第3节 变压器（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第二册（教科版2019）

第3节　变压器 核心 素养 导学 物理观念 (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。 (2)知道理想变压器是忽略了能量损失的一种理想模型。 (3)了解电压互感器和电流互感器的原理及应用。 科学思维 (1)会推导理想变压器原、副线圈电流与匝数的关系。 (2)会用能量的观点理解变压器的工作原理。 科学探究 实验探究原、副线圈电压、电流与匝数的关系。 科学态度与责任 (1)进一步体会建立理想模型的思维方法。 (2)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。 一、变压器的结构与原理 1．变压器的结构 (1)如图甲所示，变压器由闭合的_____和绕在铁芯上的两个______组成，其中闭合铁芯由表面涂有绝缘漆的_______叠加而成，线圈一般用高强度的漆包线绕制。在电路中，变压器的符号如图乙所示。 (2)原线圈与副线圈：一个线圈与交流电电源连接，叫作______，也叫_________；另一个线圈与负载连接，叫作_______，也叫__________。 铁芯 线圈 硅钢片 原线圈 初级线圈 副线圈 次级线圈 2．原理：_____现象是变压器工作的基础，原线圈中的电流的大小、方向不断变化，铁芯中的____也在不断变化，变化的磁场在副线圈中产生__________，所以副线圈能输出电流。 互感 磁场 感应电动势 匝数 3．两类变压器 (1)降压变压器：_______的电压比_______电压低的变压器。 (2)升压变压器：________的电压比________电压高的变压器。 4．发展空间：理想变压器功率、电流与匝数的关系 副线圈 原线圈 副线圈 原线圈 P1＝P2 1.观察如图所示的可拆变压器，判断下列说法正误。 (1)变压器的原、副线圈没有导线连接，副线圈不能输出电流。 ( ) (2)变压器的两个线圈之间是通过磁场联系在一起的，两个线圈间是绝缘的。( ) (3)原、副线圈都绕在同一闭合铁芯上。 ( ) × √ √ 2．观察如图所示的两个变压器，哪一个是降压变压器？ 提示：题图乙表示的是降压变压器。 3．利用控制变量法，在原线圈输入电压U1一定，原线圈匝数n1不变时，研究副线圈上的电压U2与对应匝数n2的关系；再研究在副线圈匝数n2不变时，副线圈上的电压U2与对应原线圈匝数n1的关系。 判断下列说法正误： (1)U1、n1一定时，若n2增大，U2也一定增大。 ( ) (2)U1、n2一定时，若n1增大，U2也一定增大。 ( ) (3)n1、n2一定时，若U1增大，则U2一定减小。 ( ) √ × × 新知学习(一)|理想变压器的基本原理 [任务驱动] 如图所示，把两个没有导线相连的线圈套在同一个闭合铁芯上，一个线圈(原线圈)通过开关可以连接到交流电源的两端，另一个线圈(副线圈)连到小灯泡上。连接电路，闭合开关，小灯泡能发光。 (1)两个线圈并没有连接，小灯泡为什么会发光？ (2)小灯泡两端的电压与学生电源的输出电压相等吗？ (3)若将原线圈接在恒定的直流电源上小灯泡发光吗？ 提示：(1)当左边线圈加上交流电压时，左边线圈中就有交变电流，它在铁芯中产生周期性变化的磁场，根据法拉第电磁感应定律知，在右边线圈中会产生感应电动势，右边线圈作为电源给小灯泡供电，小灯泡就会发光。 (2)不相等。 (3)不发光。　　　　 [重点释解] 1．工作原理 [典例体验] [典例]　某同学设计了一个充电装置，如图所示。假设永磁铁的往复运动在螺线管中产生近似正弦式交流电，周期为0.2 s，电压最大值为0.05 V。理想变压器原线圈接螺线管，副线圈接充电电路，原、副线圈匝数比为1∶60，下列说法正确的是 (　 ) A．交流电的频率为10 Hz B．副线圈两端电压最大值为3 V C．变压器输入电压与永磁铁磁场强弱无关 D．充电电路的输入功率大于变压器的输入功率 [针对训练] 1．理想变压器的原线圈匝数不变，原线圈接入电压有效值恒定的交流电，则副线圈的 (　 ) A．