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1、高中物理新人教版选修 系列课件 第五章 交变电流 第四节 变压器 教学目标 一 知识与技能1 知道变压器的构造 了解变压器的工作原理 2 理解理想变压器原 副线圈中电压与匝数的关系 能应用它分析解决有关问题 二 过程与方法在探究变压比和匝数比的关系中培养学生运用物理理想化模型分析问题 解决问题的能力 三 情感 态度与价值观1 使学生体会到能量守恒定律是普遍适用的 2 培养学生实事求是的科学态度 教学重点 探究变压比和匝数比的关系 教学难点 探究变压比和匝数比的关系 教学方法 实验探究法 阅读法 讲解法 教学手段 学生电源 可拆变压器 交流电压表 交流电流表 灯泡 变压器 照明灯电压 220伏机
2、床上照明灯 36伏半导体收音机电源电压不超过10伏大型发电机交流电压 几万伏远距离输电 几十万伏电视机显像管却需要10000V以上电压交流便于改变电压 以适应各种不同的需要 变压器就是改变交流电压的设备 几种常见的变压器 一 变压器的构造 1 示意图 原线圈 副线圈 铁芯 2 构造 1 闭合铁芯 绝缘硅钢片叠合而成 2 原线圈 初级线圈 其匝数用n1表示 3 副线圈 次级线圈 其匝数用n2表示 4 输入电压 U1 输出电压 U2 3 电路图中符号 问题 变压器副线圈和原线圈电路是否相通 变压器原副线圈不相通 那么在给原线圈接交变电压U1后 副线圈电压U2是怎样产生的 铁芯与线圈互相绝缘 二 变
3、压器的工作原理 互感现象 变压器通过闭合铁芯 利用互感现象实现了电能 U1 I1 到磁场能 变化的磁场 再到电能 U2 I2 转化 原线圈 副线圈 铁芯 互感现象 在原副线圈中由于有交变电流而发生的互相感应现象 若给原线圈接直流电压 U副线圈电压U2 闭合铁芯实现了电能 磁场能 电能的转换 由于原副线圈中的电流共同产生的磁通量绝大部分通过铁芯 使能量在转换过程中损失很小 为了便于研究 物理学中引入了一种理想化模型 理想变压器 下面我们定量分析理想变压器的变压规律 无磁损 无铜损 无铁损 理想变压器 研究原副线圈两端电压关系的实验 三 理想变压器的变压规律 原 副线圈中产生的感应电动势分别是 E
4、1 n1 t E2 n2 t E1 n1 E2 n2 原线圈回路有 U1 E1 I1r1 0 则U1 E1 副线圈回路有 E2 U2 I2r2 U2 则U2 E2 若不考虑原副线圈的内阻 则U1 E1 U2 E2则 U1 U2 n1 n2 理想变压器原副线圈的端电压之比等于这两个线圈的匝数之比 n2 n1U2 U1 升压变压器 n2 n1U2 U1 降压变压器 U1 U2 n1 n2 四 理想变压器的变流规律 问题 原副线圈的电流可能满足何规律 1 理想变压器输出功率应等于输入功率 即 U1I1 U2I2 I1 I2 U2 U1 n2 n1 P出 P入 2 理想变压器原副线圈的电流跟它们的匝数
5、成反比 I1 I2 n2 n1 变压器工作时 高压线圈匝数多而通过的电流小 可用较细的导线绕制 低压线圈匝数少而通过的电流大 应当用较粗的导线绕制 这也是判定高压线圈和低压线圈的一种方法 此公式只适用于一个副线圈的变压器 U1 输入输出电压 电流 功率大小之间的因果关系 1 输入功率P1由输出功率P2决定 P1 P2 2 U1由电源决定 3 U2由U1和匝数比决定 U2 n2 n1 U1 4 I2由U2和负载决定 I2 U2 R 5 I1由I2和匝数比决定 I1 n2 n1 I2 例1 理想变压器原 副线圈的匝数比n1 n2 4 1 当导体棒在匀强磁场中向左做匀速直线运动切割磁感线时 图中电流
6、表A1的示数12mA 则电流表A2的示数为 A 3mAB 0C 48mAD 与负载R的值有关 解析 变压器只能工作于交流电路 不能工作在恒定电流和恒定电压的电路 导体棒向左匀速切割磁感线时 在线圈n1中通过的是恒定电流 不能引起穿过线圈n2的磁通量变化 在副线圈n2上无感应电动势出现 所以A2中无电流通过 例2 一理想变压器 其原线圈2200匝 副线圈440匝 并接一个100 的负载电阻 如图所示 1 当原线圈接在44V直流电源电源上时 电压表示数为 V 电流表示数为 A 2 当原线圈接在220V交变电源上时 电压表示数为 V 电流表示数为 A 此时输入功率为 W 0 0 44 0 44 19
7、 36 n2 180 180 3A 解 所以 3A 练习1 一理想变压器 原线圈匝数n1 1100 接在电压220V的交流电源上 当它对11只并联的 36V 60w 的灯泡供电时 灯泡正常发光 由此可知副线圈的匝数n2 通过原线圈的电流I1 练习2 如图所示 一理想变压器原 副线圈的匝数比为n1 n2 3 1 有四只相同的灯泡连入电路中 若灯泡L2 L3 L4均能正常发光 则灯泡L1 A 也能正常发光B 较另三个灯暗些C 将会烧坏D 不能确定 L3 L4 L1 U1 L2 例3 钳形电流表的外形和结构如图 a 所示 图 a 中电流表的读数为1 2A 图 b 中用同一电缆线绕了3匝 则A 这种电
