栗張印
摘 要:從2014年高考“變壓器”知識(shí)點(diǎn)的要求變?yōu)棰蛞院?,每年?duì)這一知識(shí)點(diǎn)的考查難度有所提高。進(jìn)行“變壓器”類型題探析對(duì)于高考復(fù)習(xí)具有非常重要的意義。
關(guān)鍵詞:變壓器;結(jié)構(gòu);原理;應(yīng)用;類型題;解析;點(diǎn)評(píng)
在高考中“交變電流”主題下的知識(shí)點(diǎn)“理想變壓器”,由2013年的要求Ⅰ變?yōu)?014年的要求Ⅱ,也就是從要求“了解和認(rèn)識(shí)”提高到要求“掌握、理解和應(yīng)用”的高度,這一變化說(shuō)明了這部分內(nèi)容將變得更加重要,考查將會(huì)更加頻繁,難度將會(huì)加大。
一、鐵芯變化類習(xí)題
如圖1所示,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(guò)另一個(gè)線圈,另一半通過(guò)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220V時(shí),線圈2輸出電壓為110V;
B.當(dāng)線圈1輸入電壓220V時(shí),線圈2輸出電壓為55V;
C.當(dāng)線圈2輸入電壓110V時(shí),線圈1輸出電壓為220V;
D.當(dāng)線圈2輸入電壓110V時(shí),線圈1輸出電壓為110V。
解析:線圈1為原線圈時(shí),依題意得穿過(guò)線圈1的磁通量只有一半是通過(guò)線圈2的,所以穿過(guò)線圈2的磁通量的變化率只有穿過(guò)線圈1的磁通量的變化率的一半。由法拉第電磁感應(yīng)定律得:
;得
所以,當(dāng)線圈1輸入電壓為220V時(shí),線圈2輸出電壓為55V。
線圈2為原線圈時(shí),依題意得穿過(guò)線圈2的磁通量只有一半是通過(guò)線圈1的,所以穿過(guò)線圈1的磁通量的變化率只有穿過(guò)線圈2的磁通量的變化率的一半。由法拉第電磁感應(yīng)定律得:
;得
所以,當(dāng)線圈2輸入電壓為110V時(shí),線圈1輸出電壓為110V。
答案為BD。
點(diǎn)評(píng):應(yīng)該根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律來(lái)解決。
二、線圈變化類習(xí)題
1.線圈連接類習(xí)題
如圖2所示,一理想變壓器的原副線圈分別用雙線ab和cd(匝數(shù)都為n1),ef和gh(匝數(shù)都為n2)組成。用I1和U1表示輸入電流和電壓,I2和U2表示輸出電流和電壓。在下面四種連接法中,符合關(guān)系,的有( )。
A.b與c相連,以ad為輸入端;f與g相連,以e、h為輸出端;
B.b與c相連,以ad為輸入端;e與g相連,f與h相連作為輸出端;
C.a與c相連,b與d相連作為輸入端;f與g相連,以e、h為輸出端;
D.a與c相連,b與d相連作為輸入端;e與g相連、f與h相連作為輸出端。
解析:b與c相連,兩個(gè)線圈串聯(lián),以ad為輸入端,匝數(shù)為2n1;f與g相連,兩個(gè)線圈串聯(lián),以e、h為輸出端,匝數(shù)為2n2,A正確;e與g相連,f與h相連作為輸出端,兩個(gè)線圈并聯(lián),匝數(shù)為n2,B不正確;a與c相連,b與d相連作為輸入端,兩個(gè)線圈并聯(lián),匝數(shù)為n1,C不正確,D正確。
答案為AD。
點(diǎn)評(píng):線圈的串聯(lián)要看繞向,同向匝數(shù)相加,反向匝數(shù)相減;相同線圈并聯(lián)時(shí),匝數(shù)不變,等效于導(dǎo)線變粗。
2.多個(gè)副線圈類習(xí)題
一臺(tái)理想變壓器,原線圈匝數(shù)為n1,副線圈有兩組,匝數(shù)分別為n2和n3,原線圈的電壓為u1,電流為I1,兩組副線圈的電壓分別為U2和U3,電流分別為I2和I3,則下面結(jié)論正確的是( )。
A.U1∶U2=n1∶n2;U2∶U3=n2∶n3
B.I1∶I2=n2∶n1;I1∶I3=n3∶n1
C.n1I1=n2I2+n3I3
D.I1U1=I2U2+I3U3
解析:由理想變壓器兩個(gè)公式P入=P出,可以判斷AD正確.若有兩個(gè)或兩個(gè)以上的副線圈,不再成立.由P入=P出可以推導(dǎo)出電流的變比關(guān)系為I1n1=I2n2+I3n3+……答案為ACD。
