第3章 第3节 变压器（Word教参）-【状元桥·优质课堂】2024-2025学年高中物理选择性必修 第二册（人教版2019）

第3节　变压器 [学习目标] 1.知道变压器的工作原理和理想变压器原、副线圈电压与匝数的关系；知道理想变压器是忽略了能量损失的一种理想模型(物理观念).2.会推导理想变压器原、副线圈电流与匝数的关系；会用能量的观点理解变压器的工作原理(科学思维).3.实验探究原、副线圈电压、电流与匝数的关系(科学探究).4.进一步体会建立理想模型的思维方法；养成实验中注意避免触电和安全使用电表的习惯，养成尊重实验数据的严谨科学态度(科学态度与责任)． 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 变压器的原理 1．构造：由__闭合铁芯__和绕在铁芯上的两个线圈组成，与交流电源连接的线圈叫作__原线圈__，与负载连接的线圈叫作__副线圈__. 2．原理：__互感__现象是变压器工作的基础．原线圈中电流的大小、方向在不断变化，铁芯中激发的__磁场__也不断变化，变化的磁场在副线圈中产生__感应电动势__. 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 电压与匝数的关系 1．理想变压器：没有__能量损耗__的变压器叫作理想变压器，它是一个理想化模型． (1)原、副线圈中的电流产生的磁场完全束缚在闭合铁芯内，即无“漏磁”． (2)原、副线圈不计电阻，电流通过时不产生焦耳热，即无“铜损”． (3)闭合铁芯中的涡流为零，即无“铁损”． 2．电压与匝数的关系 理想变压器原、副线圈的电压之比等于原、副线圈的__匝数之比__，即＝　　. 3．两类变压器 副线圈的电压比原线圈的电压低的变压器叫作__降压__变压器；副线圈的电压比原线圈的电压高的变压器叫作__升压__变压器． 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 变压器中的能量转化 原线圈中电场的能量转变成__磁场__的能量，通过铁芯使变化的磁场几乎全部穿过了副线圈，在副线圈中产生了感应电流，磁场的能量转化成了__电场__的能量． 1．判断下列说法的正误． (1)变压器能改变交变电流的电压，也能改变直流电的电压．(　×　) (2)理想变压器不仅可以改变交变电流的电压和电流，还可以改变交变电流的功率和频率．(　×　) (3)输入交变电流的频率越高，输出交变电流的电压就越高．(　×　) (4)我们在使用质量好的变压器工作时没有能量损失．(　×　) 2．(多选)理想变压器工作时，原线圈输入与副线圈输出的物理量一定相同的是(　　) A．电压有效值 B．电流有效值 C．交流电频率 D．电功率 答案　CD 解析　理想变压器只能改变电压、电流，并且不损耗能量，所以电功率不变化；输出频率和输入频率都与铁芯中磁场变化的频率相同，选项C、D正确． 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 变压器的工作原理) 【情境导学】 如图所示，把两个线圈套在同一个闭合铁芯上，一个线圈连接到交流电源的两端，另一个线圈连接到小灯泡上，小灯泡能发光．两个线圈并没有直接连接，小灯泡为什么能发光？ 答案　原线圈中变化的电流在铁芯中产生变化的磁场，变化的磁场在副线圈中产生感应电动势，进而有感应电流，使小灯泡发光． 1．变压器的构造 变压器由闭合铁芯、原线圈、副线圈组成，其构造示意图与电路中的符号分别如图甲、乙所示． 　 2．变压器的工作原理图 注意　(1)变压器不改变交变电流的周期和频率．(2)变压器只对交变电流起作用，对恒定电流不起作用．(3)变压器的两个线圈之间通过磁场联系在一起，两个线圈间是彼此绝缘的． 【例题1】 如图所示，理想变压器原、副线圈的匝数比为n1∶n2＝4∶1，当导体棒在匀强磁场中向左做匀速直线运动切割磁感线时，电流表A1的示数是12 mA，则电流表A2的示数为(　　) A．3 mA B．0 C．48 mA D．与负载R的值有关 思维导引：(1)导体棒向左匀速切割磁感线时，在线圈n1中通过的是恒定电流；(2)穿过原线圈的磁通量不变化，则在副线圈中的磁通量也不变化，因此无感应电动势产生． 答案　B 解析　导体棒向左匀速切割磁感线时，在线圈n1中通过的是恒定电流，不能引起穿过副线圈的磁通量变化，在副线圈上无感应电动势出现，所以A2中无电流通过，选项B正确． 【变式1】 (多选)如图所示，为变压器的示意图，它被用来升高发电机的输出电压，下列说法正确的是(　　) A．图中M是闭合的铁芯 B．发电机应与线圈Ⅰ相连，升高后的电压由c、d两端输出 C．