第3节 第2课时 实验探究变压器电压与线圈匝数的关系（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第二册（鲁科版2019 福建专版）

实验:探究变压器电压与线圈匝数的关系 (实验课—基于经典科学探究) 第2课时 1 实验准备——原理、器材和装置 2 实验操作——过程、细节和反思 3 实验考法——基础、变通和创新 CONTENTS 目录 4 训练评介——巩固、迁移和发展 实验准备——原理、器材和装置 一、实验装置 所需器材:可拆变压器(如图)、低压交流电源、交流电压表、带夹的导线。 二、实验原理 当交流电压接入原线圈时,它所产生的变化的磁场就会在副线圈中产生感应电动势。 1.保持原线圈两端电压和匝数不变,改变副线圈的匝数,用交流电压表测出副线圈两端的电压。 2.保持原线圈两端电压和副线圈匝数不变,改变原线圈的匝数,用交流电压表测出副线圈两端的电压。 实验操作——过程、细节和反思 一、实验步骤 　 1.如图所示,连接好电路,并记录两个线圈的匝数。 2.保持原线圈输入的电压和原线圈匝数不变,用交流电压表测量原线圈电压,并记录在表格中。 3.改变副线圈匝数,用交流电压表分别测量副线圈上的电压,把匝数、电压的对应数据记录在表格中。 4.保持副线圈匝数不变,改变原线圈匝数,用交流电压表分别测量副线圈上的电压,把匝数、电压的对应数据记录在表格中。 二、数据处理 　 请将实验数据填入设计的表格中,并根据数据分析比值和之间的关系。 三、实验结论　 实验分析表明,在误差允许的范围内,原、副线圈的电压之比等于原、副线圈的匝数比,即=。 四、误差分析 　 由于存在能量损耗,所以副线圈测量电压值应小于理论电压值。 五、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.为了保证交流电压表的安全,使用交流电压表测电压时,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。 1.原线圈所接的交流电源的电压能超过12 V吗? 提示:不能。原线圈所接的交流电源的电压超过12 V,易造成操作人员人身安全问题。 关键点反思 2.手能触及裸露的导线吗? 提示:不能。副线圈两端的电压超过安全电压时,手触及裸露的导线易造成触电危险。 3.用电压表测量副线圈两端的电压时,电压表的挡位应如何选择? 提示:为避免损坏交流电压表,应先用最大量程挡试测。 实验考法——基础、变通和创新 [例1]　某同学在实验室进行探究变压器原、副线圈电压与匝数关系的实验。他准备了可拆变压器、多用电表、开关和导线若干。 (1)实验需要以下哪种电源　　　　;  A.低压直流电源　　　 B.高压直流电源 C.低压交流电源 D.高压交流电源 考法(一)　实验基本操作 [答案]　C　 [解析]　探究变压器原、副线圈电压与匝数关系,应选择低压交流电源。故选C。 (2)该同学认真检查电路无误后,先保证原线圈匝数不变,改变副线圈匝数,再保证副线圈匝数不变,改变原线圈匝数。分别测出相应的原、副线圈电压值。由于交流电压是变化的,所以,我们实际上测量的是电压的　　　　 值 (填“有效”或“最大”)。其中一次多用电表读数如图甲所示,此时电压表读数为　　　　 V;  [答案]　有效　7.2　 [解析]　多用电表测量的是交流电压的有效值,不是最大值;多用电表选用的挡位是交流电压的10 V挡位,所以应该在0~10 V挡位读数,读数应该是7.2 V。 (3)理想变压器原、副线圈电压应与其匝数成　　　(填“正比”或“反比”);  [答案]　正比　 [解析]　根据=,可知,理想变压器原、副线圈电压应与其匝数成正比。 (4)由于实验中变压器的铜损和铁损导致变压器并非理想变压器。实验中,图乙中变压器的原线圈接“0,8”接线柱,副线圈接“0,4”接线柱,当副线圈所接电表的示数为5.0 V,则原线圈所接电源电压可能为　　　。  A.16.0 V B.10.0 V C.5.0 V D.2.5 V [答案]　A [解析]　实验中由于变压器的铜损和铁损,变压器的铁芯损失一部分的磁通量,所以导致副线圈的电压的实际值小于理论值,>,所以U1>U2=×5 V=10 V,故选A。 [例2]　在“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验中,利用如图甲所示的可拆变压器能方便地探究原、副线圈的电压比与匝数比的关系。 考法(二)　数据处理和误差分析 (1)这个探究过程采用的科学探究方法是　　　　　　　　。  [答案]　控制变量法　 [解析]　当一个物理量与多个物理量相关时,应采用控制变量法。 (2)某次实验中得到实验数据如下表所示,表中n1、n2分别为原、副线圈的匝数,U1、U2分别为原、副线圈两端的电压,通过实验数据分析,你的结论是　　　　　　　　　　　　。  实验次数 n1/匝 n2/匝 U1/V U2/V 1 1 600 400 8.9 2.1 2 800 400 8.9 4.3 3 800 400 6.6 3.2 4 800 400 4.5 2.1 5 800 100 8.6 1.0 6 200 400 8.9 17.0 [答案]　在误差允许的范围内,原、副线圈的电压比与匝数比相等,即=　 [解析]　通过分析表中数据可得结论,在误差允许的范围内,原、副线圈的电压比与匝数比相等,即=。 (3)①发现上述表中实验数据没有严格遵从变压器原、副线圈电压与匝数的关系,分析下列可能的原因,正确的是　　　　。(多选)  A.原、副线圈的电压不同步 B.变压器线圈中有电流通过时会发热 C.铁芯在交变磁场的作用下产生涡流会发热 D.原线圈中电流产生的磁场能在向副线圈转移过程中有损失 ②如图乙,为了减小涡流在铁芯中产生的热量,铁芯是由相互绝缘的硅钢片平行叠成。硅钢片应平行于　　　　。  A.平面abcd B.平面abfe C.平面abgh D.平面aehd ③某同学在完成上述实验后,采用如图丙所示的电路测量变压器原线圈的电阻(阻值较小),为保证电路中各元件安全,实验结束时,首先应断开　　　。  A.导线A B.导线B C.开关C D.导线D [答案]　①BCD　②D　③A [解析]　①通过实验数据发现,实验过程中有能量的损失,主要原因为绕制线圈的铜导线发热、铁芯中的涡流发热和铁芯对磁场的约束不完全而出现漏磁,故A错误,B、C、D正确。 ②根据楞次定律和右手螺旋定则,产生的涡流的方向平行于面abcd,为了减小涡流在铁芯中产生的热量,相互绝缘的硅钢片应垂直面abcd,即平行于面aehd或abfe,又考虑减小整个铁芯中的涡流,故应平行于面aehd,故A、B、C错误,D正确。 ③实验结束时,应先把电压表从电路中断开,否则在断开开关瞬间,变压器原线圈两端会产生大电压烧坏电压表,故应先断开导线A,故B、C、D错误,A正确。 [微点拨] (1)因有漏磁、铁芯中涡流和原副线圈中电流引起的发热,出现原、副线圈上的电压之比与匝数之比并不严格相等。 (2)实验结束时应先断开因磁通量突变会产生高压的电路,以保证电路中各元件的安全。 [例3]　有一个教学用的可拆变压器,如图甲所示,它有两个外观基本相同的线圈A、B,线圈外部还可以绕线。 考法(三)　源于经典实验的创新考查 (1)某同学用一多用电表的同一欧姆挡先后测量了A、B线圈的电阻值,指针分别对应图乙中的a、b位置,由此可推断　　　　线圈的匝数较多(选填“A”或“B”)。  [答案]　A　 [解析]　欧姆表示数等于指针示数与挡位的乘积,用同一挡位测电阻,指针偏角越大,所测电阻阻值越小,指针偏角越小,电阻阻值越大,由题图乙可知,a位置指针偏角小,线圈A的电阻大,线圈A的匝数较多。 (2)如果把它看成理想变压器,现要测定A线圈的匝数,提供的器材有:一根足够长的绝缘导线、一只多用电表和低压交流电源。请简要叙述实验的步骤(写出要测的物理量,并用字母表示)_______________________________ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。  [答案]见解析 [解析]　实验步骤:①用绝缘导线在线圈的外部或变压器的铁芯上绕制n匝线圈; ②将A线圈与低压交流电源相连接; ③用多用电表的交流电压挡分别测量A线圈的输入电压UA和绕制线圈的输出电压U; ④然后求线圈A的匝数。 (3)A线圈的匝数为nA=　　　　　　　(用所测物理量符号表示)。  [答案]　n [解析]　根据理想变压器原、副线圈的电压比等于匝数比, 有=,则nA=n。 [创新分析] (1)利用多用电表测电阻的形式简单地判断匝数的多少。 (2)利用转化法定量测量变压器的匝数。 