點(diǎn)評(píng):多個(gè)副線圈時(shí),電流與匝數(shù)成反比不再成立,應(yīng)根據(jù)電壓與匝數(shù)的關(guān)系和輸入功率等于輸出功率確定定量關(guān)系。
三、負(fù)載變化類習(xí)題
1.原線圈含有原件類習(xí)題
理想變壓器原副線圈匝數(shù)比為n1∶n2=4∶1,原線圈回路中的電阻A與副線圈回路中的負(fù)載電阻B的阻值相等。a、b端加一定交變電壓后,兩電阻的電功率之比PA∶PB=____,兩電阻兩端電壓之比UA∶UB=____。
解析:此題很容易將變壓器電阻A消耗的功率當(dāng)成原線圈的輸入功率,并將a、b兩端電壓當(dāng)成變壓器原線圈的電壓U1。從而得到錯(cuò)誤答案1∶1,4∶1。
實(shí)際上電阻A消耗的功率并非變壓器原線圈的輸入功率,這是因?yàn)殡娮鐰串聯(lián)在原線圈中,根據(jù)理想變壓器的變流公式:
設(shè)A、B的電阻均為R,再根據(jù)電功率公式電阻A兩端:
的電壓也并非原線圈的輸入電壓,電阻A、B兩端電壓之比為:
點(diǎn)評(píng):解決本題需要正確進(jìn)行電路分析,本題很容易出錯(cuò),主要原因是分不清Uab和U1的關(guān)系,把二者混為一談。
2.動(dòng)態(tài)類習(xí)題
為一理想變壓器,K為單刀雙擲開(kāi)關(guān),P為滑動(dòng)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?。?/p>
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。
解析:K由a合到b時(shí),n1減小,由可知U2增大,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,在U2不變的情況下,減小,又P1=P2,P1=I1U1,從而I1減小,C錯(cuò)誤;U1增大,由可知,U2增大,隨之增大,由可知I1也增大,D正確。
故選項(xiàng)A、B、D正確。
點(diǎn)評(píng):由于對(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。
(1)電壓制約關(guān)系:
當(dāng)變壓器原、副線圈的匝數(shù)比一定時(shí),輸出電壓U2由輸入電壓決定,即U2=U1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)比一定,且輸入電壓U1確定時(shí),原線圈中的電流I1由副線圈中的輸出電流I2決定,即I1=I2可簡(jiǎn)述為“副制約原”。
(4)負(fù)載制約:
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+……;變壓器副線圈中的電流I2由用戶負(fù)載及電壓U2確定,I2=總功率P總=P線+P2。
3.二極管類習(xí)題
如圖3,一理想變壓器原、副線圈的匝數(shù)分別為n1、n2。原線圈通過(guò)一理想電流表A接正弦交流電源,一個(gè)二極管和阻值為R的負(fù)載電阻串聯(lián)后接到副線圈的兩端。假設(shè)該二極管的正向電阻為零,反向電阻為無(wú)窮大。用交流電壓表測(cè)得a、b端和c、d端的電壓分別為Uab和Ucd,則
A.Uab∶Ucd=n1∶n2;
B.增大負(fù)載電阻的阻值R,電流表的讀數(shù)變小;
C.負(fù)載電阻的阻值越小,cd間的電壓Ucd越大;
D.將二極管短路,電流表的讀數(shù)加倍。
解析:若變壓器初級(jí)電壓為Uab,則次級(jí)電壓為由于二級(jí)管的單向?qū)щ娦允沟霉蔬x項(xiàng)A錯(cuò)誤;增大負(fù)載的阻值R,則變壓器次級(jí)電流減小,則初級(jí)電流也減小,即電流表的讀數(shù)減小,選項(xiàng)B正確;cd間的電壓由變壓器的初級(jí)電壓決定,與負(fù)載電阻R的大小無(wú)關(guān),選項(xiàng)C錯(cuò)誤;若二極管短路則Ucd=U2,則次級(jí)電流會(huì)加倍,則初級(jí)電流也加倍,選項(xiàng)D正確。
點(diǎn)評(píng):理解和掌握變壓器的工作原理及二極管的單向?qū)щ娦允墙鉀Q本題的關(guān)鍵。