电流以铁芯为通路从一个线圈流到另一个线圈 D．变压器是根据电磁感应原理工作的 答案　AD 解析　由变压器的结构图可知，M为闭合的铁芯，选项A正确；由题意知该变压器为升压变压器，所以原线圈匝数小于副线圈匝数，故Ⅱ为输入端即接发电机，Ⅰ为输出端，选项B错误；铁芯提供闭合的磁路，使电能先转化成磁场能，再在副线圈中转化成电能，选项C错误；变压器工作的基础是互感现象，也即电磁感应原理，选项D正确． 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 实验：探究变压器原、副线圈,电压与匝数的关系 1．实验思路 交变电流通过原线圈时在铁芯中产生变化的磁场，副线圈中产生感应电动势，其两端有输出电压．线圈匝数不同时输出电压不同，实验通过改变原、副线圈匝数，探究原副线圈的电压与匝数的关系． 2．实验器材 多用电表、可拆变压器(如图甲)、学生电源开关、导线若干． 3．实验步骤 (1)按图乙所示连接好电路，将两个多用电表调到交流电压挡，并记录两个线圈的匝数． (2)接通学生电源，读出电压值，并记录在表格中． (3)保持匝数不变，多次改变输入电压，记录每次改变后原、副线圈的电压值． (4)保持输入电压、原线圈的匝数不变，多次改变副线圈的匝数，记录下每次的副线圈匝数和对应的电压值． 4．实验结论 实验分析表明，在误差允许范围内，原、副线圈的电压之比等于两个线圈的匝数之比，即＝. 5．注意事项 (1)在改变学生电源的电压、线圈匝数前均要先断开开关，再进行操作． (2)为了保证人身安全，学生电源的电压不能超过12 V，通电时不能用手接触裸露的导线和接线柱． (3)为了保证多用电表的安全，使用交流电压挡测电压时，先用最大量程挡试测，大致确定被测电压后再选用适当的挡位进行测量． 【例题2】 为完成“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验，必须要选用的是__________. A．有闭合铁芯的原、副线圈 B．无铁芯的原、副线圈 C．交流电源 D．直流电源 E．多用电表(交流电压挡) F．多用电表(交流电流挡) 用匝数na＝60和nb＝120的变压器，实验测量数据如下表， Ua/V 1.80 2.80 3.80 4.90 Ub/V 4.00 6.01 8.02 9.98 根据测量数据可判断连接电源的线圈是__________(选填“na”或“nb”)． 解析　为了完成实验，需要使用交流电源变压，故选用多用电表的交流电压挡：为了让变压效果明显，需要带闭合铁芯的原、副线圈；由于存在能量损耗，所以副线圈测量电压值应该小于理论变压值，即nb为输入端，na为输出端． 答案　ACE　nb 【变式2】 (1)某同学在做“探究变压器原、副线圈两端电压与匝数的关系”实验时，用学生电源提供给图甲所示变压器原线圈的电压为5 V，用演示电表交流50 V挡测量副线圈电压时示数如图乙所示，则变压器的原、副线圈匝数之比可能是__________. 　　　 A．5∶8 B．5∶16 C．1∶14 D．1∶8 (2)街头见到的变压器是降压变压器，假设它只有一个原线圈和一个副线圈，__________(选填“原线圈”或“副线圈”)应该使用较粗的导线． 解析　(1)根据电压表读数知，该变压器的输出电压为40 V，所以变压器的原、副线圈匝数之比＝＝＝，选项D正确，A、B、C错误． (2)理想变压器的电压与匝数成正比，当只有一个副线圈的时候，电流与匝数成反比，街头用电的变压器是降压变压器，可知副线圈的匝数比原线圈的匝数少，副线圈的电流较大，应该使用较粗的导线． 答案　(1)D　(2)副线圈 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 理想变压器的基本关系 1．电压关系：由于不计原、副线圈的电阻，因此原线圈两端的电压U1＝E1，副线圈两端的电压U2＝E2，所以＝. (1)当有n2>n1时，U2>U1是升压变压器；当n2<n1时，U2<U1，是降压变压器． (2)当有n组线圈时，则有＝＝＝…. 2．功率关系：对于理想变压器，不考虑能量损失，有P入＝P出． 3．电流关系：(1)当只有一个副线圈时，有I1U1＝I2U2，得＝. (2)当有多个副线圈时，有I1U1＝I2U2＋I3U3＋…，得I1n1＝I2n2＋I3n3＋…. 【例题3】 如图所示，理想变压器原、副线圈匝数之比为20∶1，原线圈接正弦交流电源，副线圈接入“220 V　60 W”的灯泡一只，且灯泡正常发光，则(　　) A．电流表的示数为 A B．电流表的示数为 A C．电源输出功率为1 200 W D．