高中物理 3.4变压器课件 新人教版选修1-1

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1、四、变压器 情景导入 课程目标 汽车的内燃机是利用火花塞产生的电火花来点燃汽缸中的汽油、空气混合物的。火花塞点火原理如图所示 , 要使火花塞产生电火花 , 两电极间必须要有几千伏的高压 , 而汽车蓄电池的电压只有 12 V , 那么火花塞是如何产生高电压的呢 ? 提示 : 当开关由闭合变为断开的瞬间 , 图中含电池的初级回路中电流急剧减小 , 变压器铁芯中磁通量急剧变化 , 由于次级线圈的匝数大大超过初级线圈 , 次级线 圈就会感应出几千伏甚至上万伏的高压 , 火花塞就会立即产生电火花。 1 . 了解变压器的构造 , 知道变压器为什么能够改变交变电流的电压。 2 . 由实验探究总结变压器原、副

2、线圈的电压与两个线圈匝数的关系。 3 . 了解几种常见的变压器类型及其应用。 一 二 三 一、变压器的结构与作用 1 . 结构 变压器主要由 铁芯 和绕在它上面的两个 线圈 组成的 , 其中与电源相连的线圈叫 原线圈 , 也叫初级线圈 , 与负载相连的线圈叫 副线圈 , 也叫次级线圈。( 如图所示为示范教学用的变压器的实物图、结构示意图及电路符号 ) 2 . 作用 : 能改变交变电流的 电压 , 而不能改变交变电流的周期和频率。 一 二 三 二、变压器的变压规律 1 . 电压关系 理想变压器原、副线圈两端的电压跟它们的匝数成 正 比 , 即 1 2= 1 2。 2 . 功率关系 对于理想变压器

3、 , 由于不考虑能量损失 , 由能量守恒可知 P 入 = P 出 , 即P 1 = P 2 。 一 二 三 思考 大多数变压器两个线圈的匝数都不相同 , 这是为什么 ? 提示 :根据变压器的变压规律 ,只有原、副线圈的匝数不同 ,才可以改变输出电压。如果两个线圈匝数相同 ,输出的电压就跟输入的电压一样了 ,这样也就失去了使用变压器的意义。 一 二 三 三、变压器 为什么能改变电压 当原线圈中的电流变化时 , 在铁芯中就会产生变化的磁场 , 就会引起副线圈中 磁通量 的变化 , 从而在副线圈中产生 感应电动势 , 可见 , 变压器的工作原理为前面学过的 电磁感应 现象。 思考 变压器能改变恒定电

4、流的电压吗 ? 提示 :不能 ,因为若通过原线圈的电流为恒定电流 ,则它在铁芯中激发的磁场为恒定磁场 ,这时穿过副线圈的磁通量不变 ,因此无法产生感应电动势 ,即变压器不能改变恒定电流的电压。 探究 一 探究 二 探究一 变压器的结构与工作原理 问题导引 有同学认为 “ 由于变压器在使用时副线圈没有直接跟电源连接 , 所以它所在的回路中由于缺少电源不可能有电流产生 ” , 这种说法对吗 ? 为什么 ? 提示 :不对 ,因为如果原线圈连在交流电源两端 ,由于电磁感应 ,会在副线圈中激发出感应电动势 ,此时副线圈相当于电源 ,所以它所在的回路可以有电流产生。 探究 一 探究 二 名师精讲 1 .

5、变压器的结构 ( 1 ) 变压器由铁芯和绕在铁芯上的线圈组成 , 铁芯由硅钢片叠合而成 , 线圈由漆包线绕成。 ( 2 ) 线圈 : 变压器的一个线圈跟前一级电路连接 , 叫作原线圈 , 也叫初级线圈 ; 另一个线圈跟下一级电路连接 , 叫作副线圈 , 也叫次级线圈 , 如图所示。 探究 一 探究 二 2 . 变压器的工作原理 变压器工 作原理的物理过程示意图如图所示。原线圈上加交流电压 铁芯中产生交变磁场 , 即产生交变磁通量 , 在副线圈中产生交变电动势 副线圈接负载时 , 副线圈相当于交流电源向外界负载供电。由于铁芯闭合 , 在不考虑铁芯漏磁的情况下 , 穿过原、副线圈每匝线圈的磁通量及

6、其变化率均相同 , 因此 , 在原线圈上所加的交流电压值与原线圈匝数不变的情况下 , 副线圈上产生的交变电压与副线圈的匝数成正比。这样 , 可以通过绕制不同匝数的副线圈来得到各种数值的交流电动势 , 从而改变了交变电流的电压。要强调的是 , 从能量转换角度看 , 变压器是把电能 转化为磁场能 , 再将磁场能转化成电能的装置 , 一般地说 , 经过转换后 ,电压、电流均发生了变化。 探究 一 探究 二 温馨提示 变压器是依据电磁感应原理工作的 ,因此 ,只有通过原线圈的电流是变化的 ,才能在副线圈中产生感应电动势。需要注意的是 ,如果通过原线圈的是直流 ,但它的大小是变化的 ,这时在副线圈中也能

7、产生感应电动势。 探究 一 探究 二 【例题 1 】 变压器的副线圈与原线圈之间并没有导线连接 , 但在副线圈内却产生了电动势 , 使得与副线圈相连的灯泡发光。对于其中的原因正确的解释是 ( ) A. 原线圈中通以交变电流时 , 在副线圈中产生变化的磁通量 , 因而在副线圈的 两端形成感应电动势 B. 原线圈中通以直流时 , 在副线圈中产生恒定的磁通量 , 因而在副线圈的两端形成感应电动势 C. 原线圈中通交变电流时 , 在副线圈中产生恒定的磁通量 , 因而在副线圈的两端形成感应电动势 D. 原线圈中通直流时 , 在副线圈中产生变化的磁通量 , 因而在副线圈的两端形成感应电动势 探究 一 探究