训练评介——巩固、迁移和发展 1.某学习小组在探究变压器原、副线圈电压和匝数关系的实验中,采用了可拆变压器,铁芯B安装在铁芯A上形成闭合铁芯,将原、副线圈套在铁芯A的两臂上,如图所示。 (1)下列说法正确的是　　　　。  A.为保证实验安全,原线圈应接低压直流电源 B.变压器中铁芯是整块硅钢 C.保持原线圈电压及匝数不变,可改变副线圈的匝数,研究副线圈的匝数对输出电压的影响 D.变压器正常工作后,电能由原线圈通过铁芯导电输送到副线圈 答案:C　 解析:变压器改变的是交流电压,因此原线圈不能接低压直流电源,A错误;因为变压器的工作原理是电磁感应,如果变压器铁芯是用整块硅钢,则在电磁感应的作用下,会产生很大的涡流发热,当热量达到一定程度时,会损坏铁芯和线圈,故不能用整块硅钢,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,改变副线圈匝数,研究副线圈匝数对副线圈电压的影响,C正确;变压器的工作原理是电磁感应现象,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,而不是靠铁芯导电来传输电能,D错误。 (2)实验过程中,变压器的原、副线圈选择不同的匝数,利用多用电表测量相应电压,记录如下,由数据可知N1一定是　　　　　线圈的匝数。(填“原”或“副”)  根据表格中的数据,在实验误差允许的范围内,可得出原、副线圈两端电压与匝数的关系:　　　　　　　　　。  N1/匝 100 100 200 200 N2/匝 200 400 400 800 U1/V 2.1 1.95 5.22 2.35 U2/V 4.28 8.00 10.60 9.64 答案:副　在误差允许的范围内,原、副线圈的电压之比等于两线圈的匝数之比　 解析:实际变压器存在漏磁等损耗,导致原、副线圈的电压比小于匝数比,故由数据可知N1一定是副线圈的匝数;由表可知,在误差允许的范围内,原、副线圈的电压之比等于两线圈的匝数之比,则=。 (3)学习小组观察实验室中一降压变压器的两个线圈的导线,发现导线粗细不同,结合以上实验结论,应将导线较细的线圈作为　　　线圈。(填“原”或“副”)  答案:原 解析:理想变压器的输入功率等于输出功率,因为是降压变压器,所以副线圈的电压小于原线圈的电压,而功率又相等,所以副线圈的电流大于原线圈的电流,为了减少功率损失,根据电阻定律可知副线圈应用较粗的铜导线绕制,故应将导线较细的线圈作为原线圈。 2.(2024·山东菏泽高二阶段练习)在“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验中: (1)实验室中有下列器材: A.可拆变压器(铁芯、两个已知匝数的线圈) B.条形磁铁 C.开关、导线若干 D.交流电压表 在本实验中,上述器材不用的是　　　(填器材序号字母),还需用到的器材有　　　(填“直流电源”或“低压交流电源”)。  答案:B　低压交流电源　 解析:“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验,题述器材在实验中不用的是条形磁铁。故选B。实验中还需用到的器材是低压交流电源。 (2)某学生做实验时,先保持原线圈的匝数不变,增加副线圈的匝数,观察到副线圈两端的电压　　　(选填“增大”“减小”或“不变”);然后再保持副线圈的匝数不变,增加原线圈的匝数,观察到副线圈两端的电压　　　 (选填“增大”“减小”或“不变”);上述探究过程采用的实验方法是　　　　。  答案:增大　减小　控制变量法　 解析:某学生做实验时,先保持原线圈的匝数不变,增加副线圈的匝数,因原、副线圈电压之比等于两线圈匝数之比,即=,则会观察到副线圈两端的电压增大;然后再保持副线圈的匝数不变,增加原线圈的匝数,可知将观察到副线圈两端的电压减小;上述探究过程采用的实验方法是控制变量法。 (3)若实验电路图如图(b)所示,实验时n1=800匝,n2=400匝,断开S,接通电源,观察到电压表的读数为6 V,若可拆变压器可视为理想变压器,则: ①变压器的输入电压有效值为　　　　。  A.3 V　　　　　　 B.6 V C.12 V D.15 V ②若灯泡的额定电压为6 V,闭合S,灯泡能否正常发光? 　　　(填“能”或“不能”)。  