(完整word)高中物理的3-2远距离输电教案设计

第二节变压器

三维教学目标

1、知识与技能

（1）知道变压器的构造，了解变压器的工作原理；

（2）理解理想变压器原、副线圈中电压与匝数的关系，能应用它分析解决有关问题。

2、过程与方法:在探究变压比和匝数比的关系中培养学生运用物理理想化模型分析问题、解决问题的能力。

3、情感态度与价值观

（1）使学生体会到能量守恒定律是普遍适用的；

（2）培养学生实事求是的科学态度。

教学重点：探究变压比和匝数比的关系。

教学难点：探究变压比和匝数比的关系。

教学方法：实验探究法、阅读法、讲解法。

教学手段：学生电源、可拆变压器、交流电压表、交流电流表、灯泡。

教学过程：

（一）引入新课

在实际应用中，常常需要改变交流的电压。大型发电机发出的交流，电压有几万伏，而远距离输电却需要高达几十万伏的电压。各种用电设备所需的电

电灯、电饭煲、洗衣机等家用电器需要220 V的电压，机床上的照明灯需要36 V的安全电压。一般半导体收音机的电源电压不超过10 V，而电视机显像管却需要10000 V以上的高电压。从以上表格可看到各类用电器额定工作电压往往不同，可我们国家民用统一供电均为220V，那这些元件是如何正常工作的呢？交流便于改变电压，以适应各种不同需要。变压器就是改变交流电压的设备。这节课我们学习变压器的有关知识。

（二）进行新课

1、变压器的原理

思考与讨论：

按上图所示连接好电路，接通电源，观察灯泡是否发光。

问题1：两个线圈并没有直接接触，灯泡为什么亮了呢？这个实验说明了什么？

答：当一个线圈中同交变电流时，变化的电流产生变化的磁场，变化的磁场在另一个线圈中激起感生电场，从而产生感生电动势，灯泡中有了感应电流，故灯泡发光。实验说明，通过互感现象，电源的能量可以从一个线圈传输给另一个线圈。 变压器就是由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈构成的。

一个线圈跟电源连接，叫原线圈（初级线圈），另一个线圈跟负载连接，叫副线圈（次级线圈）。两个线圈都是绝缘导线绕制成的。铁芯由涂有绝缘漆的硅钢片叠合而成。 变压器的结构示意图和符号，如下图所示：

互感现象时变压器工作的基础。在原线圈上加交变电压U 1，原线圈中就有交变电流，它在铁芯中产生交变的磁通量。这个交变磁通量既穿过原线圈，也穿过副线圈，在原、副线圈中都要引起感应电动势。如副线圈是闭合的，在副线圈中就产生交变电流，它也在铁芯中产生交变的磁通量，在原、副线圈中同样引起感应电动势。副线圈两端的电压就是这样产生的。所以，两个线圈并没有直接接触，通过互感现象，副线圈也能够输出电流。

问题2：变压器线圈两端的电压与匝数有何关系呢？下面我们通过实验来探究。 目的：探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系

