高三物理變壓器 電能的輸送教案

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1、高中物理輔導(dǎo)網(wǎng) §11.2 變壓器 電能的輸送 授課人：蕭縣中學(xué) 劉杰 教學(xué)目標(biāo)： 1．了解變壓器的工作原理; 2. 掌握理想變壓器的電流、電壓與匝數(shù)的關(guān)系;以及功率關(guān)系。 3．理解遠(yuǎn)距離輸電的原理，知道其中的功率和電壓損失。 教學(xué)重點(diǎn)：理想變壓器的電流、電壓與匝數(shù)的關(guān)系 教學(xué)難點(diǎn)：變壓器的工作原理 教學(xué)方法：講練結(jié)合 教學(xué)過程： 一、理想變壓器 1．理想變壓器的構(gòu)造、作用、原理及特征 構(gòu)造：兩組線圈（原、副線圈）繞在同一個(gè)閉合鐵芯上構(gòu)成變壓器．當(dāng)然也可以是多組線圈（一原線圈，多個(gè)副線圈）繞在同一個(gè)閉合鐵芯

2、上。 作用：在輸送電能的過程中改變電壓． 原理：其工作原理是利用了電磁感應(yīng)原理，互感現(xiàn)象。 特征：正因?yàn)槭抢秒姶鸥袘?yīng)現(xiàn)象來工作的，所以變壓器只能在輸送交變電流的電能過程中改變交變電壓．不能改變恒定電流的電壓。 2．理想變壓器的理想化條件及其規(guī)律． 在理想變壓器的原線圈兩端加交變電壓U1后，由于電磁感應(yīng)的原因，原、副線圈中都將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律有：， 忽略原、副線圈內(nèi)阻，有 U1＝E1 ，　U2＝E2 另外，考慮到鐵芯的導(dǎo)磁作用而且忽略漏磁，即認(rèn)為在任意時(shí)刻穿過原、副線圈的磁感線條數(shù)都相等，于是又有 由此便可得理想變壓器的電壓變化規(guī)律為

3、在此基礎(chǔ)上再忽略變壓器自身的能量損失（一般包括線圈內(nèi)能量損失和鐵芯內(nèi)能量損失這兩部分，分別俗稱為“銅損”和“鐵損”），有 而 而 于是又得理想變壓器的電流變化規(guī)律為 由此可見： （1）理想變壓器的理想化條件一般指的是：忽略原、副線圈內(nèi)阻上的分壓，忽略原、副線圈磁通量的差別，忽略變壓器自身的能量損耗。 （2）理想變壓器的規(guī)律實(shí)質(zhì)上就是法拉第電磁感應(yīng)定律和能的轉(zhuǎn)化與守恒定律在上述理想條件下的新的表現(xiàn)形式． 這里要求熟記理想變壓器的兩個(gè)基本公式是： ⑴ ，即對(duì)同一變壓器的任意兩個(gè)線圈，都有電壓和匝數(shù)成正比。 ⑵P入=P出，即無論有幾個(gè)副線圈在工作，變壓器的輸入

4、功率總等于所有輸出功率之和。 需要特別引起注意的是： ⑴只有當(dāng)變壓器只有一個(gè)副線圈工作時(shí)，才有： ⑵變壓器的輸入功率由輸出功率決定，往往用到：，即在輸入電壓確定以后，輸入功率和原線圈電壓與副線圈匝數(shù)的平方成正比，與原線圈匝數(shù)的平方成反比，與副線圈電路的電阻值成反比。式中的R表示負(fù)載電阻的阻值，而不是“負(fù)載”?！柏?fù)載”表示副線圈所接的用電器的實(shí)際功率。實(shí)際上，R越大，負(fù)載越小；R越小，負(fù)載越大。這一點(diǎn)在審題時(shí)要特別注意。 3.兩種常見的變壓器 （1）自耦變壓器：鐵芯上只繞一個(gè)線圈，可升壓，可降壓。 （2） 互感器（外殼和副線圈要接地） 電壓互感器：要把高電壓變?yōu)榈碗妷?，原線圈的匝數(shù)

