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        對(duì)理想變壓器原線圈串聯(lián)負(fù)載電路中“等效電阻”的探討

        2022-12-28 08:41:16廖燕賓黎華林
        物理教學(xué)探討 2022年11期
        關(guān)鍵詞:原線圈副線圈示數(shù)

        廖燕賓,黎華林

        惠州中學(xué),廣東 惠州 516000

        2021年湖南卷高考物理試題第6題考查理想變壓器的相關(guān)問題。理想變壓器包含鐵芯、副線圈和原線圈,通過電磁感應(yīng)聯(lián)系在一起[1]。在高中階段,理想變壓器模型指忽略磁漏和能量損耗等現(xiàn)象,磁場(chǎng)全部被束縛在鐵芯中,且認(rèn)為原線圈輸入電壓U不變[2]。當(dāng)原線圈無負(fù)載(燈泡、定值電阻)時(shí),通過原、副線圈的電壓、電流、功率以及線圈匝數(shù)之間的定量關(guān)系分析,題目相對(duì)較簡單;當(dāng)原線圈串聯(lián)負(fù)載(燈泡、定值電阻)時(shí),在電路的動(dòng)態(tài)分析中,副線圈的電流發(fā)生變化,引起原線圈中的電流也改變,此時(shí)原線圈的電壓U1也發(fā)生變化。此種情況下,原、副線圈相互制約、相互影響,解決此類問題相對(duì)繁瑣。此時(shí),將理想變壓器原線圈中存在負(fù)載的電路轉(zhuǎn)化為“等效電路”來分析[3],可起到化繁為簡的效果。

        1 對(duì)比分析“等效電路”在解決理想變壓器電路問題中的優(yōu)勢(shì)

        例題1(2021年·湖南卷)如圖1,理想變壓器原、副線圈匝數(shù)比為 n1∶n2,輸入端 C、D 接入電壓有效值恒定的交變電源,燈泡L1、L2的阻值始終與定值電阻R0的阻值相同。在滑動(dòng)變阻器R的滑片從a端滑動(dòng)到b端的過程中,兩個(gè)燈泡始終發(fā)光且工作在額定電壓以內(nèi),下列說法中正確的是( )

        圖1 例題1題圖

        A.L1先變暗后變亮,L2一直變亮

        B.L1先變亮后變暗,L2一直變亮

        C.L1先變暗后變亮,L2先變亮后變暗

        D.L1先變亮后變暗,L2先變亮后變暗

        方法一:假設(shè)輸入電壓為U,燈泡L1兩端電壓為UL1,原線圈兩端電壓為U-UL1,原線圈的電流為I1;副線圈兩端電壓為U2,副線圈兩端的電流為I2;滑動(dòng)變阻器左端的電阻為R1,則滑動(dòng)變阻器右端的電阻為R-R1。

        副線圈中的總電阻為

        其中,當(dāng) R1+R0=R-R1+R0,即時(shí),副線圈中的總電阻R總最大。根據(jù)原、副線圈的電流關(guān)系;原、副線圈的電壓關(guān)系,可知;整理得當(dāng)滑片從a端滑動(dòng)到b端的過程中,R總先增大后減小,所以I2先減小后增大,根據(jù)知,I1先減小后增大,故燈泡L1先變暗后變亮。UL1先減小后增大,原線圈兩端電壓U-UL1先增大后減小,可知副線圈兩端電壓U2先增大后減小,燈泡L2支路上的電阻R+R0-R1不斷減小,流過燈泡L2的電流,知當(dāng)U2增大時(shí),電流IL2增大。當(dāng)I2增大時(shí),U2先減小,其中,知電流 I增大,故燈泡L2一直變L2亮。正確答案為A選項(xiàng)。

        方法二:圖2為變壓器等效電路圖,設(shè)圖2中變壓器等效電阻為R',在圖1中原、副線圈的電壓規(guī)律,得已知等效電路中U1=I1R',得到等效電阻為?;瑥腶端滑動(dòng)到b端的過程中,R'先增大后減小,故I1先減小后增大,燈泡L1先變暗后變亮。

        圖2 等效電路圖

        設(shè)計(jì)意圖:以2021年湖南卷高考物理試題第6題為背景,通過兩種方法的對(duì)比分析,將理想變壓器原線圈中存在負(fù)載的電路轉(zhuǎn)化為“等效電路”來分析,起到化繁為簡的效果,利于培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)能力。

