电力系统中变压器的工作原理及高考常见题型

变压器是电力系统中实现电压变换的关键设备，其核心原理基于电磁感应定律。以下是其工作原理的要点：

1. 电磁感应与电压变换

当交流电通过变压器的一次绕组（原边）时，会在铁芯中产生交变磁场，该磁场穿过二次绕组（副边）时感应出电动势。电压变换比例由原、副线圈的匝数比决定，即 ( frac{U_1}{U_2} = frac{n_1}{n_2} )。若副边匝数多于原边，则为升压变压器；反之为降压变压器。

2. 能量传递与损耗

理想变压器输入功率等于输出功率（( P_1 = P_2 )），但实际运行中存在铜损（绕组电阻发热）和铁损（铁芯涡流和磁滞损耗）。实际输出电压会略低于理论值。

3. 电气隔离与安全

变压器通过磁耦合实现原、副边的电气隔离，避免直接电连接，提高了系统安全性。

二、高考物理中的变压器常见题型

高考物理中，变压器常与电磁学、电路分析结合考查，以下是高频题型及解题策略：

1. 基本关系计算题

题型特点：给定原副线圈匝数比、输入电压或电流，求输出电压、电流或功率。

公式应用：

电压比：( frac{U_1}{U_2} = frac{n_1}{n_2} )

电流比（单副线圈）：( frac{I_1}{I_2} = frac{n_2}{n_1} )

功率守恒：( P_1 = P_2 )（理想情况下）

示例：若原线圈匝数 ( n_1 = 1000 )，输入电压 ( U_1 = 220V )，副线圈匝数 ( n_2 = 200 )，求输出电压 ( U_2 )。

答案：( U_2 = 44V ) 。

2. 动态分析题

题型特点：考查匝数比、负载电阻变化对电流、电压的影响。

解题关键：

原线圈电压由电源决定，不受负载影响。

副线圈电流由负载决定，原线圈电流随之变化（( I_1 = frac{n_2}{n_1} I_2 )）。

示例：若副线圈负载电阻增大，判断原线圈电流表读数变化。

答案：电流减小。

3. 多副线圈问题

题型特点：多个副线圈共存时，需综合功率守恒和匝数比关系。

公式扩展：( P_1 = P_2 + P_3 )，( frac{U_1}{n_1} = frac{U_2}{n_2} = frac{U_3}{n_3} )。

示例：原线圈接220V交流电，两个副线圈匝数分别为 ( n_2 = 50 )、( n_3 = 150 )，求两副线圈电压。

答案：( U_2 = 11V )，( U_3 = 33V ) 。

4. 远距离输电综合题

题型特点：结合升压变压器、输电线电阻、降压变压器考查功率损耗和效率。

核心公式：

输电线损耗功率：( P_{

ext{损}} = I^2 R_{

ext{线}} )

输电效率：( eta = frac{P_{

ext{用}}}{P_{

ext{发}}} )

示例：计算输电电压提高后，输电线损耗的变化。

答案：损耗与电压平方成反比，电压加倍则损耗降至1/4。

三、备考建议

1. 强化基础公式：掌握电压、电流、功率关系及推导过程，理解理想变压器的能量守恒本质。

2. 题型分类突破：针对动态分析、多线圈、远距离输电等题型，总结解题模板（如“原制约副，副制约原”原则）。

3. 实验题专项训练：关注电表改装、误差分析等高频实验考点，结合教材实验原理强化理解。

4. 真题演练与错题复盘：通过高考真题（如网页35中的例题）熟悉命题规律，分析错题中公式应用或模型理解的漏洞。

四、典型高考真题解析（示例）

题目（改编自网页35）：理想变压器原副线圈匝数比为20:1，副线圈接两个“12V,6W”并联灯泡。若灯泡正常发光，求原线圈中电压表和电流表的示数。

解析：

副线圈总功率 ( P_2 = 2imes 6W = 12W )，电压 ( U_2 = 12V )。

原线圈电压 ( U_1 = frac{n_1}{n_2} U_2 = 20imes 12V = 240V )。

副线圈电流 ( I_2 = frac{P_2}{U_2} = 1A )，原线圈电流 ( I_1 = frac{n_2}{n_1} I_2 = frac{1}{20}imes 1A = 0.05A )。

答案：电压表240V，电流表0.05A。