器材：可拆变压器，学生电源，多用电表，导线若干 实验步骤：

（1）按图示电路连接电路

（2）原线圈接低压交流电源6V ，保持原线圈匝数n 1不变，分别取副线圈匝数n 2=21

n 1，n 1，2 n 1，用多用电表交流电压档分别测出副线圈两端的电压，记入表格。

（3）原线圈接低压交流电源6V ，保持副线圈匝数n 2不变，分别取原线圈匝数n 1=2

1

n 2，n 2，2 n 2，用多用电表交流电压档分别测出副线圈两端的电压，记入表格。 1实验次数

1

2

3

4

5

6

原线圈匝

数n 1 n 1

n 1 n 1

n 2 n 2 n 2

副线圈匝数n 2

21n 1 n 1

2 n 1

2

1n 2 n 2

2 n 2

副线圈输

出电压U 2

结论

（4）总结实验现象，得出结论。 注意事项：

（1）连接好电路后，同组同学分别独立检查，然后由老师确认，电路连接无误才能接通电源。

（2）注意人身安全。只能用低压交流电源，电源电压不能超过12V

（3）使用多用电表交流电压档测电压时，先用最大量程测试，然后再用适当的挡位进行测量。

答：电压与匝数的关系

2

1

2

1n n U

U =

电流通过变压器线圈是会发热，铁芯在交变磁场的作用下也会发热。所以，变压器工作时存在能量损失。没有能量损失的变压器叫做理想变压器。

2

1

2

1n n U

U =

，只适用于理想变压器。实际上变压器的工作效率都很高，在一般的计算中，可以把实际变压器视为理想变压器。

问题3：理想变压器原线圈的输入功率与副线圈的输出功率有什么关系？ 答：因为理想变压器没有能量损失，所以P 出=P 入

问题4：若理想变压器只有一个副线圈，则原副线圈中的电流I 1与I 2有什么关系？ 据P 出=U 2I 2，P 入=U 1I 1及P 出=P 入得：U 2I 2=U 1I 1 则：

1

2

1221n n U U I I == 上式是理想变压器只有一个副线圈时，原副线圈中的电流比公式。

如果副线圈的电压高于原线圈的电压，这样的变压器叫升压变压器；如果副线圈的电压低于原线圈的电压，这样的变压器叫降压变压器。升压变压器 n 2＞n 1，降压变压器 n 2＜n 1。升压变压器，I 2I 1。

问题5：在绕制升压变压器原副线圈时，副线圈导线应比原线圈导线粗一些好，还是细一些好？降压变压器呢？ 答：因为升压变压器，I 2I 1，所以副线圈导线要比原线圈导线粗一些。

三、几种常用的变压器 1．自耦变压器

（1）自耦变压器的示意图如图17－4－2所示．

图17－4－2

（2）特点：铁芯上只绕有一个线圈．

（3）用途：可升高电压，也可降低电压．如果把整个线圈作原线圈，副线圈只取线圈的一部分，就可以降低电压（图17－4－2甲）；如果把线圈的一部分作原线圈，整个线圈作副线圈，就可以升高电压（图17－4－2乙）．

2．调压变压器

（1）构造：线圈AB 绕在一个圆环形的铁芯上，如图17－4－3所示．

图17－4－3

（2）变压方法：AB 之间加上输入电压U 1，移动滑动触头P 的位置就可以调节输出电压U 2．

3．互感器

（1）用途：把高电压变成低电压，或把大电流变成小电流． （2）分类： ①电压互感器

如图17－4－4所示，用来把高电压变成低电压．它的原线圈并联在高压电路中，副线圈上接入交流电压表．根据电压表测得的电压U 2和铭牌上注明的变压比（U 1/U 2），可以算出高压电路中的电压．为了工作安全，电压互感器的铁壳和副线圈应该接地．

图17－4－4 图17－4－5

②电流互感器

如图17－4－5所示，用来把大电流变成小电流．它的原线圈串联在被测电路中，副线圈上接入交流电流表．根据电流表测得的电流I 2和铭牌上注明的变流比（I 1/I 2）可以算出被测电路中的电流．如果被测电路是高压电路，为了工作安全，同样要把电流互感器的外壳和副线圈接地．

问题全解

问题1：变压比、变流比公式的适用范围．

理想变压器各线圈两端电压与匝数成正比的关系式2

1

21n n

U U =，不仅适用于原、副线圈只有

一个的情况．而且适用于有多个副线圈的情况．这是因为理想变压器的磁通量是全部集中在铁芯内的，因此穿过每组线圈的磁通量的变化率是相同的，因而每组线圈中产生的电动势和匝数成正比．在线圈内阻不计的情况下，线圈两端的电压就等于线圈中产生的电动势，

故每组线圈两端电压都与匝数成正比．可见公式2

1

21n n

U U =是普遍适用的关系式，既适用于原、

副线圈间电压的计算．也适用于任意的两个副线圈间电压的计算，但理想变压器原、副线

圈中电流与匝数成反比的关系式

12

21n n I I =只适用于原、副线圈各有一个的情况，一旦有两个或

多个副线圈时，该关系式便不适用．这种情况下，可应用理想变压器输入功率和输出功率

相等的关系列出关系式U1I1＝U2I2＋U3I3＋…＋U n I n来确定电流间的关系．

问题2：变压器能否改变直流电压？

变压器是利用电磁感应原理来改变电压的装置．要产生感应电动势，必有磁通量发生变化．当原线圈加上交流电时，原线圈产生的交变的磁通量通过副线圈时就产生感应电动势；若原线圈中通以恒定电流，则在铁芯中产生恒定的磁通量，副线圈中虽有磁通量通过，但磁通量不变化，因此副线圈中不能产生感应电动势，当然就不能变压了．