5、比副線圈的匝數(shù)多，測(cè)高電壓。 電流互感器：要把大電流變?yōu)樾‰娏?，原線圈的匝數(shù)比副線圈的匝數(shù)少，測(cè)小電流。 【例1】n2 L n3 R 220V n1 理想變壓器初級(jí)線圈和兩個(gè)次級(jí)線圈的匝數(shù)分別為n1=1760匝、n2=288匝、n3=800 0匝，電源電壓為U1=220V。n2上連接的燈泡的實(shí)際功率為36W，測(cè)得初級(jí)線圈的電流為I1=0.3A，求通過n3的負(fù)載R的電流I3。 解：由于兩個(gè)次級(jí)線圈都在工作，所以不能用I∝1/n，而應(yīng)該用P1=P2+P3和U∝n。由U∝n可求得U2=36V，U3=1000V；由U1I1=U2I2+U3I3和I2=1A可得I3=0.03A

6、。 【例2】在變電站里，經(jīng)常要用交流電表去監(jiān)測(cè)電網(wǎng)上的強(qiáng)電流，所用的器材叫電流互感器。如下所示的四個(gè)圖中，能正確反應(yīng)其工作原理的是 A A A A 零線 火線 火線 零線 零線 火線 零線 火線 A. B. C. D. 解：電流互感器要把大電流變?yōu)樾‰娏?，因此原線圈的匝數(shù)少，副線圈的匝數(shù)多。監(jiān)測(cè)每相的電流必須將原線圈串聯(lián)在火線中。選A。 4．解決變壓器問題的常用方法 思路1 電壓思路.變壓器原、副線圈的電壓之比為U1/U2=n1/n2；當(dāng)變

7、壓器有多個(gè)副繞組時(shí)U1/n1=U2/n2=U3/n3=…… 思路2 功率思路.理想變壓器的輸入、輸出功率為P入=P出，即P1=P2；當(dāng)變壓器有多個(gè)副繞組時(shí)P1=P2+P3+…… 思路3 電流思路.由I=P/U知，對(duì)只有一個(gè)副繞組的變壓器有I1/I2=n2/n1；當(dāng)變壓器有多個(gè)副繞組時(shí)n1I1=n2I2+n3I3+…… 思路4 （變壓器動(dòng)態(tài)問題）制約思路. （1）電壓制約：當(dāng)變壓器原、副線圈的匝數(shù)比（n1/n2）一定時(shí)，輸出電壓U2由輸入電壓決定，即U2=n2U1/n1，可簡(jiǎn)述為“原制約副”. （2）電流制約：當(dāng)變壓器原、副線圈的匝數(shù)比（n1/n2）一定，且輸入電壓U1確定時(shí)，原線圈中

8、的電流I1由副線圈中的輸出電流I2決定，即I1=n2I2/n1，可簡(jiǎn)述為“副制約原”. （3）負(fù)載制約：①變壓器副線圈中的功率P2由用戶負(fù)載決定，P2=P負(fù)1+P負(fù)2+…；②變壓器副線圈中的電流I2由用戶負(fù)載及電壓U2確定，I2=P2/U2；③總功率P總=P線+P2. 動(dòng)態(tài)分析問題的思路程序可表示為： U1P1 思路5 原理思路.變壓器原線圈中磁通量發(fā)生變化，鐵芯中ΔΦ/Δt相等；當(dāng)遇到“”型變壓器時(shí)有 ΔΦ1/Δt=ΔΦ2/Δt+ΔΦ3/Δt， 此式適用于交流電或電壓（電流）變化的直流電，但不適用于穩(wěn)壓或恒定電流的情況. 【例3】如圖，為一理想變壓器，K為單刀雙擲開關(guān)，P為滑動(dòng)

9、變阻器的滑動(dòng)觸頭，U1為加在原線圈兩端的電壓，I1為原線圈中的電流強(qiáng)度，則 A.保持U1及P的位置不變，K由a合到b時(shí)，I1將增大 B.保持U1及P的位置不變，K由b合到a時(shí)，R消耗的功率減小 C.保持U1不變，K合在a處，使P上滑，I1將增大 D.保持P的位置不變，K合在a處，若U1增大，I1將增大 命題意圖：以變壓器動(dòng)態(tài)問題為背景考查考生綜合分析能力及邏輯思維能力. 錯(cuò)解分析：部分考生對(duì)變壓器工作原理理解不深刻，辨不清原副線圈中的變量與不變量，理不明各量間"誰(shuí)制約誰(shuí)"的制約關(guān)系；導(dǎo)致錯(cuò)選. 解析：K由a合到b時(shí)，n1減小，由U1/U2=n1/n2，可知U2增大，P2=U22/