        2 理想變壓器電路問題中“等效電路”模型匯總,等效電阻公式的應(yīng)用

        通過功率相等關(guān)系對(duì)理想變壓器原線圈中存在負(fù)載的電路以及其等效電路分析,得到其副線圈的等效電阻,如表1所示。

        表1 變壓器的等效電阻電路圖

        3 理想變壓器電路問題中等效電阻公式的應(yīng)用

        例題2(2019·湖南婁底二模)如圖3所示為模擬遠(yuǎn)距離輸電的部分測(cè)試電路,a、b兩端接電壓穩(wěn)定的正弦交變電源,定值電阻阻值分別為R1、R2,且 R1

        圖3 例題2題圖

        解析 作出圖3的等效電路圖(圖4),根據(jù)表1“等效電阻阻值”的結(jié)論,可知,滑動(dòng)變阻器R3的滑片P向下滑動(dòng)過程中,R3增大,即 R'增大,根據(jù)歐姆定律,知原線圈電流I1減小,故電源的輸出功率P=UI1減小,C選項(xiàng)正確。由U=U1+I1R1,當(dāng)I1減小時(shí),U1增大,根據(jù),知U2也增大,故D選項(xiàng)正確。根據(jù)歐姆定律,知B選項(xiàng)錯(cuò)誤。將R1當(dāng)作電源內(nèi)阻,知。

        圖4 等效電路圖

        例題3(2019·河南安陽二模)如圖5所示,發(fā)電機(jī)的輸出電壓為,通過理想降壓變壓器給若干盞燈泡供電,輸電線上連接可調(diào)電阻r。變壓器原線圈兩端接有理想交流電壓表V,副線圈干路接有電流表A,以下說法正確的有( )

        圖5 例題3題圖

        A.電壓表V的示數(shù)始終為1000 V

        B.僅接入燈泡數(shù)量增多,電流表A的示數(shù)增大

        C.僅可調(diào)電阻r增大,電壓表V的示數(shù)增大

        D.僅可調(diào)電阻r增大,電流表A的示數(shù)減小

        解析作出圖5的等效電路圖(圖6),根據(jù)表1“等效電阻阻值”的結(jié)論,可知。其中,R為每盞燈泡的電阻,N為副線圈的燈泡數(shù)目,n1為原線圈匝數(shù),n2為副線圈匝數(shù)。當(dāng)N增大時(shí),等效電阻R并減小,故原線圈的電流I1增大,根據(jù)歐姆定律U=U1+I1r,知電壓表V的示數(shù)U1減小,故A、C選項(xiàng)錯(cuò)誤;根據(jù)原、副線圈電流關(guān)系,知I2增大,電流表A的示數(shù)增大,故B選項(xiàng)正確。當(dāng)可調(diào)電阻r增大,根據(jù)歐姆定律,知I1減小,根據(jù)原、副線圈電流關(guān)系,知 I2減小,電流表A的示數(shù)減小,故D選項(xiàng)正確。

        圖6 等效電路圖

        例題4(多個(gè)副線圈)如圖7所示,燈泡A接在原線圈上,燈泡B和燈泡C串聯(lián)接在一個(gè)副線圈上,燈泡D接在另外一個(gè)副線圈上,四個(gè)燈泡規(guī)格相同且都正常發(fā)光,那么理想變壓器的匝數(shù)比 n1∶n2∶n3為( )

        圖7 例題4題圖

        A.n1∶n2∶n3=1∶1∶1 B.n1∶n2∶n3=3∶2∶1

        C.n1∶n2∶n3=6∶2∶1 D.n1∶n2∶n3=2∶2∶1

        解析作出圖7的等效電路圖(圖8),根據(jù)題干四個(gè)燈泡規(guī)格相同,假設(shè)燈泡電阻為R,由表1“等效電阻阻值”的結(jié)論,可知根據(jù)副線圈負(fù)載上消耗的功率等于“等效電阻”上消耗的功率,PBC=2PD=2PA,由,整理得 2RBC=RD=9R,聯(lián)立得:n1∶n2∶n3=3∶2∶1,故 B 選項(xiàng)正確。

        圖8 等效電路圖

        通過以上例題解題過程,在解決理想變壓器電路問題的過程中,當(dāng)原線圈串聯(lián)負(fù)載(燈泡、定值電阻)時(shí),利用功率、電流、電壓以及匝數(shù)關(guān)系解題時(shí),由于原線圈負(fù)載(燈泡、定值電阻)分壓,引起原線圈電壓U1變化,導(dǎo)致解題過程較為繁瑣。而將變壓器的副線圈等效為原線圈中定值電阻,即可把復(fù)雜問題簡單化,利于培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)能力。

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