但是，若在原线圈中通以方向不变而大小变化的脉冲电流，同样也可以达到变压的目的．汽车、摩托车就是内设一个特殊开关，产生脉冲电流送入变压器中，获得高电压来提供汽油机的点火电压的．

问题3：变压器与滑动变阻器变压的不同．

变压器的工作原理是电磁感应，一般应接交流，能使交流电压升高或降低．滑动变阻器工作原理是串联电阻分压，可接交流或直流，但只能使电压降低．

问题4：原、副线圈用粗细不同导线绕制的原因．

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．

问题5：变压器能否改变交流电的频率？

对变压器，当加在原线圈上的交变电压发生一个周期变化时，原线圈中的交变电流就发生一个周期变化，铁芯中产生的交变磁通量也发生一个周期变化，副线圈中产生的交变电动势（电压）也发生一个周期变化，因此，变压器只能改变交流电的电压及电流，不能改变交流电的频率．

问题6：变压器是否一定能改变交流电的电压？

变压器要工作，必须穿过副线圈的磁通量发生变化．如果穿过副线圈的磁通量不变，则变压器不能工作（变压）．

如图17－4－6所示，原线圈导线采用“双线绕法”．（1）若b、d相接，a、c作为电压输入端，两线圈中形成的磁通量任何时刻方向相反，若彼此作用互相抵消，穿过的磁通量为零，没有电磁感应现象，此时，“交流不变压”．（2）b、c相接，a、b作为输入端，两线圈中形成的磁通量方向相同，作用相互加强，此时两线圈的效果相当于一个匝数为两线圈匝数之和的单个线圈，能变压．（3）若a、c相接，b、d相接后分别接上交流电源，相当于两匝数相等（仅讨论此情况）的线圈并联，电压跟匝数的关系与单个线圈相同（对副线圈同理可讨论）．

图17－4－6

综上分析：变压器不一定都能改变交流电的电压．

例题 1.输送10kw的电功率，采用400V的电压输电，线路的电阻为10欧姆，求：线路损失的电压和功率，用户得到的电压和功率是多

少？

例题2、输送10kw,400v的交流电，采用10KV的高压输电，线路的电阻为10欧姆，求：（1）升压变压器的匝数比。（2）如果降压变压器的匝数比为45:1那么，线路损失的电压和功率，用户得到的电压和功率为多少？

例题3、有一台阻止为1欧姆的发电机，供给给一学校照明用电，如图所示。生压变压器原。副线圈匝数比为为4:1，输电线的总电阻为4欧姆。全校共有22个班，每班有“220V，40W”灯6盏，若保证全部电灯正常发光，则：