8、 二 解析 :在副线圈中灯泡发光是因为副线圈发生电磁感应现象产生了感应电动势 ,原线圈中通交变电流 ,在铁芯中产生了变化的磁场 ,这样在副线圈中产生了变化的磁通量 ,在副线圈的两端产生了感应电动势。 答案 : A 题后反思 了解变压器的工作原理 ,知道变压 器为什么能变压是处理此类问题的关键。 探究 一 探究 二 探究二 变压器的作用与变压规律 问题导引 变压器的原、副线圈之间是绝缘的 , 如果副线圈多接了几个用电器使得电流增大了 , 你认为原线圈中的电流会变化吗 ? 为什么 ? 能不能试着推导一下变压器原、副线圈中的电流关系 ? 提示 :变化 ,这是由于副线圈中多接了几个用电器后 ,输出电流

9、增大了 ,消耗的能量增加了 ,根据能量守恒定律 ,输入原线圈的能量一定增大了 ,所以原线圈中电流一定增大了 ;根据能量守恒定律可知 2以12=21=21。 探究 一 探究 二 名师精讲 1 . 理想变压器的电压关系 如图 , 设副线圈为 电压为 原线圈为 电压为 ( 1 ) 变压公式为 : 12=12。 探究 一 探究 二 ( 2 ) 理论推导 : 我们认为变压器为理想的 , 由于理想变压器铁芯没有漏磁 , 原、副线圈中具有相同的磁通量变化率 , 根据法拉第电磁感应定律 , 原线圈中 E1= 副线圈中 E2= 所以有12=12由于不计原、副线圈的电阻 , 因而 1, 2, 所以有12=12。

10、对于变压器要注意以下几点 : 12=12, 无论副线圈一端是空载还是负载 , 都是实用的。 若 2, 就是降压变压器。 输出电压 1和 探究 一 探究 二 2 . 理想变压器的功率关系与电流关系 大型变压器的铁芯中漏磁可以忽略 , 电能 损失可忽略。 大型变压器均可认为是理想变压器 , 即无任何电能的损失 , 有 P 入 =P 出 ,即 212=12, 可得出 :12=21上式表明 : 变压器工作时 , 原、副线圈中的电流跟它们的匝数成反比。 说明 : 以上结论仅限于只有一个副线圈的情况 , 若有多个副线圈 , 对理想变压器 , P 入 =P 出 恒成立。 探究 一 探究 二 3 . 理想变压

11、器中的几个制约关系 当理想变压器的原、副线圈的匝数不变时 , 如果变压器的负载发生变化 ,确定其他物理量的变 化时 , 可依据下列原则判定 : ( 1 ) 输入电压 2, 这是因为输出电压 21当 不论负载电阻 R 变化与否 , ( 2 ) 输出电流 1, 在输入电压 输出电压负载电阻 R 增大时 , 则 当负载电阻R 减小时 , 则 使用变压器时 , 不能使变压器次级短路。 ( 3 ) 输出功率 1, 理想变压器的输出功率与输入功率相等 , 即 1。在输入电压 当负载电阻 R 增大时 , 则变压器输出功率 2 输入功率 当负载电阻 变压器的输出功率 2 则输入功率 探究 一 探究 二 温馨提

12、示 变压器在工作时 ,高压线圈中的电流由于较小 ,所以可以用细线绕制该线圈 ;而低压线圈中的电流由于较大 ,所以需要用粗线绕制该线圈。 探究 一 探究 二 【例题 2 】 如图所示 , 理想变压器原、副线圈匝数之比为 20 1 , 原线圈接正弦交流电源 , 副线圈接入 “ 220 V 6 0 W ” 灯泡一只 , 且灯泡正常发光 , 则( ) A. 电流表的示数为3 2220A B. 电源的输出功率为 1 200 W C. 电流表的示数为3220A D. 原线圈两端的电压为 11 V 解析 :本题考查的内容为变压器基本关系式的应用。由灯泡正常发光 ,可知副线圈电压为 2 2 0 V ,由12=

13、12可知 ,原线圈电压 20 2 2 0 V = 4 400 V , D 错 ;又因输入功率等于输出功率 , 2= 60 W ,故 B 错 ;电流表的读数为有效值 ,原线圈中电流 11=604 400A =3220A ,故 A 错 , C 正确。故选 C 。 答案 : C 探究 一 探究 二 题后反思 理解理想变压器电压、电流、功率的基本关系与制约关系是处理问题的关键。 1 2 3 4 5 1 . 下列器件属于变压器的是 ( ) 解析 :根据变压器由两个线圈和一块闭合铁芯构成 ,可知 D 是变压器。 答案 : D 1 2 3 4 5 2 . 如图所示为变压器的示意图 , 它被用来升高发电机的输

14、出电压 , 下列说法中正确的是 ( ) A. 图中 M 是闭合的铁芯 B. 发电机应与线圈 相连 , 升高后的电压由 c 、 d 两端输出 C. 电流以铁芯为通路 , 从一个线圈流到另一个线圈 D. 变压器是根据电磁感应原理工作的 解析 :由题意知该变压器为升压变压器 ,所以原线圈匝数小于副线圈匝数 ,故 为输入端 ,接发电机 , 为输出端 , B 错 ;铁芯提供闭合的磁路 ,使电能先变成磁场能再在副线圈中变成电能 ,所以 C 项错。故选 A 、 D 。 答案 : 1 2 3 4 5 3 . 下列关于理想变压器的说法 , 正确的是 ( ) A. 输入功率等于输出功率 B. 输送的电能经变压器先转化为磁场能 , 再转化为电能 C. 输送的电能经变压器先转化为