高考物理重点专题突破 (68)

第2节变压器1.变压器的工作原理是互感现象，理想变压器通过原、副线圈的磁通量、磁通量的变化率相同，每匝线圈产生的感应电动势相等。

2．理想变压器原、副线圈功率相等，电压比是U1U2＝n1n2；电流比是I1I2＝n2n1(仅用于一原一副)。

3．变压器高压线圈匝数多、电流小，可用细导线；低压线圈匝数少、电流大，一般用粗导线。

4．自耦变压器的工作原理和一般的双绕组变压器一样，原、副线圈两边的电压比等于匝数比。

一、变压器的结构1．变压器的定义在交流电的传输过程中，能升高电压或降低电压的设备。

2．变压器的结构(1)如图甲所示，变压器由闭合的铁芯和绕在铁芯上的两个或两个以上的线圈组成，其中闭合铁芯由表面涂有绝缘漆的硅钢片叠合而成，线圈一般用高强度的漆包线绕制。

在电路中，变压器的符号如图乙所示。

(2)原线圈：与电源相连的线圈，也叫初级线圈，其两端电压叫输入电压，用符号U1表示。

副线圈：与负载相连的线圈，也叫次级线圈，其两端电压叫输出电压，用符号U2表示。

3．变压器的分类按输出电压的升降，变压器分为升压变压器和降压变压器两种。

二、变压器的工作原理1．互感：交变电流通过原线圈时在铁芯中激发交变磁场，交变磁场在副线圈中产生感应电动势，当副线圈闭合时，副线圈中有电流产生，它在铁芯中产生交变磁通量，这个交变磁通量也穿过原线圈，在原线圈中产生相互感应的现象。

2．工作原理电磁感应是变压器的工作原理，即互感现象是变压器工作的基础。

3．理想变压器(1)变压器线圈的电阻忽略不计，即无“铜损”。

(2)闭合铁芯的“漏磁”忽略不计，即无漏磁。

(3)闭合铁芯中产生的涡流为零，即无“铁损”。

即没有能量损失的变压器叫做理想变压器。

三、科学探究——变压器电压与匝数的关系四、自耦变压器1．定义：只有一个绕组的变压器。

2．优、缺点(1)优点：可以连续地调节输出电压。

(2)缺点：低压端和高压端直接有电的联系，使用不够安全。

1．自主思考——判一判(1)变压器工作的原理是自感。

(×)(2)变压器能改变所有电流的电压。

(×)(3)升压变压器的副线圈电压高、电流大。

(×)(4)理想变压器无能量损失，其输入功率与输出功率相等。

(√)(5)理想变压器一定有U 1U 2＝n 1n 2；n 1n 2＝I 2I 1。

(×)(6)我们可以根据变压器线圈导线的粗细判断其匝数的多少。

(√) 2．合作探究——议一议(1)变压器的铁芯为什么是闭合的，而且由涂有绝缘漆的硅钢片叠合而成？提示：①在变压器中采用闭合铁芯的目的是为了防止漏磁。

②变压器的线圈中通过交变电流时，铁芯中将产生很大的涡电流，不仅损耗了大量的能量，甚至还可能烧毁这些设备。

为了减小涡电流及其损失，通常采用叠合起来的硅钢片代替整块铁芯，并使硅钢片平面与磁感应线平行。

一方面由于硅钢片本身的电阻率较大，另一方面各片之间涂有绝缘漆或附有天然的绝缘氧化层，把涡流限制在各薄片内，使涡流大为减小，从而减少了电能的损耗。

(2)变压器能否改变交流电的频率？提示：对变压器，当加在原线圈上的交变电压发生一个周期性变化时，原线圈中的交变电流就发生一个周期性变化，铁芯中产生的磁通量也发生一个周期性变化，副线圈中产生的交变电动势(电压)也发生一个周期性变化，因此，变压器只能改变交流电的电压及电流，不能改变交变电流的频率。

(3)原、副线圈为什么用粗细不同的导线绕制？提示：变压器由两个线圈组成：一个为原线圈，另一个为副线圈。

这两个线圈的电压不同。

作为高压线圈的匝数多、通过的电流小，根据焦耳定律和节材原则，应用较细的导线绕制；作为低压线圈的匝数少、通过的电流大，根据焦耳定律和节能原则，应当用较粗的导线绕制。