（1）发电机的电动势为多大？

（2）发电机的输出功率为多大？

（3）输电效率为多少？

2、实例探究

理想变压器基本规律

例1、一个正常工作的理想变压器的原副线圈中，下列的哪个物理量不一定相等（）A.交流的频率 B.电流的有效值

C.电功率

D.磁通量变化率

理想变压器的综合应用

例2、如图所示为一理想变压器，K为单刀双掷开关，P为滑动

变阻器的滑动触头，U1为加在原线圈两端的电压，I1为原线圈中的电流，则（）

A.保持U1及P的位置不变，K由a合到b时，I1将增大

B.保持U1及P的位置不变，K由b合到a时，R消耗功率减小

C.保持U1不变，K合在a处，使P上滑，I1将增大

D.保持P的位置不变，K合在a处，若U1增大，I1将增大

例3、如图所示，接于理想变压器的四个灯泡规格相同，且全部正

常发光，求三个线圈的匝数比n1∶n2∶n3。

5、巩固练习

1、理想变压器的原线圈的匝数为110匝，副线圈匝数为660匝，若原线圈接在6 V的电池上，则副线圈两端电压（）

A.36 V

B.6 V

C.1 V

D.0 V

2、当理想变压器副线圈空载时，副线圈的（）

A.负载电阻为0

B.输出电流为0

C.两端电压为0

D.输出功率为0

3、理想变压器原、副线圈的电流为I1、I2，电压为U1、U2，功率为P1、P2，关于它们的关系，正确的是（）

A.I2由I1决定

B.U2与负载有关

C.P1由P2决定

D.U1由U2决定

4、一理想变压器原线圈接交流、副线圈接电阻，下列哪些方法可使输入功率增加为原来的2倍（）

A.次级线圈的匝数增加为原来的2倍

B.初级线圈的匝数增加为原来的2倍

C.负载电阻变为原来的2倍

D.副线圈匝数和负载电阻均变为原来的2倍

5、用理想变压器给负载R供电，下列哪些办法可以减小变压器原线圈中的电流（）

A.增加原线圈的匝数

B.增加副线圈的匝数

C.减小负载电阻R的数值

D.增加负载电阻R的数值

6、在图所示的电路中，理想变压器的变压比为2∶1，四个灯泡完全相同，若已知灯泡L3和L4恰能正常工作，那么（）

A.L1和L2都能正常工作

B.L1和L2都不能正常工作

C.L1和L2中只有一个能正常工作

D.条件不足，无法判断

7、如图所示，理想变压器的原、副线圈分别接有相同的白炽灯，原、副线圈的匝数比为n1∶

n2=2∶1，电源电压为U，求B灯两端的电压U B为多少?

8、如图中所示，理想变压器B的原线圈跟副线圈的匝数比n1∶n2=2∶1，交流电源电压U1=220 V，F为熔断电流为I0=1。0 A的保险丝，负载为一可变电阻。

（1）当电阻R=100 Ω时，保险丝能否被熔断？

（2）要使保险丝不被熔断，电阻R的阻值应不小于多少?变压器输出的

电功率不能超过多少？

第三节电能的远距离传输

三维教学目标

1、知识与技能

（1）知道“便于远距离输送”是电能的优点，知道输电过程；

（2）知道降低输电损耗的两个途径；

（3）了解电网供电的优点和意义。

2、过程与方法:通过思考、讨论、阅读，培养学生阅读、分析、综合和应用能力。

3、情感、态度与价值观

（1）培养学生遇到问题要认真、全面分析的科学态度；

（2）介绍我国远距离输电概况，激发学生投身祖国建设的热情。

教学重点：找出影响远距离输电损失的因素，使学生理解高压输电可减少功率与电压损失。教学难点：理解高压输电原理，区别导线上的输电电压U和损失电压ΔU。

教学方法：自学讨论法、阅读法、讲解法。

教学手段：多媒体课件

（一）引入新课

人们常把各种形式的能（如水流能、燃料化学能、核能）先转化为电能再进行传输，这是因为电能可以通过电网来传输，那么电能在由电厂传输给用户过程中要考虑什么问题？这节课我们就来学习远距离输电的知识，请同学们认真仔细地阅读教材，思考问题。

（二）进行新课

1、降低输电损耗的两个途径

（1）输送电能的基本要求是什么？

输送电能的基本要求是：可靠、保质、经济。可靠，是指保证供电线路可靠地工作，少有故障和停电。保质，就是保证电能的质量，即电压和频率稳定。经济是指输电线路建造和运行的费用低，电能损耗小。

（2）远距离大功率输电面临的困难是什么？

在输电线上有功率损失。

（3）输电线上功率损失的原因是什么？功率损失的表达式是什么？降低输电损耗的两个途径是什么？

由于输电线有电阻，当有电流流过输电线时，有一部分电能转化为电热而损失掉了。这是输电线上功率损失的主要原因。

设输电电流为I，输电线的电阻为r，则功率损失为ΔP=I2r。

根据功率损失的表达式ΔP=I2r可知，要减少输电线上的功率损失，有两种方法：其一是减小输电线的电阻；其二是减小输电电流。

（4）如何减小输电线的电阻呢？ 根据电阻定律可知r =ρ

S

l

，要减小输电线的电阻r ，可采用下述方法： ①减小材料的电阻率ρ。银的电阻率最小，但价格昂贵，目前选用电阻率较小的铜或铝作输电线。

②减小输电线的长度l 不可行，因为要保证输电距离。 ③增加导线的横截面积，可适当增大横截面积．．．．．．。太粗不可能，既不经济又架设困难。 （5）如何减小输电线中的电流呢？阅读并回答教材49页“思考与讨论”中的问题。 在输电功率一定的条件下，根据P =UI 可知，要减小输电线中的电流I ，必须提高输电电压U ，这就是采用高压输电的道理。