10、R隨之增大，而P1=P2，又P1=I1U1，從而I1增大，A正確；K由b合到a時(shí)，與上述情況相反，P2將減小，B正確；P上滑時(shí)，R增大，P2=U22/R減小，又P1=P2，P1=I1U1，從而I1減小，C錯(cuò)誤；U1增大，由U1/U2=n1/n2可知，U2增大，I2=U2/R隨之增大，由I1/I2=n2/n1可知I1也增大，D正確.故選項(xiàng)A、B、D正確. 【例4】一臺(tái)理想變壓器原線圈匝數(shù)n1=1100匝，兩個(gè)副線圈的匝數(shù)分別是n2=60匝，n3=600匝，若通過兩個(gè)副線圈中的電流強(qiáng)度分別是I2=1 A，I3=4 A，求原線圈中的電流強(qiáng)度. 命題意圖：考查考生分析推理能力. 錯(cuò)解分析：違背能

11、量守恒，生搬硬套公式，得出：，I1=3 A的錯(cuò)解. 解析：電流強(qiáng)度與匝數(shù)成反比，僅適用于理想變壓器只有一只副線圈的情況，本題有兩個(gè)副線圈，應(yīng)根據(jù)理想變壓器無能量損失來分析，由于理想變壓器無能量損失，所以有P1=P2+P3（P1為原線圈輸入功率，P2、P3分別為兩只副線圈的輸出功率） 根據(jù)電功率公式有：I1U1=I2U2+I3U3 ① 又因?yàn)椋琔2= ② ，U3=U1 ③ 把②③代入①，整理得：I1n1=I2n2+I3n3 所以I1=A=2.24 A 二、遠(yuǎn)距離輸電 一定要畫出遠(yuǎn)距離輸電的示意圖來，包括發(fā)電機(jī)、兩

12、臺(tái)變壓器、輸電線等效電阻和負(fù)載電阻。并按照規(guī)范在圖中標(biāo)出相應(yīng)的物理量符號(hào)。一般設(shè)兩個(gè)變壓器的初、次級(jí)線圈的匝數(shù)分別為、n1、n1/ n2、n2/，相應(yīng)的電壓、電流、功率也應(yīng)該采用相應(yīng)的符號(hào)來表示。 從圖中應(yīng)該看出功率之間的關(guān)系是：P1=P1/，P2=P2/，P1/=Pr=P2。 電壓之間的關(guān)系是：。 電流之間的關(guān)系是：。 可見其中電流之間的關(guān)系最簡(jiǎn)單，中只要知道一個(gè)，另兩個(gè)總和它相等。因此求輸電線上的電流往往是這類問題的突破口。 輸電線上的功率損失和電壓損失也是需要特別注意的。分析和計(jì)算時(shí)都必須用，而不能用。 特別重要的是要會(huì)分析輸電線上的功率損失，由此得出結(jié)論： ⑴減少輸電線

13、功率損失的途徑是提高輸電電壓或增大輸電導(dǎo)線的橫截面積。兩者相比，當(dāng)然選擇前者。⑵若輸電線功率損失已經(jīng)確定，那么升高輸電電壓能減小輸電線截面積，從而節(jié)約大量金屬材料和架設(shè)電線所需的鋼材和水泥，還能少占用土地。 需要引起注意的是課本上強(qiáng)調(diào)：輸電線上的電壓損失，除了與輸電線的電阻有關(guān)，還與感抗和容抗有關(guān)。當(dāng)輸電線路電壓較高、導(dǎo)線截面積較大時(shí)，電抗造成的電壓損失比電阻造成的還要大。 ~ R 【例5】 學(xué)校有一臺(tái)應(yīng)急備用發(fā)電機(jī)，內(nèi)阻為r=1Ω，升壓變壓器匝數(shù)比為1∶4，降壓變壓器的匝數(shù)比為4∶1，輸電線的總電阻為R=4Ω，全校22個(gè)教室，每個(gè)教室用“220V，40W”的燈6盞，要求所有燈都正常發(fā)

