【知识点详解】
高中物理课程中的习题课主要围绕变压器和电能的输送展开,这两个主题是电磁学领域的重要部分,涉及到电路理论、电磁感应和能量转换等概念。
1. **变压器原理**:变压器是利用电磁感应原理改变交流电压的设备。它的基本结构包括原线圈和副线圈,通过互感作用实现电压的升高或降低。原线圈接在电源上,副线圈连接负载。理想变压器假设没有能量损失,电压比等于线圈匝数比,即\( \frac{U_1}{U_2} = \frac{n_1}{n_2} \),其中\( U_1 \)和\( U_2 \)分别是原、副线圈两端的电压,\( n_1 \)和\( n_2 \)是原、副线圈的匝数。
2. **远距离输电**:在远距离输电中,为了减少因电流过大引起的电能损耗(主要表现为导线发热),通常采用高压输电。当功率不变时,提高电压会降低电流,从而减小导线上的热损耗,提高输电效率。题目中提到的选项B正确体现了这个原则。
3. **变压器与功率关系**:理想变压器输入功率等于输出功率,即\( P_1 = P_2 \)。无论原、副线圈的电压和电流如何变化,只要无能量损失,这个关系始终成立。
4. **电动机与变压器**:电动机在电路中相当于一个非纯电阻负载,其两端电压不仅包含电阻压降,还包括反电动势。电动机消耗的功率包括电阻损耗和机械功率,而变压器的输入功率等于电动机消耗的功率加上其他负载的功率。
5. **输电线路设计**:在设计输电线路时,需要考虑允许的功率损耗。根据公式\( P_{loss} = I^2R \),电流越大,电阻损耗越大。因此,需要通过升压变压器提高电压,减小电流,以减少损耗。同时,根据功率守恒,升压变压器的输入功率等于降压变压器的输出功率,而降压变压器将高压电转化为适合用户使用的低压电。
6. **超导材料减少损耗**:超导材料具有零电阻特性,使用超导材料作为输电线可以极大减少电能损耗。如果原来损耗的功率是10%,改为超导线后,这部分损耗可以完全消除,即减少106kW的功率损耗。
7. **电能输送分析**:功率损耗与电流的平方和导线电阻成正比,即\( P_{loss} = I^2R \)。因此,输电电压越高,电流越小,损耗越低,选项C正确。
8. **变压器并联电路**:当变压器的两组线圈并联时,电压比与匝数比相等。题目中的现象说明两组线圈等效为一个电压为110V的电源,无论哪一组加电压,另一组输出都是110V。
9. **调压变压器**:调压变压器通过改变原线圈和副线圈之间的相对位置来调整输出电压。根据变压器的工作原理,滑动触头的位置改变会直接影响到输出电流,选项A和C正确描述了这种关系。
10. **电流与匝数比**:由交流电流的瞬时值和电流表读数,可以计算出原、副线圈的匝数比。当\( t = T \)时,原线圈电流最大,副线圈电流读数为0.4A,原线圈电流为30mA,因此,\( \frac{n_1}{n_2} = \frac{i_2}{i_1} = \frac{0.4A}{0.03A} \),得到匝数比约为40:3。
11. **变压器的连接方式**:理想变压器的连接方式会影响电压和电流的关系。题目中列出的四种连接方式中,只有①和②符合电压与电流比的关系,因为它们保持了输入和输出的电压比例。
通过以上解析,我们可以看到,高中物理中的变压器和电能输送知识点包括变压器的工作原理、电压与电流的关系、远距离输电策略、功率损耗计算、以及变压器在实际应用中的设计和操作。这些内容是理解和解决实际电力系统问题的基础。