（6）以上两个途径中，哪一个对于降低输电线路的损耗更有效？举例说明。

采用高压输电。在输电电流一定的情况下，线路电阻减为原来的一半，线路中损耗的功率减

为原来的

2

1

。在线路电阻一定的情况下，电压提高一倍，线路中的电流减为一半，而损耗的功率减为原来的4

1

。

（7）大型发电机发出的电压不符合远距离输电的要求，怎么办？而到达目的地的电压也不符合用户的要求，怎么办？

在发电机处用升压变压器升高电压，在用户处用降压变压器降低电压。

投影片展示我国远距离高压输电情况及远距离高压输电的原理。如下图所示。

设发电机的输出功率为P ，则功率损失为 ΔP =I 22

R ，用户得到的功率为P 用=P -ΔP ，输电线路上的电压损失为：ΔU =I 2R ，则U 3=U 2-ΔU 。

（8）目前，我国常用的远距离输电采用的电压有哪几种？ 有110 kV 、220 kV 、330 kV ，输电干线采用500 kV 的超高压，西北电网正在建设750kV 的线路。

（9）是不是输电电压越高越好？为什么？

不是。电压越高，对输电线路和变压器的要求越高，建设费用越高。实际输送电能时，要综合考虑，如输送功率的大小、距离的远近、技术和经济要求等，要依照不同情况选择合适的输电电压。

2、电网供电

（1）采用电网供电的优点是什么？

可以在能源产地使用大容量发电机组，降低一次能源的输送成本，获得最大的经济效益。同时，电网可以减少断电的风险，调剂不同地区电力供需平衡，保障供电质量。 例 某交流发电机输出功率为5×10。5 W ，输出电压为U =1。0×10。3 V ，假如输电线的总电阻R=10 Ω，在输电线上损失的电功率等于输电功率的5%，用户使用电压U =380 V 。

（1）画出输电线路的示意图（下图）。（标明各部分的符号）

（2）所用升压和降压变压器的原、副线圈的匝数比是多少？（使用的变压器是理想变压器）

3、课堂总结、点评

通过本节学习，主要学习以下问题：

1、降低输电损耗的两个途径：减小线路电阻和减小输电电流。减小输电电流是最有效的途径。

远距离输电线路上，P 损=I 2

r=

r

U

2损

，其中（I =

U

P 总）。采用高压输电可以达到减小输电电流

的目的。

2、电网供电的优点。

4、实例探究 高压输电的优点

例1、远距离输送交变电流都采用高压输电。我国西北电网正在建设750kV 线路。采用高压输电的优点是 （ ）

A.可节省输电线的铜材料

B.可根据需要调节交流电的频率

C.可减少输电线上的能量损耗

D.可加快输电的速度

远距离输电的过程

例2、某小型水电站发电机输出的电功率为100 kW ，输出电压 250 V ，现准备向远处输电，所用输电线的总电阻为8 Ω，要求输电时在输电线上损失的电功率不超过输送电功率的5%，用户获得220 V 电压。求应选用匝数比为多大的升压变压器和降压变压器？（理想变压器）

5、巩固练习

1、在远距离输电过程中，为减少输电线路上的电能损失，可采用的最佳方法是 （ ） A.使输电线粗一些 B.减短输电线长度 C.减少通电时间 D.采用高压输电

2、远距离输送一定功率的交变电流，若输电电压提高到原来的n 倍，则下列说法中正确的是 （ ）

A.输电线上的电流变为原来的n 倍

B.输电线上的电压损失变为原来的1/n 2

C.输电线上的电功率损失变为原来的1/n

D.若输电线上的电功率损失不变，输电线路长度可变为原来的n 2

倍

3、下列关于减小远距离输电导线上热损耗的说法中，正确的是 （ ） A.因为热功率P =

R

U 2

，所以应降低输送电压，增大输电导线电阻，才能减小输电导线上的

热损耗

B.因为热功率P =IU ，所以应采用低电压、小电流输电，才能减小输电导线上的热损耗

C.因为热功率P =I 2

R ，所以可采用减小输电线电阻或减小输送电流的方法来减小输电导线上

的热损耗

D.以上说法均不正确

4、发电厂发电机的输出电压为U 1，发电厂至学校的输电导线的总电阻为R ，通过导线的电流为I ，学校得到的电压为U 2，则输电导线上损耗的功率可表示为 （ ） A.

R

U 21

B.R

U U 221)( C.I 2R D.I （U 1-U 2）