匝数越少，输出电压越高 B．匝数越多，输出电压越高 C．输出功率比输入功率小 D．输出功率比输入功率大 解析：原、副线圈的电压之比等于原、副线圈的匝数之比，A错误，B正确；理想变压器的输入功率和输出功率相等，C、D错误。 答案：B　 [典例体验] [典例]　如图所示，理想变压器原线圈接入电压恒定的正弦交流电，副线圈接入最大阻值为2R的滑动变阻器和阻值为R的定值电阻。在变阻器滑片从a端向b端缓慢移动的过程中 (　 ) A．电流表A1示数减小 B．电流表A2示数增大 C．原线圈输入功率先增大后减小 D．定值电阻R消耗的功率先减小后增大 /方法技巧/ 理想变压器动态分析方法 (1)抓住三个决定原则：输入电压U1决定输出电压U2；输出电流I2决定输入电流I1；输出功率P2决定输入功率P1。 (2)把副线圈当作电源，研究副线圈电路中的电阻变化。 (3)根据闭合电路的欧姆定律，判定副线圈电流的变化、功率的变化。 (4)根据理想变压器的变压规律、变流规律和功率规律判定原线圈电流的变化及输入功率的变化。 [针对训练] 1. 如图所示，理想变压器原线圈的输入电压u一定，电路中的电表均为理想电表，当滑动变阻器的滑片由上向下滑动时，下列说法正确的是 (　 ) A．电流表 示数减小 B．电流表 示数增大 C．电压表 示数减小 D．电压表 示数增大 2. 变压器的副线圈匝数可调，R0为输电线电阻。滑动触头P处于如图所示位置时，用户的用电器恰好正常工作。当用电器增多时，下列说法正确的是 (　 ) A．原线圈中的电流减小 B．副线圈两端的电压减小 C．用电器增多时，只需使滑动触头P向上滑，用电器仍能正常工作 D．用电器增多时，只需减小电源的输出电压，用电器仍能正常工作 解析：原线圈两端电压和原、副线圈匝数比不变，则副线圈两端电压不变，B错误；当用电器增加时，总电阻减小，副线圈中电流增大，根据原、副线圈电流之比等于匝数的反比可知，原线圈中电流也增大，A错误；通过R0的电流增大，R0分得的电压也增大，要使用电器仍能正常工作，应增大副线圈两端电压，而原线圈两端电压不变，故应使滑动触头P向上滑动，增加副线圈匝数，C正确；若减小电源的输出电压，在匝数比不变的情况下，副线圈两端电压减小，则用电器不能正常工作，D错误。 答案：C　 [典例体验] [典例]　某班物理实验课上，同学们用可拆变压器“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”。可拆变压器如图甲、乙所示。 (1)下列说法正确的是________。 A．为确保实验安全，实验中要求原线圈匝数小于副线圈匝数 B．变压器的原线圈接低压交流电，测量副线圈电压时应当用多用电表的“直流电压挡” C．可以先保持原线圈电压、匝数不变，改变副线圈的匝数，研究副线圈匝数对副线圈电压的影响 D．测量副线圈电压时，多用电表先用最大量程试测，大致确定电压后再选用适当的挡位进行测量 E．变压器开始正常工作后，铁芯导电，把电能由原线圈输送到副线圈 F．变压器开始正常工作后，若不计各种损耗，在原线圈上将电能转化成磁场能，在副线圈上将磁场能转化成电能，铁芯起到“传递”磁场能的作用 (2)如图丙所示，某同学自己绕制了两个线圈套在可拆变压器的铁芯上。原线圈接学生电源的交流输出端，副线圈接小灯泡。下列说法正确的是________。 [解析]　(1)为确保实验安全，应该降低输出电压，实验中要求原线圈匝数大于副线圈匝数，A错误；变压器只能改变交流电的电压，原线圈输入交流电压，副线圈输出交流电压，应用多用电表的“交流电压挡”测量，B错误；研究变压器电压和匝数的关系，用到控制变量法，可以先保持原线圈电压、匝数不变，改变副线圈的匝数，研究副线圈匝数对副线圈电压的影响，C正确；为了保护电表，测量副线圈电压时，先用最大量程试测，大致确定电压后再选用适当的挡位进行测量，D正确；变压器的工作原理是电磁感应现象，若不计各种损耗，在原线圈上将电能转化成磁场能，在副线圈上将磁场能转化成电能，铁芯起到“传递”磁场能的作用，不是铁芯导电，传输电能，E错误，F正确。 (2)与变压器未通电时相比较，通电时，线圈产生磁性，对横条铁芯具有吸引力，若将可拆变压器上端的横条铁芯取下将更费力，A正确；增加原线圈绕制的圈数，根据变压比可知，输出电压减小，灯泡的亮度降低，B错误；增加副线圈绕制的圈数，根据变压比可知，输出电压增大，根据欧姆定律可知，输出电流增大，根据变流比可知，输入电流增大，学生电源的过载指示灯可能会亮起，C正确。 [针对训练] 　某同学做了探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系的实验，请回答以下问题： (1)本实验中需要测量电压，则在如图所示的器材中，应________。 A．选甲图中的器材　　　 B．选乙图中的器材 C．都可以选 D．都不能选 (2)某同学在做本实验时，选择的原线圈为100匝，副线圈为200匝；他将原线圈接入学生电源中的交流电压“6 V”挡位，用合适的电表测量出副线圈的电压为13.0 V，则下列叙述可能符合实际情况的一项是________。 A．变压器的铁芯没有闭合 B．一定是电压的测量出了问题 C．副线圈实际匝数与标注的“200”不符，应该小于200匝 D．学生电源实际输出电压大于标注的“6 V” 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 科学思维——理想变压器随负载电阻变化分析 1．(选自人教版教材课后练习)如图是街头变压器通过降压给用户供电的示意图。变压器的输入电压是市区电网的电压，负载变化时输入电压不会有大的波动。输出电压通过输电线输送给用户，两条输电线的总电阻用R0表示，变阻器R代表用户用电器的总电阻，当用电器增加时，相当于R的值减小(滑动片向下移)。如果变压器上的能量损耗可以忽略，当用户的用电器增加时，图中各表的读数如何变化？ 科学态度与责任——电流互感器的应用 2．(选自粤教版教材课后练习)在某些需要带电工作的情 况下测量交变电流时，电工需要使用钳形电流表，其结 构如图所示。试说明钳形电流表测量交变电流大小的原 理。(提示：被测导线相当于变压器的初级线圈，二次绕组相当于变压器的次级线圈) 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1．(2024·北京高考)如图甲所示，理想变压器原线圈接在正弦式交流电源上，输入电压u随时间t变化的图像如图乙所示，副线圈接规格为“6 V　3 W”的灯泡。若灯泡正常发光，下列说法正确的是(　 ) 答案：B　 2．如图所示为汽车的点火装置，此装置的核心是一个变 压器，该变压器的原线圈通过开关连接到12 V的蓄电 池上，副线圈连接到火花塞的两端，开关由机械控制， 当开关由闭合变为断开时，副线圈中产生10 000 V以上的电压，火花塞中产生火花。下列说法正确的是 (　 ) A．该变压器的原线圈要用粗导线绕制，而副线圈可以用细导线绕制 B．若该点火装置的开关始终闭合，火花塞的两端会持续产生高压 C．变压器原线圈输入的12 V电压必须是交流电，否则就不能在副线圈中产生高压 D．该点火装置中变压器的副线圈匝数必须小于原线圈的匝数 解析：由题意知，该变电器为升压变压器，且原线圈中电流大，需用粗导线绕制，故A正确；汽车的点火装置是利用变压器原理工作的，当开关始终闭合时，通过原线圈的电流恒定，原线圈中产生的磁场恒定，则在副线圈上不会产生电压，故B错误；由题可知原线圈处接12 V的直流电源，当断开开关瞬间，原线圈中电流迅速变化，会产生变化的磁场，则在副线圈中可能产生高压，故C错误；由变压器的电压与匝数的关系可知，要在副线圈中产生高压，则原线圈匝数必须小于副线圈的匝数，故D错误。 答案：A　 3．(2024·海南高考)(多选)电动汽车充电站变压器输入电压为10 kV，输出电压为220 V，每个充电桩输入电流为16 A，设原、副线圈匝数分别为n1、n2，输入正弦交流电的频率为50 Hz，则下列说法正确的是(　 ) A．交流电的周期为0.02 s B．原、副线圈匝数比n1∶n2＝11∶500 C．输出的最大电压为220 V D．若10台充电桩同时使用，输入功率为35.2 kW 答案：AD　 课时跟踪检测（十二） (单击进入电子文档) 46 (1)变压器应用了电磁感应互感原理。 (2)变压器只适用于交变电流。　　 二、变压器的电压与匝数的关系 1．理想变压器 (1)忽略漏磁，即认为交变电流产生的磁场的磁感线全部都在铁芯内。 (2)忽略一切能量损耗。 2．电压与匝数的关系：理想变压器原、副线圈两端的电压之比等于两个线圈的_______之比，即：＝_______。 (1)输入功率为P1，输出功率为P2，则________，即I1U1＝I2U2。 (2)原线圈电流为I1，副线圈电流为I2，则__________。 ＝ 2．基本规律 (1)电动势关系：由于互感现象，且没有漏磁，原、副线圈中每一匝线圈都具有相同的，根据法拉第电磁感应定律有E1＝n1，E2＝n2，所以＝。 (2)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＝。当有n组线圈时，则有：＝＝＝…。 (3)功率关系：对于理想变压器，不考虑能量损失，P入＝P出。 (4)电流关系：由功率关系，当只有一个副线圈时，I1U1＝I2U2，得＝＝。当有多个副线圈时，I1U1＝I2U2＋I3U3＋…，得I1n1＝I2n2＋I3n3＋…。 [解析]　周期T＝0.2 s，频率f＝＝5 Hz，A错误；由理想变压器原理可知＝，副线圈两端的最大电压为U2＝U1＝3 V，B正确；变压器的输入电压由螺线管与永磁铁相对运动产生，故输入电压与永磁铁的磁场强弱有关，C错误；由理想变压器原理可知，充电电路的输入功率等于变压器的输入功率，D错误。 [答案]　B /方法技巧/ (1)变压器只能改变交变电流的电压，不能在直流电路中使用。 (2)原、副线圈的电压、电流发生变化，而频率不变。 (3)当变压器有多个副线圈时，电压关系仍适用，而电流关系式＝不再适用。 2.如图所示的电路中，理想变压器原、副线圈的匝数比n1∶n2＝22∶1，原线圈接u1＝220sin(100πt)V的交流电，电阻R＝10 Ω，电流表、电压表均为理想电表，则(　 ) A．电压表的读数为10 V B．电流表的读数为22 A C．输出电流的频率为100 Hz D．变压器的输出功率为10 W 解析：原线圈电压有效值为U1＝ V＝220 V，则副线圈电压有效值为：U2＝U1＝10 V，则电压表的读数为10 V，A错误；电流表的读数I2＝＝1 A，B错误；输入、输出电流的频率不变，应为50 Hz，C错误；变压器的输出功率为P＝I2U2＝10 W，D正确。 答案：D　 新知学习(二)|理想变压器动态分析问题 [重点释解] 1．电压制约：当变压器原、副线圈的匝数比一定时，输出电压U2由输入电压U1决定，即U2＝。 2．电流制约：当变压器原、副线圈的匝数比一定，且输入电压U1确定时，原线圈中的电流I1由副线圈中的输出电流I2决定，即I1＝。 3．功率制约 (1)变压器副线圈中的功率P2由用户负载决定，P2＝P负1＋P负2＋…； (2)变压器的输入功率P1＝P2，即变压器的输入功率是由输出功率决定的。 4．两种常见的动态分析 (1)原、副线圈匝数比不变，分析各物理量随负载电阻变化而变化的情况，进行动态分析的顺序是R→I2→P2→P1→I1。 (2)负载电阻不变，分析各物理量随匝数比的变化而变化的情况，进行动态分析的顺序是→U2→I2→P2→P1→I1。 [解析]　由于原线圈所接电压恒定，匝数比恒定，故变压器副线圈的输出电压恒定，变阻器的滑片从a端向b端缓慢移动的过程中，由数学知识可知，变压器副线圈所接的电阻值逐渐增大，则由欧姆定律得I2＝，可知副线圈的电流逐渐减小，由＝可知变压器原线圈的电流I1也逐渐减小，A正确，B错误；原线圈的输入功率为P入＝U1I1，由于I1逐渐减小，则原线圈的输入功率逐渐减小，C错误；由于副线圈的电流逐渐减小，则定值电阻与变阻器右半部分并联的总电流减小，又与定值电阻并联的变阻器右半部分的电阻值逐渐减小，则由并联分流规律可知，流过定值电阻的电流逐渐减小，则由公式PR＝I2R可知，定值电阻R消耗的电功率逐渐减小，D错误。 [答案]　A 解析：滑动变阻器的滑片由上向下滑动时，电阻R2减小，根据闭合电路欧姆定律，和R2串联的元件电流增大，所以、示数增大，A错误，B正确；理想变压器原线圈的输入电压u一定，根据＝知，示数不变，C错误；总电流增大，经过R1的电流也增大，其两端的电压也增大，而R1和R2总电压不变，所以R2两端电压减小，即电压表示数减小，D错误。 