變壓器及電能的輸送 教案

1、新領航教育學科教學案教師: 趙云飛 學生: 日期: 星期: 時段: 課 題 變壓器及電能的輸送學習目標與考點分析 1知道原線圈（初級線圈）、副線圈（次級線圈）的概念。2知道理想變壓器的概念，記住電壓與匝數(shù)的關系。3知道升壓變壓器、降壓變壓器概念。4會用及I1U1=I2U2（理想變壓器無能量損失）解題。5知道電能輸送的基本要求及電網(wǎng)供電的優(yōu)點。6分析論證：為什么在電能的輸送過程中要采用高壓輸電。7會計算電能輸送的有關問題。8了解科學技術與社會的關系。學習重難點教學重點：1理想變壓器改變電流和電壓的計算，即應用及I1U1=I2U2進行計算和分析。 2理解高壓輸電的意義并能分析、解決有關高壓輸電的一

2、些簡單問題。教學難點：1對變壓器的動態(tài)工作原理的理解。2遠距離輸電過程負載發(fā)生變化時引起各個物理量變化的動態(tài)分析，尤其是能量傳遞和轉化的動態(tài)分析。 教學方法講授法、討論法、列舉實例法知識點一：變壓器的構造和工作原理1變壓器的構造：（以單相變壓器為例）閉合鐵芯用導磁性能良好的硅鋼片疊合而成，用來提供原線圈共同的封閉的磁路。原線圈中電流產(chǎn)生的磁場認為全部通過閉合鐵芯。彼此絕緣的硅鋼片是用來減少渦流造成電能的損失。原線圈（又叫初級線圈）和副線圈（又叫次級線圈）原副線圈大都由絕緣銅導線繞制而成，套在閉合鐵芯上。有大電流的線圈銅導線的截面積要大一些。其它部分大功率變壓器要放在盛有絕緣油的鋼筒內(nèi)，并帶有散

3、熱管，以便有效地將原副線圈以及鐵芯中產(chǎn)生的焦耳熱釋放出去，防止溫度過高燒壞變壓器，同時提高線圈間的絕緣性能。2變壓器的構造和工作原理簡而言之：變壓器是根據(jù)電磁感應現(xiàn)象中的互感原理制成并改變交流電壓和電流的。具體說來：當原線圈中通有交變電流時就會在閉合鐵芯中產(chǎn)生變化的磁通量，這個變化的磁通量完全穿過繞在同一鐵芯上的副線圈，便在副線圈中產(chǎn)生出感應電動勢，如果副線圈上接有負載構成閉合回路，那么副線圈中便產(chǎn)生了感應電流。感應電流產(chǎn)生的磁通量反過來影響原線圈在閉合鐵芯中的磁通量，如此相互作用實現(xiàn)電能從原線圈轉移到副線圈，同時獲得所需要的電壓和電流。說明：變壓器只能改變變化的電流或電壓，不能改變恒定電流或

4、電壓！ 知識點二：理想變壓器變壓、變流的規(guī)律1實際變壓器從副線圈輸出電能的功率P出=I2U2小于從原線圈輸入電能的功率P入=I1U1，即P出P入，變壓器在傳輸電能的過程中有電能損失。能量損耗的原因：原副線圈中有電阻，當有電流通過時發(fā)熱，電能轉化為熱。鐵芯中不可避免的存在渦流，使輸入的電能轉化為熱。原副線圈及鐵芯都存在漏磁現(xiàn)象，有一部分磁場不通過鐵芯引起感應電流。2理想變壓器從副線圈輸出電能的功率P出=I2U2等于輸入電能的功率P入=I1U1；即P出=P入或寫成U1I1=U2I2。對于副線圈不只一個的情形，I1U1=I2U2+I3U3+說明：理想變壓器是一個理想化模型，是實際變壓器的一種簡化，因