因此，我们打开变压器时看到两个线圈粗细不同，用粗导线绕制的线圈为低压线圈，用细导线绕制的线圈为高压线圈。

1．工作原理2．理想变压器的三种基本关系[典例] 一台理想变压器，其原线圈为2 200匝，副线圈为440匝，并接一个100 Ω的负载电阻，如图所示。

(1)当原线圈接在44 V 直流电源上时，电压表示数为______ V ，电流表示数为______ A 。

(2)当原线圈接在220 V 交流电源上时，电压表示数为______ V ，电流表示数为______ A 。

此时输入功率为______ W ，变压器效率为______。

[解析] (1)原线圈接在直流电源上时，由于原线圈中的电流恒定，所以穿过原、副线圈的磁通量不发生变化，副线圈两端不产生感应电动势，故电压表示数为零，电流表示数也为零。

(2)由U 2U 1＝n 2n 1得 U 2＝U 1n 2n 1＝220×4402 200 V ＝44 V(电压表读数)I 2＝U 2R ＝44100A ＝0.44 A(电流表读数) P 入＝P 出＝I 2U 2＝0.44×44 W ＝19.36 W 效率η＝100%。

[答案] (1)0 0 (2)44 0.44 19.36 100%(1)变压器能改变交流电压，不能改变恒定直流电压。

(2)变压器不能改变交流电的周期和频率。

(3)交流电压表、电流表的示数均为有效值。

(4)理想变压器的效率是100%。

1．某理想变压器原、副线圈匝数比为55∶9，原线圈所接电源电压的变化规律如图所示，副线圈接有负载。

下列判断中正确的是( )A ．输出电压的最大值为36 VB ．原、副线圈中电流之比为55∶9C ．变压器输入、输出功率之比为55∶9D ．交流电源电压有效值为220 V ，频率为50 Hz解析：选D 输出电压的有效值U 2＝n 2n 1U 1＝36 V ，故输出电压的最大值U 2max ＝36 2 V ，所以选项A 错误；由于I 1I 2＝n 2n 1＝955，所以选项B 错误；变压器输入、输出功率相等，故选项C 错误；由题图可知选项D 正确。

2．(2016·全国卷Ⅰ)一含有理想变压器的电路如图所示，图中电阻R 1、R 2和R 3的阻值分别为3 Ω、1 Ω和4 Ω，○为理想交流电流表，U 为正弦交流电压源，输出电压的有效值恒定。

当开关S 断开时，电流表的示数为I ；当S 闭合时，电流表的示数为4I 。

该变压器原、副线圈匝数比为( )A ．2B ．3C ．4D ．5解析：选B 设原、副线圈的匝数比为k ，根据变压器匝数比与电流成反比的关系，则原线圈电流为I 时，副线圈电流为kI ；原线圈电流为4I 时，副线圈电流为4kI 。

根据变压器的输入功率等于输出功率得 UI －I 2R 1＝(kI )2(R 2＋R 3) 4UI －(4I )2R 1＝(4kI )2R 2 联立两式代入数据解得k ＝3 选项B 正确。

3．现用电压为380 V 的正弦式交流电给额定电压为220 V 的电灯供电，以下电路中不可能使电灯正常发光的是( )解析：选D由题图可知，A、B两图中均有电阻分压，可以使电灯正常发光；C为降压变压器，通过变压器降压也可以使电灯正常发光；D为升压变压器，电灯两端的电压要大于380 V，不可行。

故选D。

1．理想变压器动态变化的两种情况(1)原、副线圈的匝数比不变，分析各物理量随负载电阻的变化而变化的情况，进行动态分析的顺序是R→I2→P2→P1→I1。

(2)负载电阻不变，分析各物理量随原、副线圈的匝数比的变化而变化的情况，进行动态分析的顺序是n1、n2→U2→I2→P2→P1→I1。

2．理想变压器工作时的制约关系[典例][多选](2015·天津高考)如图所示，理想变压器的原线圈连接一只理想交流电流表，副线圈匝数可以通过滑动触头Q来调节，在副线圈两端连接了定值电阻R0和滑动变阻器R，P为滑动变阻器的滑动触头。