14、光，則：⑴發(fā)電機(jī)的輸出功率多大？⑵發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)多大？⑶輸電線上損耗的電功率多大？ 解：⑴所有燈都正常工作的總功率為22×6×40=5280W，用電器總電流為A，輸電線上的電流A，降壓變壓器上：U2=4U2/=880V，輸電線上的電壓損失為：Ur=IRR=24V ，因此升壓變壓器的輸出電壓為U1/=UR+U2=904V，輸入電壓為U1=U1//4=226V，輸入電流為I1=4I1/=24A，所以發(fā)電機(jī)輸出功率為P出=U1I1=5424W ⑵發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)E=U1+I1r=250V ⑶輸電線上損耗的電功率PR=IR2R=144W 【例6】 在遠(yuǎn)距離輸電時(shí)，要考慮盡量減少輸電線上的功率損失

15、。有一個(gè)坑口電站，輸送的電功率為P=500kW，當(dāng)使用U=5kV的電壓輸電時(shí)，測(cè)得安裝在輸電線路起點(diǎn)和終點(diǎn)處的兩只電度表一晝夜示數(shù)相差4800度。求：⑴這時(shí)的輸電效率η和輸電線的總電阻r。⑵若想使輸電效率提高到98%，又不改變輸電線，那么電站應(yīng)使用多高的電壓向外輸電？ 解；⑴由于輸送功率為P=500kW，一晝夜輸送電能E=Pt=12000度，終點(diǎn)得到的電能E /=7200度，因此效率η=60%。輸電線上的電流可由I=P/U計(jì)算，為I=100A，而輸電線損耗功率可由Pr=I 2r計(jì)算，其中Pr=4800/24=200kW，因此可求得r=20Ω。 ⑵輸電線上損耗功率，原來Pr=200

16、kW，現(xiàn)在要求Pr/=10kW ，計(jì)算可得輸電電壓應(yīng)調(diào)節(jié)為U / =22.4kV。 【例7】發(fā)電機(jī)輸出功率為100 kW，輸出電壓是250 V，用戶需要的電壓是220 V，輸電線電阻為10 Ω.若輸電線中因發(fā)熱而損失的功率為輸送功率的4%，試求： （1）在輸電線路中設(shè)置的升、降壓變壓器原副線圈的匝數(shù)比. （2）畫出此輸電線路的示意圖. （3）用戶得到的電功率是多少？ 解析：輸電線路的示意圖如圖所示， 輸電線損耗功率P線=100×4% kW=4 kW，又P線=I22R線 輸電線電流I2=I3=20 A 原線圈中輸入電流I1= A=400 A 所以 這樣U2=U1=250×2

17、0 V=5000 V U3=U2-U線=5000-20×10 V=4800 V 所以 用戶得到的電功率P出=100×96% kW=96 kW 三、針對(duì)訓(xùn)練 1.（1995年上海）如圖所示，理想變壓器的輸入端接正弦交流電，副線圈上通過輸電線接有兩個(gè)相同的燈泡L1和L2；輸電線的等效電阻為R，開始時(shí)，電鍵K斷開.當(dāng)K接通時(shí)，以下說法中正確的是 A.副線圈的兩端M、N的輸出電壓減小 B.副線圈輸電線等效電阻R上的電壓增大 C.通過燈泡L1的電流減小 D.原線圈中的電流增大 2.如圖所示，理想變壓器輸入電壓U1一定，兩個(gè)副線圈的匝數(shù)分別為n2和n3，當(dāng)把同一個(gè)電阻先后接在a、b間和

18、c、d間時(shí)，通過電阻的電流和電阻兩端的電壓分別為I2、U2和I3、U3，變壓器輸入的電流分別為I1，I1′，則 A. B. C. D.U1（I1+I1′）=U2I2+U3I3 3.（1996年上海）如圖所示，在繞制變壓器時(shí)，某人誤將兩個(gè)線圈繞在圖示變壓器鐵芯的左右兩個(gè)臂上，當(dāng)通以交流電時(shí)，每個(gè)線圈產(chǎn)生的磁通量都只有一半通過另一個(gè)線圈，另一半通過中間的臂，已知線圈1、2的匝數(shù)比為N1∶N2=2∶1，在不接負(fù)載的情況下 A.當(dāng)線圈1輸入電壓220 V時(shí)，線圈2輸出電壓為110 V B.當(dāng)線圈1輸入電壓220 V時(shí)，線圈2輸出電壓為55 V C.當(dāng)線圈2輸入電壓110