5、為大型變壓器電能傳輸效率都很高，忽略了很小部分的能量損失，使問題的分析討論更加簡單。理想變壓器忽略了在原副線圈、鐵芯中的電能損失，忽略了線圈和鐵芯的漏磁現(xiàn)象。理想變壓器的重要特點是：a通過原線圈的磁通量和通過副線圈的磁通量相等，即 。b。3理想變壓器變壓、變流規(guī)律推導與討論（1）電動勢關系由于互感現(xiàn)象，沒有漏磁，原、副線圈中具有相同的磁通量的變化率。如圖根據(jù)法拉第電磁感應定律，原線圈中，副線圈中，所以有。（2）電壓關系由于不計原、副線圈的電阻，因此原線圈兩端的電壓U1=E1，副線圈兩端的電壓U2=E2，所以。無論副線圈一端是空載還是有負載，都是適用的。輸出電壓U2僅由輸入電壓U1和原、副線圈的

6、匝數(shù)比共同決定，即，與負載個數(shù)、電阻大小無關。若變壓器有兩個副線圈，則有。所以有，或。據(jù)知，當n2n1時，U2U1，這種變壓器稱為升壓變壓器；當n2n1時，U2U1，這種變壓器稱為降壓變壓器。（3）功率關系由于理想變壓器，不考慮能量損失。（4）電流關系當只有一個副線圈時，由功率關系I1U1=I2U2得：同理當有多個副線圈時由I1U1=I2U2+I3U3+得：I1n1=I2n2+I3n3+ 知識點三：變壓器分類與用途1按照變壓器使用目的來分， 可分為（1）變壓：升壓變壓器和降壓變壓器（2）變流：使輸出電流變大或變?。?）變阻抗：使輸出阻抗變大或變?。ù俗饔迷诟咧须A段討論較小）2按用途可以分為：（

7、1）可調(diào)變壓器：自耦變壓器便是其中的一種。（2）固定變壓器：只能輸出固定電壓。（3）互感器：測量高電壓、大電流的變壓器分類：電壓互感器（如圖甲）和電流互感器（如圖乙）。電壓互感器：如圖甲所示，原線圈并聯(lián)在高壓電路中，副線圈接電壓表。互感器將高電壓變?yōu)榈碗妷?，通過電壓表測低電壓，結合匝線比可計算出高壓電壓的電壓值。電流互感器：如圖乙所示，原線圈串聯(lián)在待測高電流電路中，副線圈接電流表。互感器將大電流變成小電流，通過電流表測出小電流，結合匝數(shù)比可計算出大電流電路的電流值。知識點四：理想變壓器各物理量變化的決定因素當理想變壓器的原、副線圈的匝數(shù)不變時，如果變壓器的負載發(fā)生變化，確定其他物理量變化時，可

8、依據(jù)下列原則判定：1輸入電壓U1決定輸出電壓U2這是因為輸出電壓，當U1不變時，不論負載電阻R變化與否，U2不會改變。2輸出電流I2決定輸入電流I1在輸入電壓U1一定的情況下，輸出電壓U2也被完全確定。當負載電阻R增大時，I2減小，則I1相應減小；當負載電阻R減小時，I2增大，則I1相應增大，在使用變壓器時，不能使變壓器次級短路。3輸出功率P2決定輸入功率P1理想變壓器的輸出功率與輸入功率相等，即P2=P1，在輸入電壓U1一定的情況下，當負載電阻R增大時，I2減小，則變壓器輸出功率P2=I2U2減小，輸入功率P1也將相應減小；當負載電阻R減小時，I2增大，變壓器的輸出功率P2=I2U2增大，則