答案：B　 新知学习(三) [重点释解] 1．实验目的：探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系。 2．设计思路：利用教学用的可拆变压器，采用控制变量法进行探究。可拆变压器能方便地从不同接线柱上选取不同匝数的线圈。 3．数据处理方法 (1)用表格的形式把原、副线圈的匝数与对应的电压进行比较，寻找它们之间的关系。 (2)得出探究的结果后，力求用准确而精练的语言把它们表述出来。如果可能，最好用数学关系式来表达。 4．实验结论：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。 A．与变压器未通电时相比较，此时若将可拆变压器上端的横条铁芯取下将更费力 B．若仅增加原线圈绕制的圈数，小灯泡的亮度将保持不变 C．若仅增加副线圈绕制的圈数，学生电源的过载指示灯可能会亮起 (3)理想变压器是一种理想化模型。请分析说明该模型应忽略哪些次要因素；并证明：理想变压器原、副线圈的电压之比，等于两个线圈的匝数之比，即＝。 (3)理想变压器模型应忽略的次要因素如下：①不计漏磁，即通过原、副线圈每匝线圈的磁通量都相等，因而不计磁场能损失；②不计原、副线圈的电阻，因而不计线圈的热能损失；③不计铁芯中产生的涡流，因而不计铁芯的热能损失。综上，理想变压器在传输能量时没有能量损失。根据法拉第电磁感应定律，原、副线圈产生的感应电动势分别为E1＝n1，E2＝n2，因理想变压器不计原、副线圈的电阻，则线圈两端的电压等于它产生的感应电动势，即U1＝E1，U2＝E2，联立解得＝。 [答案]　(1)CDF　(2)AC　(3)见解析 解析：(1)由题图可知，甲图中是多用电表，而乙图是电流表，需要测量交流电压，因此选用甲图，A正确，B、C、D错误。 (2)根据理想变压器的原副线圈的电压与其匝数关系式＝，若变压器的铁芯没有闭合，则得出副线圈的电压小于12 V，A错误；副线圈实际匝数与标注的“200”不符，若小于200匝，由以上公式可知，副线圈的电压小于12.0 V，C错误；若学生电源实际输出电压大于标注的“6 V”，由以上公式可知，副线圈的电压可能为13.0 V，D正确，B错误。 答案：(1)A　(2)D 解析：假定理想变压器原线圈输入的电压U1一定，电压表V1的读数不变；当用户的用电器增加时，相当于R减小，副线圈电压U2＝U1不变，电压表V2的读数不变，电流表A2的读数增大，R0分得的电压增大，故电压表V3的读数减小。因为理想变压器的输入功率等于输出功率，有：P1＝U1I1＝P2＝U2I2，U1、U2的值不变，I2增大，则I1增大，电流表A1的读数增大。 答案：见解析 提示：钳形电流表是一种电流互感器，被测导线通有交变电流，相当于初级线圈。由于电磁感应的互感现象，初级线圈中电流周期性变化时，二次绕组(次级线圈)中产生感应电流，钳形电流表实际上是升压变压器，由＝，可以求得待测交变电流的大小。 A．原线圈两端电压的有效值为24 V B．副线圈中电流的有效值为0.5 A C．原、副线圈匝数之比为1∶4 D．原线圈的输入功率为12 W 解析：由题图乙知，原线圈两端电压的最大值为Um＝24 V，则原线圈两端电压的有效值为U1＝＝24 V，故A错误；灯泡正常发光，副线圈中电流的有效值为I＝＝＝0.5 A，故B正确；由理想变压器电压与匝数关系可知，＝＝，故C错误；理想变压器没有能量损失，原线圈的输入功率等于副线圈的输出功率，则原线圈的输入功率为P1＝PL＝3 W，故D错误。 解析：交流电的周期为T＝＝0.02 s，故A正确；根据理想变压器原、副线圈的电压与线圈匝数的关系可得，原、副线圈匝数比为＝＝＝，故B错误；输出的最大电压为U2m＝U2＝220 V，故C错误；若10台充电桩同时使用，输出功率为P2总＝10U2I2＝10×220×16 W＝35 200 W＝35.2 kW，理想变压器不改变功率，故输入功率为P1总＝P2总＝35.2 kW，故D正确。 $$