原线圈两端电压为11 V 思维导引：(1)由灯泡中的电流，结合＝求原线圈中的电流；(2)不作说明时，电压和电流均指有效值；(3)理想变压器的输入功率等于输出功率；(4)由＝求原线圈两端电压． 解析　 A　由题意知流经副线圈的电流I＝ A＝ A，则电流表的示数为I1＝ A，选项A正确，B错误；因为是理想变压器，故电源输出的功率等于灯泡消耗的功率，选项C错误；由U1＝×200 V＝4 400 V知，选项D错误． 【变式3】 一台理想变压器原、副线圈匝数比为22∶1，当原线圈两端输入u1＝220sin 314t(V)的交变电压时，下列说法正确的是(　　) A．副线圈两端电压为10 V B．副线圈接一个10 Ω电阻时，原线圈中的电流为1 A C．副线圈接一个10 Ω电阻时，原线圈中输入功率为10 W D．变压器铁芯中磁通量变化率的最大值是220 V 答案　C 解析　原线圈两端的电压为U1＝220 V，由变压器的变压比＝，可得副线圈两端电压为U2＝10 V；副线圈接一个10 Ω电阻，副线圈中电流I2＝1 A，电功率P2＝U2I2＝10 W，原线圈输入功率也为10 W；由变压器的电流比＝可得I1＝ A；铁芯中磁通量的变化率最大值为＝，由于具体的匝数未知，所以磁通量变化率的最大值未知，选项C正确，A、B，D错误． 1．(变压器的工作原理)关于理想变压器的工作原理，下列说法正确的是(　　) A．通有正弦交变电流的原线圈产生的磁通量不变 B．穿过原、副线圈的磁通量在任何时候都不相等 C．穿过副线圈的磁通量的变化使得副线圈产生感应电动势 D．原线圈中的电流通过铁芯流到了副线圈 答案　C 解析　通有正弦交变电流的原线圈产生的磁场是变化的，由于面积S不变，故磁通量Φ变化，选项A错误；因理想变压器无漏磁，选项B错误；由互感现象知，选项C正确；线圈中的电能转化为磁场能又转化为电能，原、副线圈通过磁场联系在一起，选项D错误． 2．(变压器的基本关系)理想变压器上接有三个完全相同的灯泡，其中一个与该变压器的原线圈串联后接入交流电源，另外两个并联后接在副线圈两端．已知三个灯泡均正常发光．该变压器原、副线圈的匝数之比为(　　) A．1∶2 B．2∶1 C．2∶3 D．3∶2 答案　B 解析　三灯泡都正常发光，则电流相等，由此可知变压器的原、副线圈的电流比＝，由于输入、输出功率相等，P1＝P2，得＝，得＝＝，选项B正确． 3．(变压器的基本关系)如图所示，理想变压器的原线圈接在u＝220sin 100πt(V)的交流电源上，副线圈接有R＝55 Ω的负载电阻，原、副线圈匝数之比为2∶1，电流表、电压表均为理想电表．下列说法正确的是(　　) A．电流表的示数为1 A B．原线圈的输入功率为220 W C．电压表的示数为110 V D．副线圈输出交流电的周期为50 s 答案　A 解析　原线圈中电压的有效值为220 V，根据电压与匝数成正比＝可得，副线圈中电压的有效值为110 V，则电压表的示数为110 V，选项C错误；因为电阻R＝55 Ω，故副线圈中的电流为I2＝＝2 A，则原线圈中的电流为I1＝I2＝1 A，电流表的示数为1 A，选项A正确；由输入功率和输出功率相等可得原线圈中的输入功率为P＝IR＝(2 A)2×55 Ω＝220 W，选项B错误；原线圈中交流电的周期为T＝ s＝0.02 s，则副线圈中输出交流电的周期也为0.02 s，选项D错误． 4．(探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系)理想变压器是指在变压器变压的过程中，线圈和铁芯不损耗能量、磁场被束缚在铁芯内不外漏的变压器．现有一个理想变压器、—个原线圈(匝数为n1)和一个副线圈(匝数为n2)．甲、乙两位同学想探究这个理想变压器的原、副线圈两端的电压与线圈匝数的关系． (1)甲同学的猜想是U1∶U2＝n1∶n2；乙同学的猜想是U1∶U2＝n2∶n1.你认为猜想合理的同学是__________，你做出上述判断所依据的物理规律是________________________. (2)为了验证理论推导的正确性，可以通过实验来探究．为保证实验安全、有效地进行，应选用__________电源． (3)在实验时，若采用多用电表进行测量，应先将选择开关置于__________挡，并选用__________量程进行试测，大致确定被测数据后，再用适当的量程进行测量． 解析　(1)由变压器的工作原理可知，猜想合理的同学是甲同学．做出上述判断依据的物理规律是法拉第电磁感应定律． (2)为了保证实验安全、有效地进行，应选用低压(一般低于12 V)交流电源． (3)使用多用电表时，应先将选择开关置于交流电压挡，并选用最大量程进行试测． 答案　(1)甲　法拉第电磁感应定律　(2)低压交流　(3)交流电压　最大 学科网（北京）股份有限公司 $$