答案:①C　②能 解析:①根据变压器变压原理可得U1=U2=×6 V=12 V,故选C。 ②灯泡的额定电压为6 V,实验时变压器为理想变压器,次级电压等于6 V,灯泡能正常发光。 3.(2024·北京高二月考)物理研究课上,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.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 答案:C　 解析:为确保实验安全,实验中要求副线圈匝数小于原线圈匝数,使得次级电压较小,故A错误;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“交流电压挡”测量,故B错误;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,防止烧坏电压表,故C正确。 (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　　　　　。  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 答案:AC　 解析:变压器线圈通电时会产生磁场,而变压器上端的横条铁芯相当于磁铁,线圈对横条铁芯有吸引力作用,因此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,故A正确;仅增加原线圈匝数,副线圈两端电压将减小,小灯泡亮度将变暗,故B错误;若仅增加副线圈绕制的圈数,副线圈两端电压增大,小灯泡消耗的功率变大,学生电源输出的功率变大,有可能会使学生电源的过载指示灯亮起,故C正确。 (3)将与灯泡相连的线圈拆掉匝数,其余装置不变继续实验,灯泡亮度将　　　　　 (选填“变亮”或“变暗”),这说明灯泡两端的电压　　　　　 (选填“变大”或“变小”)。  答案:变暗　变小 解析:将与灯泡相连的线圈拆掉匝数,即次级线圈匝数减小,则次级电压减小,则灯泡亮度将变暗,这说明灯泡两端的电压变小。 (4)实验中发现,在所有连接都完好的情况下,电路接通后,灯泡始终不亮,但却在电路接通或断开的瞬间,灯泡会闪亮一下,原因是　　 。  答案:变压器的初级线圈连接的是学生电源的“直流” 解析:实验中发现,在所有连接都完好的情况下,电路接通后,灯泡始终不亮,但却在电路接通或断开的瞬间,灯泡会闪亮一下,原因是变压器的初级线圈连接的是学生电源的“直流”。 4.某课外探究小组做探究变压器线圈两端电压与匝数关系的实验,请将下列实验的有关内容补充完整。 (1)利用如图甲所示的电路来探究变压器线圈两端电压与匝数间的关系。已知理想变压器原、副线圈的匝数比n1∶n2=6∶1,N是原线圈的中心抽头,图中两块电表均为理想电表,除滑动变阻器外的电阻均不计。当将电压U1加在原线圈两端时,两块电表的示数为U2、I2;若保持电压U1不变,只将S由M合向N,两表的示数分别为U3=　　　　、I3=　　　　;若输入电压增加12 V时,副线圈的电压增加　　　　 V。  答案:2U2　2I2　2　 解析:保持电压U1不变,只将S由M合向N时,原线圈匝数将减小一半,根据原、副线圈电压与匝数的关系得==,== 所以副线圈电压U3=2U2 依据欧姆定律得I2=,I3===2I2 若输入电压增加12 V时,== 解得U=2 V,副线圈的电压增加2 V。 (2)如图乙所示的电路,理想变压器原线圈匝数为n1,接一理想电流表;副线圈接入电路的匝数n2可以通过滑动触头P调节,副线圈与定值电阻R0和压敏电阻R相连接,物块m置于压敏电阻上。已知压敏电阻的阻值随压力的增大而变小。现保持原线圈输入电压不变,则触头P右移增大n2,电流表示数将　　　　,只增大物块对R的压力,电流表示数将　　　　,原线圈的输入功率将　　　　 (选填“增大”“减小”或“不变”)。  答案:增大　增大　增大 解析:根据理想变压器的电压与匝数的关系可知,当副线圈的匝数n2增大时,则变压器副线圈的电压增大,副线圈的功率增大,由原、副线圈功率相等U1I1=U2I2,得原线圈电流增大,故电流表示数增大;当增大物块对R的压力时,R的阻值会变小,在电压不变的情况下,副线圈电流会变大,原线圈的电流也会变大,所以电流表的示数增大,原线圈的输入功率增大。 $$