8、流表能测直流电流 图 b 的读数为2 4AB 这种电流表能测交流电流 图 b 的读数为0 4AC 这种电流表能测交流电流 图 b 的读数为3 6AD 这种电流表既能测直流电流 又能测交流电流 图 b 的读数为3 6A C 五 几种常用变压器 1 自耦变压器 升压变压器 降压变压器 问题 有没有只用一组线圈来实现变压的变压器 自耦变压器的原副线圈共用一个线圈 2 互感器 电流互感器 电压互感器 使用时把原线圈与电路并联 原线圈匝数多于副线圈匝数 使用时把原线圈与电路串联 原线圈匝数少于副线圈匝数 例4 为了保证用电安全 家庭居室的室内电路前端一般都安装漏电保护开关 如图所示是保护开关的电路原理简
9、图 问 1 电路正常工作时 b线圈是没有电流的 原因是什么 2 如果站在地上的人不小心接触火线时 b线圈为什么会产生感应电流 解析发电厂的零线是接地的 漏电保护开关有一个结构和变压器相似的电流互感器 其铁芯的a侧有两个形状 绕向和匝数都完全相同的线圈 图中分别用实线和虚线表示 它们分别将用电器和火线 零线串联起来 220V交变电流在MNO GRK与发电厂之间流过 铁芯的b侧有另一个线圈与电磁继电器J的线圈 图中未画出 并联 室内电路正常工作时 b线圈没有电流 J保持导通状态 当漏电时 b线圈便会产生感应电流 推动电磁继电器J切断用电器的电路 从而防止事故的发生 答案 1 电流互感器a侧两线圈完
10、全相同 流过两线圈的电流大小相等 方向相反 它们产生的磁场相互抵消 b侧线圈磁通量总为零而不变 线圈中不产生感应电流 2 火线的电流有一部分流经人体 经大地流回发电厂 a侧两线圈电流大小不等 产生 剩余电流 在铁芯中产生变化的 剩余磁通 b侧线圈中磁通量发生变化 线圈中产生感应电流 练习3 1999全国卷 如图是4种亮度可调的台灯的电路的示意图 它们所用的灯泡相同 且都是 220V40W 当灯泡消耗的功率都调至20W时 哪种台灯消耗的功率最小 解析理想变压器的输入功率等于输出功率 在变压器上是没有功率损失的 所以含有变压器的台灯消耗功率就等于灯泡消耗的功率 而其余三种电路中有另外的变阻器 除灯
11、泡消耗功率外 在变阻器上有额外的功率损失 答案C 六 解决有多个副线圈的理想变压器的问题 一个原线圈多个副线圈的理想变压器 原线圈匝数为n1 两个副线圈的匝数分别为n2和n3 相应的电压分别为U1 U2和U3 相应的电流分别为I1 I2和I3 根据变压器的工作原理可得 例5 一台理想变压器原线圈匝数n1 1100匝 两个副线圈的匝数分别是n2 60匝 n3 600匝 若通过两个副线圈中的电流分别为I2 1A I3 4A 求原线圈中的电流 解析 对于理想变压器 输入功率与输出功率相等 则有I1n1 I2n2 I3n3 I1 I2n2 I3n3 n1 1 60 4 600 1100 2 24A 例
12、6 如图所示 理想变压器的交流输入电压U1 220V 有两组副线圈 其中n2 36匝 标有 6V 9W 12V 12W 的灯泡分别接在两副线圈上均正常发光 求 1 原线圈的匝数为n1和另一副线圈的匝数n3 2 原线圈的电流I1 解 1 由于两灯均正常发光 所以有 U2 6V U3 12V根据原 副线圈电压与匝数的关系 有 U1 U2 n1 n2n1 U1n2 U2 1320匝 U3 U2 n3 n2 n3 U3n2 U2 72匝 2 根据能量守恒 有P入 P出 即I1U1 P2 P3 则I1 P2 P3 U1 0 095A 练习4 如图所示 理想变压器的原线圈接上220V交流电压 副线圈有A
13、B两组 A组接4 的电阻 B组接规格为 10V24W 的灯泡 已知A组的线圈匝数为30匝 两端电压为6V 灯泡正常发光 求原线圈的匝数和电流 例7 在绕制变压器时 某学生误将两个线圈绕在如图所示变压器左右两臂上 当通以交变电流时 每个线圈产生的磁通量都只有一半通过另一个线圈 另一半通过中部的臂 已知线圈的匝数之比n1 n2 2 1 在不接负载的情况下 则 A 当线圈1输入电压为220V时 线圈2输出电压为110VB 当线圈1输入电压为220V时 线圈2输出电压为55VC 当线圈2输入电压为110V时 线圈1输出电压为220VD 当线圈2输入电压为110V时 线圈1输出电压为110V 解析 当线
14、圈1接220V的交流电压时 设穿过线圈1的磁通量为 根据题意则穿过线圈2的磁通量为 2 设线圈1 2的匝数分别为2n n 则 220 2n tU2 n t 1 2两式相比得U2 55V 当线圈2接110V的交流电压时 设穿过线圈2的磁通量为 根据题意则穿过线圈1的磁通量为 2 110 n tU1 2n t 1 2两式相比得U1 110V 选BD 练习5 一理想变压器如图所示 在n1两端接交流电U1 220V n1为4400匝 n2为1100匝 若要使U3 U2 求n3 解析 n1匝线圈产生的电动势E1 U1 n1 1 tn2匝线圈产生的电动势E2 U2 n2 2 tn3匝线圈产生的电动势E3 U3 n3 3 t而 1 2 2 3所以U2 n2 U1 n1U2 n2U1 n1 55V而U1 n1 2U3 n3 U2 U3 2n1U3 U1 2 4400 55 220 2200匝 小结 1 变压器的结构和工作原理2 理想变压器的理想化模型及功率传输规律3 理想变压器的变压和变流规律 再见