9、輸入功率P1也將增大。知識點五：輸電導線上的功率（電能）損失和減小損失的方法1輸送電能的基本要求（1）可靠：電路可靠工作少有故障。（2）保質：保證電能的質量電壓和頻率穩(wěn)定。（3）經(jīng)濟：線路建造和運行費用低，電能損耗少。2輸電導線上的功率損失（1）輸電導線上的功率損失由于輸電導線有電阻，在輸電過程中必有一部分電能要轉化成熱能而損失掉，設輸電導線中電流為I，輸電導線的電阻為R，則輸電導線上的功率損失為P=I2R。（2）減小輸電導線上的功率損失的兩種方法減少輸電導線上的電阻R。由電阻定律可知，距離一定，選用電阻率小的金屬做導線，增大導線橫截面積S可減小電阻。減小輸電導線的電流由P=UI可知，當傳輸功

10、率P一定時，升高電壓可以減小輸電導線上的電流。3遠距離輸電高壓輸電（1）近距離輸電可以采用增大導線截面積，減小電阻的方法來減少電能損失，這樣可以減少使用變壓器的投資，符合經(jīng)濟的原則。（2）遠距離輸電，采用高壓輸電減小線路上的電流，可以減小輸電導線的截面積以減少輸電導線的投資，符合經(jīng)濟的原則。知識點六：遠距離輸電的基本電路和電壓損失、功率損失的計算1遠距離輸電的基本電路由于發(fā)電機本身的輸出電壓不可能很高，所以采用高壓輸電時，在發(fā)電站內(nèi)需用升壓變壓器升壓到幾百千伏后再向遠距離送電，到達用電區(qū)再用降壓變壓器降到所需的電壓，基本電路如圖所示：2輸電線路上的功率損耗和電壓損失如上圖所示，設電路的輸電電流

11、為I線，輸送功率，則輸電線路上損失的電壓：輸電線路上損失的電功率：結論：輸電電壓提高到原來的n倍時，輸電線路上電壓損失降低到原來的。輸電線路上電功率的損失降低到原來的。規(guī)律方法總結1對變壓器進行計算的幾個常用關系（1）變壓規(guī)律（只有一個副線圈）（多個副線圈）說明：副線圈上的電壓與匝數(shù)成正比，而原線圈上的電壓與匝數(shù)無關。繞在閉合鐵芯上的每一匝線圈上的電壓相等。（2）變流規(guī)律（只有一個副線圈）（多個副線圈） 理想變壓器：2遠距離高壓輸電的幾個基本關系（以圖為例） （1）功率關系P1=P2，P3=P4，P2=P線+P3（2）電壓、電流關系 ，U2=U線+U3，I2=I3=I線。（3）輸出電流。（4）

12、輸電導線上損耗的電功率說明：計算輸電線路上的損失功率和用戶得到的功率，要弄清下列兩組概念的區(qū)別和聯(lián)系：輸電電壓U、線路損失電壓U和用戶得到電壓U輸送功率P、線路損失功率P和用戶得到功率P典型例題透析類型一、理想變壓器電流、電壓的計算1如圖為理想變壓器，其初級線圈在交流電源上，次級線圈接有一標有“12V 100W”的燈泡，已知變壓器初、次級線圈的匝數(shù)比為181，那么小燈泡正常工作時，圖中的電壓表的讀數(shù)為_V，電流表的讀數(shù)為_A。解析：由圖可知，兩電表的讀數(shù)均為初級線圈的電壓值和電流值。由公式得，由公式得。答案：216 0.46變式練習 【變式】如圖所示，理想變壓器的原、副線圈的匝數(shù)比為n1n2=

13、21，A、B為完全相同的燈泡，電源電壓為U，則燈泡B兩端電壓為（ ）A B2 UC D解析：設燈泡電阻為R，則原線圈電壓U1=UI1R，副線圈電壓U2=I2R，又，n1n2=21， 聯(lián)立以上各式得，選D。答案：D類型二、對變壓器變壓規(guī)律的理解2如圖所示為一理想變壓器，原線圈的輸入電壓U1=3300V，副線圈的輸出電壓U2=220V，繞過鐵芯的導線所接的電壓表的示數(shù)U0=2V，則： （1）原、副線圈的匝線各是多少？（2）當S斷開時，A2的示數(shù)I2=5A，那么A1的示數(shù)是多少？解析：（1）根據(jù)變壓比：及有 （2）由其是理想變壓器有，即 。類型三、理想變壓器工作過程動態(tài)分析3如圖所示，理想變壓器的副