在原线圈上加一电压为U的正弦交流电，则()A．保持Q的位置不动，将P向上滑动时，电流表读数变大B．保持Q的位置不动，将P向上滑动时，电流表读数变小C．保持P的位置不动，将Q向上滑动时，电流表读数变大D．保持P的位置不动，将Q向上滑动时，电流表读数变小[解析]保持Q的位置不动，则副线圈的输出电压不变，当P向上滑动时，副线圈电路中的总电阻变大，副线圈中的电流减小，根据变流比可知，原线圈中的电流减小，因此电流表的读数变小，A项错误，B项正确；保持P的位置不动，副线圈电路中的总电阻不变，当Q向上滑动时，副线圈的匝数增多，由变压比可知，副线圈的输出电压增大，副线圈中的电流增大，由变流比可知，原线圈中的电流增大，电流表读数变大，C项正确，D项错误。

[答案]BC含有变压器的动态电路问题分析1．如图所示电路中，变压器为理想变压器，a、b接在电压有效值不变的交流电源两端，R0为定值电阻，R为滑动变阻器。

现将变阻器的滑片从一个位置滑动到另一位置，观察到电流表A1的示数增大了0.2 A，电流表A2的示数增大了0.8 A，则下列说法正确的是()A．电压表V1示数增大B．电压表V2、V3示数均增大C．该变压器起升压作用D．变阻器滑片是沿c→d的方向滑动解析：选D由于变压器原线圈的电压不变，因此电压表V1、V2的读数均不变，选项A、B均错误；由题意可知，该变压器起降压作用，选项C错误；由于副线圈的电压不变，电流表A2的示数增大，根据欧姆定律可知负载的电阻变小，所以滑动变阻器连入电路的阻值变小，选项D正确。

2．[多选]为探究理想变压器原、副线圈电压、电流的关系，将原线圈接到电压有效值不变的正弦交流电源上，副线圈连接相同的灯泡L 1、L 2，电路中分别接了理想交流电压表V 1、V 2和理想交流电流表A 1、A 2，导线电阻不计，如图所示。

当开关S 闭合后( )A ．A 1示数变大，A 1与A 2示数的比值不变B ．A 1示数变大，A 1与A 2示数的比值变大C ．V 2示数变小，V 1与V 2示数的比值变大D ．V 2示数不变，V 1与V 2示数的比值不变解析：选AD 交流电源电压有效值不变，即V 1示数不变，因U 1U 2＝n 1n 2，故V 2示数不变，V 1与V 2示数的比值不变，D 对。

S 闭合使负载总电阻减小，I 2＝U 2R 总，所以I 2增大，因I 1I 2＝n 2n 1，所以A 1示数增大，A 1与A 2示数比值不变，A 对。

3．[多选]如图所示，10匝矩形线框在磁感应强度B ＝210T 的匀强磁场中，绕垂直磁场的轴OO ′以角速度ω＝100 rad/s 匀速转动，线框电阻不计，面积为S ＝0.3 m 2，线框通过滑环与一理想变压器的原线圈相连，副线圈接有两只灯泡L 1(0.3 W,30 Ω)和L 2，开关闭合时两灯泡均正常发光，且原线圈中电流表示数为0.04 A ，则下列判断正确的是( )A ．若从图示线框位置开始计时，线框中感应电动势的瞬时值表达式为e ＝302sin 100t (V)B ．理想变压器原、副线圈匝数比为10∶1C ．灯泡L 2的额定功率为0.9 WD ．若开关S 断开，电流表示数将增大 解析：选BC 变压器的输入电压的最大值为：E m ＝NBSω＝10×210×0.3×100 V ＝30 2 V 从垂直中性面位置开始计时，故线框中感应电动势的瞬时值为：e ＝E m cos ωt ＝302cos 100t (V)，故A 错误；变压器输入电压的有效值为：U 1＝U m2＝30 V开关闭合时两灯泡均正常发光， 所以U 2＝PR ＝0.3×30 V ＝3 V 所以：n 1n 2＝U 1U 2＝303＝101，故B 正确；原线圈的输入功率：P 1＝U 1I 1＝30×0.04 W ＝1.2 W由于原线圈的输入功率等于副线圈的输出功率，所以：P L2＝P 1－P L1＝1.2 W －0.3 W ＝0.9 W ，故C 正确；若开关S 断开，由于输出电压不变，输出端电阻增大，则输出电流减小，输入电流也减小，电流表的示数减小，故D 错误。