11.4 实验：探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系 （Word教师用书）-【创新方案】2025年高考物理一轮总复习（通用版）

第四讲　实验：探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系(基础实验) 　 　　　　　　　　　　　　　　　 一、理清原理与操作 实验 原理图 实验方法：控制变量法 (1)U1、n1一定，研究n2和U2的关系； (2)U1、n2一定，研究n1和U2的关系。 操 作 要 领 (1)保持原线圈的匝数n1和电压U1不变，改变副线圈的匝数n2，研究n2对副线圈电压U2的影响。 (2)保持副线圈的匝数n2和原线圈两端的电压U1不变，研究原线圈的匝数对副线圈电压的影响。 二、掌握数据处理方法 将两种情况下所测数据分别列表，通过分析可知，理想变压器原、副线圈两端电压U1、U2之比等于两个线圈的匝数n1、n2之比。 三、强化重点环节和关键能力 1．注意事项 (1)要事先推测副线圈两端电压的可能值。 (2)为了人身安全，只能使用低压交流电压，所用电压不要超过12 V，即使这样，通电时不要用手接触裸露的导线、接线柱。 (3)为了多用电表的安全，使用交流电压挡测电压时，先用最大量程挡试测，大致确定电压后再选择适当的挡位进行测量。 (4)连接电路后要由同组的几位同学分别独立检查，然后请老师确认，只有这时才能接通电源。 2．误差分析 (1)由于漏磁，通过原、副线圈的每一匝的磁通量不严格相等造成误差。 (2)原、副线圈有电阻，原、副线圈中的焦耳热损耗(铜损)造成误差。 (3)铁芯中有磁损耗，产生涡流造成误差。 1．(2024·深圳中学月考)(1)为探究变压器两个线圈的电压关系，张明同学设计了如图1所示的实验电路，操作步骤如下： A．将原线圈与副线圈对调，重复以上步骤； B．将匝数较多的一组线圈接到学生电源的交流电源输出端上，另一个作为副线圈，接上小灯泡； C．闭合电源开关，用多用电表的交流电压挡分别测量原线圈和副线圈两端的电压； D．将两个线圈套到可拆变压器的铁芯上； ①以上操作的合理顺序是________(填步骤前的字母代号)； ②在实验中，当原线圈匝数n1＝1 600，副线圈匝数n2＝400时，若原线圈两端电压为8 V，则副线圈两端电压为2 V；原、副线圈对调后，原线圈两端电压为3 V，副线圈两端电压为12 V，那么可初步确定，变压器原、副线圈的电压U1、U2与原、副线圈匝数n1、n2的关系是______(填写字母关系式)。 (2)另一个同学在做“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”的实验时，忘记把图2甲中的变压器铁芯A组装到变压器铁芯B上，组装后的变压器如图2乙所示，在铁芯上的原、副线圈匝数分别为n1＝1 000匝和n2＝500匝，原线圈两端与u＝10sin 100πt V的交流电源相连，则副线圈两端电压的有效值可能是________。 A．10 V B．1 V C．5 V D．10 V 解析：(1)①在探究变压器两个线圈的电压关系实验中，首先将两个线圈套到可拆变压器的铁芯上，再将匝数较多的一组线圈接到学生电源的交流电源输出端上，另一个作为副线圈，接上小灯泡，闭合电源开关，用多用电表的交流电压挡分别测量原线圈和副线圈两端的电压，最后将原线圈与副线圈对调，重复以上步骤。故操作的合理顺序是DBCA。 ②根据题中所给数据可得 ＝，＝ 由此可知，变压器原、副线圈的电压U1、U2与原、副线圈匝数n1、n2的关系是＝。 (2)根据题意可知，原线圈两端与u＝10sin 100πt V的交流电源相连，则原线圈电压的有效值为U1＝＝10 V，在不考虑漏磁的情况下，有＝，可得U2＝5 V，由于没有将铁芯正常组装，则副线圈两端的有效值会比计算值更小，故A、C、D错误，B正确。故选B。 答案：(1)①DBCA　②＝　(2)B 2．一个教学用的简易变压器，两线圈的匝数未知，某同学想用所学变压器的知识测定两线圈的匝数。 (1)为完成该实验，除了选用交流电压表、导线外，还需要选用低压________(填“直流”或“交流”)电源。 (2)该同学在变压器铁芯上绕10匝绝缘金属导线C，然后将简易变压器的A、B两线圈依次接电源，用电压表分别测出线圈A、线圈B及线圈C两端的电压，记录在下面的表格中，则线圈A的匝数为________匝，线圈B的匝数为________匝。 A线圈电压 B线圈电压 C线圈电压 8.0 V 3.8 V 0.2 V (3)为减小线圈匝数的测量误差，你认为绕制线圈C的匝数应该________(填“多一些”“少一些”)更好。 解析：(1)需要选用低压交流电源，才能产生交变的磁场。 (2)根据变压器原理有：＝ 解得：nA＝nC＝400匝 同理有：＝ 解得：nB＝nC＝190匝。 (3)根据＝，可知C的匝数越多，C的电压示数越大，测量更准确，故线圈C的匝数应该多一些。 答案：(1)交流　(2)400　190　(3)多一些 3.(2024·青岛模拟)有一个教学用的可拆变压器，如图所示，它有两个外观基本相同的线圈A和B，线圈外部还可以绕线。 (1)某同学用多用电表的欧姆挡测量了A、B线圈的电阻值，发现B线圈电阻约为A线圈电阻的3倍，则可推断________线圈的匝数多。(选填“A”或“B”) (2)如果把它看作理想变压器，现要测量A、B线圈的匝数，提供的器材有：一根足够长的绝缘导线、一只多用电表和一只低压交流电源(输出电压的有效值不变)。 