线圈输出电压的有效值为U2=20 V，原线圈输入电压的有效值为U1=220 V，因此原、副线圈的匝数比为，B错误；C．由以上可知副线圈的输出电流为I2=I1=1.1 A则用电器的额定功率为P=UI2=22 W，C正确；D．由元件D的特点可知，开关断开后，根据可知用电器两端电压的有效值减为原来的，则功率减为原来的一半，D正确。故选CD。7．如图所示，理想变压器原线圈接正弦交流电，副线圈回路中接有小灯泡（6V   12W）和交流电动机M，闭合开关S，小灯泡和电动机均正常工作，电流表A1和A2示数分别为2A和6A，已知电动机内阻为0.25Ω，则下列说法正确的是（　　）A．交流电压的最大值为V B．电压表示数为24VC．变压器的输入功率为48W D．电动机的输出功率为9W【答案】BC【详解】AB．次级电流次级电压U2=6V，初级电流为I1=2A根据I1U1=I2U2解得U1=24V则交流电压的最大值为选项A错误，B正确；C．变压器输入功率P1=I1U1=48W选项C正确；D．电动机的输出功率为选项D错误。故选BC。8．如图所示，理想变压器原、副线圈匝数比为，左侧A、C两点间接入交流电源U，定值电阻接在原线圈两端，电阻箱接在副线圈两端，初始状态。则（　　）A．电阻箱中的电流为 B．电阻箱中的电流为C．若减小阻值，电压表示数都增大 D．若增大阻值，电压表示数都增大【答案】BD【详解】AB．设副线圈的电压为，则通过副线圈的电流为根变压器的变压比有；解得原线圈；则通过的电流通过的电流根据电路连接情况可得整理得结合，初始时，解得则选项A错误，B正确；CD．V1、V2的示数分别为原、副线圈的电压。由代入及得若增大，则减小，由于为定值，可知增大；再由可知增大。同理可知若减小，则增大，可知减小、减小，选项C错误，D正确。故选BD。9．如图所示为远距离输电的简易图，M和N为现想升压变压器和理想降压变压器，已知变压器M的原、副线圈匝数比为k，变压器N的原、副线圈匝数比为，交压器M原、副线圈两端的电压分别为，，变压器N原，副线圈两端的电压分别为、，发电厂输出电压恒定，输电线的总电阻为r。则下列说法正确的是（　　）A．B．流过变压器M原线圈的电流等于流过变压器N副线圈的电流C．用户增多，、均不变，、均减小D．用户增多，输电线消耗的电功率减小【答案】BC【详解】A．由变压器的原理可知；设输电线上损失的电压为，有则有，故A项错误；B．设通过变压器M原、副线圈的电流为、，通过变压器N原、副线圈的电流为、。则由变压器原理有；解得故B项正确；CD．变压器M原、副线圈匝数比不变，原线圈输入电压不变，所以副线圈输出电压不变，即、不变，由则有用户增多时，负载总电阻减小，所以流过变压器N副线圈的电流增大，原线圈中的电流也随之增大，由可知，输电线消耗的功率增大，有可知，增大，由，减小。由可知减小，故C项正确，D项错误。故选BC。10．在小明的家乡有一座某小型发电站，高压输电过程如图所示。升压变压器原、副线圈两端的电压分别为U1和U2，降压变压器原、副线圈两端的电压分别为U3和U4。在输电线路的起始端接入两个互感器，两个互感器原、副线圈的匝数比分别为20：1和1：20，各互感器和电表均为理想的，则下列说法正确的是（　　）A．若电压表的示数为220V，电流表的示数为10A，则线路输送电功率为2200WB．两互感器均起到降压作用C．若保持发电机输出电压U1一定，仅将滑片Q下移，则输电线损耗功率减少D．若保持发电机输出电压U1一定，仅将滑片Q下移，则输电线损耗功率增加【答案】D【详解】A．由题意，根据理想变压器变压和变流规律可得解得U2＝4400V；I2＝200A所以线路输送的电功率为P＝U2I2＝4400×200W＝880kW故A错误；B．两个互感器原、副线圈的匝数比分别为20：1和1：20，电压互感器电压与匝数成正比，起到降压的作用，电流互感器电流与匝数成反比，起到降流的作用，故B错误；CD．由理想变压器变压规律可得则若保持发电机输出电压U1一定，仅将滑片Q下移，增大，U2增大。根据闭合电路欧姆定律有U3＝U2﹣I2r根据理想变压器变压和变流规律有；设用户端总电阻为R，则有联立解得若保持发电机输出电压U1和用户数一定，仅将滑片Q下移，则输电电压U2增大，R不变，所以输电电流I2增大，而输电线损耗功率为所以输电线损耗功率增大，故C错误，D正确。故选D。