19、V時(shí)，線圈1輸出電壓為220 V D.當(dāng)線圈2輸入電壓110 V時(shí)，線圈1輸出電壓為110 V 4.在某交流電路中，有一正在工作的變壓器，原、副線圈匝數(shù)分別為n1=600，n2=120，電源電壓U1=220 V，原線圈中串聯(lián)一個(gè)0.2 A的保險(xiǎn)絲，為保證保險(xiǎn)絲不被燒毀，則 A.負(fù)載功率不能超過44 W B.副線圈電流最大值不能超過1 A C.副線圈電流有效值不能超過1 A D.副線圈電流有效值不能超過0.2 A 5.如圖（a）、（b）所示，當(dāng)圖中a、b兩端與e、f兩端分別加上220 V的交流電壓時(shí)，測(cè)得c、d間與g、h間的電壓均為110 V.若分別在c、d兩端與g、h兩端加上11

20、0 V的交流電壓，則a、b與e、f間的電壓為 A.220 V，220 V B.220 V，110 V C.110 V，110 V D.220 V，0 6.一理想變壓器原線圈接交流電源，副線圈接電阻，則下列哪些方法可使輸入功率增加為原來的2倍 A.次級(jí)線圈的匝數(shù)增加為原來的2倍 B.初級(jí)線圈的匝數(shù)增加為原來的2倍 C.負(fù)載電阻變?yōu)樵瓉淼?倍 D.副線圈匝數(shù)和負(fù)載電阻均變?yōu)樵瓉淼?倍 7.如圖所示，變壓器的原、副線圈的匝數(shù)比一定，原線圈的電壓為U1時(shí)，副線圈的輸出電壓為U2，L1、L2、L3為三只完全相同的電燈，開始時(shí)，電鍵K開啟，然后當(dāng)電鍵K閉合時(shí) A.

21、電壓U1不變，U2變大 B.電燈L1變亮，L2變暗 C.電燈L1變暗，L2變亮 D.原線圈中的電流變大 8.如圖所示，理想變壓器原、副線圈匝數(shù)n1∶n2∶n3=3∶2∶1，副線圈Ⅱ上接有“8 V，8 W”的燈泡L1、L2，副線圈Ⅲ上接有“6 V，9 W”的燈泡L3、L4，原線圈上接有電阻R1=3 Ω，當(dāng)a、b兩端接交變電源后，L1、L2正常發(fā)光，則交變電源的輸出功率為 A.24 W B.34 W C.36 W D.72 W 9.如圖18-8，已知n1∶n2=4∶3，R2=100 Ω，變壓器沒有功率損耗，在原線圈上加上交流電壓U1=40 sin100πtV，則R2上的發(fā)熱功

22、率是________W.若R3=25 Ω，發(fā)熱功率與R2一樣，則流過原線圈的電流I1和流過R3的電流I3之比為________. 參考答案： 1.BCD 2.ABCD 3.BD 4.AC 5.B 6.D 7.BD 8.C 9.4.5；3∶4 附：課前預(yù)習(xí)提綱 1、變壓器是一種能改變　　　　電壓的設(shè)備．它是由一個(gè)閉合鐵芯和繞在鐵芯上的兩個(gè)線圈組成的，跟電源相連的叫　　　線圈，跟負(fù)載相連的叫　　　線圈．理想變壓器的輸入功率　　　輸出功率． 2、在輸電導(dǎo)線上，由于電流的　　　效應(yīng)，必然有一部分　　　能轉(zhuǎn)化成　　而損失掉，導(dǎo)線越長(zhǎng)，損失越　　　?。鶕?jù)焦耳定律表達(dá)式Ｑ＝　　　　　可知，可以有兩種方法來減少送電中的電能損失，一種是　　　　，另一種是　　?。@兩種方法中，適用于遠(yuǎn)距離輸電的是　　　　　，即利用變壓器提高送電的電壓． 3、關(guān)于變壓器的幾個(gè)公式：電壓與匝數(shù)關(guān)系是　　　　　　　　　　??；電流與匝數(shù)關(guān)系是　　　　　　　　?。惠斎牍β逝c輸出功率關(guān)系是　　　　　　　?。⑶覒?yīng)注意，原副線圈交流電的頻率一定　　　　　，且輸入的功率由輸出功率決定． 11 京翰教育中心