现采用如下方法进行测量。请补充实验步骤，完成A、B线圈匝数的测量(需要测量的物理量请用字母表示，并说明其含义)。 ①将绝缘导线一端与A线圈上方接线柱相连，顺着原来的绕制方向在变压器的铁芯上再绕制n匝线圈； ②将绝缘导线的另一端和A线圈下方接线柱分别与低压交流电源两端相连接； ③用多用电表的交流电压挡先后测量低压交流电源两端的电压U0和B线圈的输出电压U2； ④________________________________________________________________________； ⑤拆除电路并整理器材。 A、B线圈的匝数nA和nB的表达式为nA＝__________，nB＝__________。 解析：(1)根据电阻定律，导线越长，电阻越大，因为B线圈电阻约为A线圈电阻的3倍，即B的电阻比A的大，所以B线圈匝数多。 (2)由实验步骤知④应为用多用电表的交流电压挡测量A线圈两端的电压U1。根据变压器原、副线圈电压比等于匝数比，有＝，＝，联立解得A线圈的匝数nA＝，B线圈的匝数nB＝。 答案：(1)B　(2)④用多用电表的交流电压挡测量A线圈两端的电压U1　⑤　 4．(2023·云南昆明模拟)某实验小组用如图所示电路探究“变压器原、副线圈电压与匝数的关系”，图中变压器为可拆变压器。 实验提供的器材有： (1)电源应选________，测量电压应选________。(均选填字母代号) (2)若用匝数N1＝100匝和N2＝200匝的变压器做实验，在原线圈N1的两端分别加上2 V、4 V、6 V和8 V的电压，测量出副线圈两端的相应的电压，记录在下面的表格中。表格中第2次实验，副线圈上电压的示数如图丙所示，电压量程为0～10 V交流电压挡，读数为______________V，并计算出此次实验U1∶U2＝__________。 实验次数 1 2 3 4 U1/V 2 4 6 8 U2/V 3.9 11.8 15.7 1∶1.95 1∶1.97 1∶1.96 (3)根据实验数据可得结论___________________________________________。 (4)导致实验误差的原因可能是__________。 A．原线圈所加电压小 B．变压器的铁芯漏磁 C．变压器的铁芯产生涡流 解析：(1)实验需要提供交流电源，干电池只能提供直流电源，所以电源应选学生电源，实验中要测量的是交流电压，故不能选直流电压表，只能选用多用电表。 (2)电压量程为0～10 V交流电压挡，测交流电压应读多用电表刻度线的中间一行，故读数为7.8 V。则计算出此次实验中U1∶U2＝1∶1.95。 (3)根据实验数据可得，在误差允许的范围内，理想变压器的原线圈与副线圈的电压之比等于线圈匝数之比。 (4)原线圈输入电压大小不会影响电压比和匝数比，故A错误；变压器的铁芯漏磁使得能量损耗，从而导致电压比与匝数比有差别，故B正确；变压器的铁芯产生涡流使得能量损耗，从而会导致电压比与匝数比有差别，故C正确。故选B、C。 答案：(1)B　D　(2)7.8　1∶1.95　(3)在误差允许的范围内，理想变压器的原线圈与副线圈的电压之比等于线圈匝数之比　(4)BC 5．(2023·重庆高考)一兴趣小组拟研究某变压器的输入和输出电压之比，以及交流电频率对输出电压的影响。题图1为实验电路图，其中L1和L2为变压器的原、副线圈，S1和S2为开关，P为滑动变阻器RP的滑片，R为电阻箱，E为正弦式交流电源(能输出电压峰值不变、频率可调的交流电)。 (1)闭合S1，用多用电表交流电压挡测量线圈L1两端的电压。滑片P向右滑动后，与滑动前相比，电表的示数___________(选填 “变大”“不变”或“变小”)。 (2)保持S2断开状态，调整E输出的交流电频率为50 Hz，滑动滑片P，用多用电表交流电压挡测得线圈L1两端的电压为2 500 mV时，用示波器测得线圈L2两端电压u随时间t的变化曲线如图2所示，则线圈L1两端与L2两端的电压比值为_________(保留3位有效数字)。 (3)闭合S2，滑动P到某一位置并保持不变。分别在E输出的交流电频率为50 Hz、1 000 Hz的条件下，改变R的阻值，用多用电表交流电压挡测量线圈L2两端的电压U，得到U­R关系曲线如图3所示。用一个阻值恒为20 Ω的负载R0替换电阻箱R，由图可知，当频率为1 000 Hz时，R0两端的电压为_______mV；当频率为50 Hz时，为保持R0两端的电压不变，需要将R0与一个阻值为_______Ω的电阻串联。(均保留3位有效数字) 解析：(1)闭合S1，滑动变阻器RP是分压式接法，滑片P向右滑动后，线圈L1两端的电压增大，因此与滑动前相比，电表的示数变大。 (2)保持S2断开状态，调整E输出的交流电频率为50 Hz，用多用电表交流电压挡测得线圈L1两端的电压为U1＝2 500 mV，线圈L2两端电压u随时间t的变化曲线如题图2所示，由u­t图像可得，线圈L2两端电压为 U2＝＝ mV 则线圈L1两端与L2两端的电压比值为 ＝≈12.6。 (3)由题图3可知，当频率为1 000 Hz时，R0＝20 Ω对应的电压为270 mV；当频率为50 Hz时，要保证R0两端电压不变，即通过R0的电流不变，可以在图3上作出电流为13.5 mA的图线，如图所示，该图线与50 Hz的U­R图线的交点横坐标为32.0 Ω，即为R0与其串联电阻的总阻值，故串联电阻的阻值为12.0 Ω。 答案：(1)变大　(2)12.6　(3)272　12.0 学科网（北京）股份有限公司 $$