14、線圈上通過輸電線接有兩個相同的燈泡L1和L2；輸電線的等效電阻為R，開始時，開關S斷開。當S接通時，以下說法中正確的是（ ）A副線圈兩端M、N輸出電壓減小 B副線圈輸電線等效電阻R上的電壓增大C通過燈泡L1的電流減小 D原線圈中的電流增大答案：BCD解析：當開關S閉合后，L2與L1相并聯(lián)，使副線圈的負載電阻總阻值變小，此時M、N間的輸出電壓不變，副線圈中的總電流I2增大，電阻R上的電壓降UR=I2R亦大增，燈泡L1承受的電壓減小，L1中的電流減小，故B、C正確。I2的增大，導致原線圈中的電流I1相應增大，故D正確。題型四、遠距離輸電的計算4遠距離輸送交流電都采用高壓輸電。我國正在研究用比300

15、 kV高得多的電壓進行輸電。采用高壓輸電的優(yōu)點是（ ）A可節(jié)省輸電線的銅材料 B可根據(jù)需要調(diào)節(jié)交流電的頻率C可減少輸電線上的能量損失 D可加快輸電的速度解析：由P=IU得，輸送的電功率P一定，采用高壓輸電，U大則I小，輸電線中的電流就小，由，在要求輸電線損耗一定的情況下，就可選電阻率略大一點的材料作導線。若輸電線確定，則可減少輸電線上的能量損失，故A、C選項正確。交流電的頻率是固定的，不需調(diào)節(jié)，輸電的速度就是電磁波的傳播速度，是一定的，故B、D選項不正確。答案：A、C變式練習 【變式】水電站給遠處山村送電的輸出功率是 110 kW，用 2000 V 電壓輸電，線路上損失的功率是 2.5

16、5;104W；如果改用20000V高壓輸電，線路上損失的功率是_W。解析：用U1=2000V，U2=20000V輸電時的輸電電流和線路功率損失分別為 ，； ，。兩者相比得。答案：250W5有一臺內(nèi)阻為1的發(fā)電機，供給一個學校照明用電，如圖所示。升壓變壓器匝數(shù)為14，降壓變壓器的匝數(shù)比為41，輸電線的總阻R=4。全校共22個班，每班有“220V，40W”的燈6盞。若保證全部電燈正常發(fā)光，則： （1）發(fā)電機輸出功率多大？（2）發(fā)電機電動勢多大？（3）輸電效率是多少？解析：（1）對降壓變壓器： U2I2=U3I3=nP燈=22×6×40W=5280W 而， 所以 對升壓變壓器：

17、發(fā)電機輸出功率。（2）因為U2=U2+I2R=880V+6×4V=904V 所以， 又因為U1I1=U2I2 所以 所以發(fā)電機電動勢E=U1+I1r1=226V+24×1V=250V。（3）輸電效率。思考：若例題中使用燈數(shù)減半且正常發(fā)光，發(fā)電機輸出功率是否減半？（同理可求燈數(shù)減半時發(fā)電機輸出功率為P2676W，故發(fā)電機輸出功率不是減半，而是大于1半）舉一反三【變式】發(fā)電機的端電壓為220V，輸出電功率為44kW，輸電導線的電阻為0.2，如果用初、次級匝數(shù)之比為110的升壓變壓器升壓，經(jīng)輸電線路后，再用初、次級匝數(shù)比為101的降壓變壓器降壓供給用戶。（1）畫出全過程的線路圖。（2）求用戶得到的電壓和功率。（3）若不經(jīng)過變壓而直接送到用戶，求用戶得到的功率和