第3节 第2课时 实验探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第二册（人教版2019）

实验:探究变压器原、副线圈 电压与匝数的关系 (实验课—基于经典科学探究) 第2课时 1 1.实验准备——原理、器材和装置 2 2.实验操作——过程、细节和反思 3 3.实验考法——基础、变通和创新 4 4.训练评价——巩固、迁移和发展 CONTENTS 目录 1.实验准备——原理、器材和装置 一、实验装置 二、实验原理 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.实验操作——过程、细节和反思 一、实验步骤 　 1.如图所示,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.保持原线圈输入的电压和原线圈匝数不变,用多用电表交流电压挡测量原线圈电压,并记录在表格中。 3.改变副线圈匝数,用多用电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,用多用电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、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=。 三、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。 四、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。 1.进行数据分析时一般会发现副线圈输出电压都偏小,产生这一误差的原因可能是什么? 提示:(1)由于漏磁,通过原、副线圈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。 关键点反思 2.用多用电表交流电压挡测电压时应注意什么问题? 提示: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,大致确定被测电压后再选用适当的挡位进行测量。 3.实验考法——基础、变通和创新 [例1]　在“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”的实验中。 (1)为了确保实验的安全,下列做法正确的是　　　。  A.为了保证人身安全,只能使用低压直流电源,所用电压不要超过12 V B.连接好电路后,可不经检查电路是否正确,直接接通电源 C.因为使用电压较低,通电时可用手直接接触裸露的导线和接线柱 D.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 考法(一)　实验基本操作 D　 [解析]　变压器改变的是交流电压,因此为了保证人身安全,只能使用低压交流电源,所用电压不超过12 V,A错误;实验通电前必须要先检查电路是否正确,通电时若用手接触裸露的导线和接线柱,会将人体并联接入电路中,导致所测数据不准确,同时也有安全隐患,B、C错误;使用多用电表测电压时,先用最大量程挡试测,再选用恰当的挡位进行测量,故D正确。 (2)某实验小组通过实验,记录的数据如下表: 原线圈匝数n1(匝) 100 200 400 400 副线圈匝数n2(匝) 400 400 200 800 原线圈两端的 电压U1(V) 1.96 4.90 8.00 4.86 副线圈两端的 电压U2(V) 7.80 9.76 3.90 9.64 通过分析实验数据可得出的实验结论是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 [解析]　分析每组实验数据,可知与的值近似相等,可得出的实验结论是在误差允许范围内,变压器原、副线圈的电压之比等于匝数之比。 在误差允许范围内,变压器原、副线圈的电压之比等于匝数之比 [微点拨] 本题考查了“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验中操作的注意事项,检查电路连接正确后再接通电路,且只能使用低压交流电源。 [例2]　在“探究变压器线圈两端的电压和匝数的关系” 实验中,可拆变压器如图甲所示。 (1)观察变压器的铁芯,它的结构和材料是　　。  A.整块硅钢铁芯 B.整块不锈钢铁芯 C.由绝缘的铜片叠成的 D.由绝缘的硅钢片叠成的 [解析]　观察变压器的铁芯,它是由绝缘的硅钢片叠成的,故选D。 考法(二)　数据处理和误差分析 D (2)观察两个线圈的导线,发现粗细不同,导线粗的线圈匝数_____　　 　 　　 (填“多”或“少”)。  [解析]　观察两个线圈的导线,发现粗细不同,根据=可知,匝数少的线圈通过的电流大,则导线越粗,线圈匝数越少。 少 (3)以下给出的器材中,本实验需要用到的是　　。  BD　 [解析]　实验中变压器原线圈需要输入交流电压,而干电池只能输出直流电压,学生电源可以输出交流电压,故选B;实验中变压器副线圈输出交流电压,而直流电压表只能测量直流电压,多用电表可以测量交流电压,故选D。 (4)在实际实验中将电源接在原线圈“0”和“8”两个接线柱之间,用电表测得副线圈的“0”和“4”两个接线柱之间的电压为3.0 V,则原线圈的输入电压可能为　　。  A.1.5 V　 　 B.6.0 V　 　C.7.0 V [解析]　若为理想变压器,则变压器原、副线圈两端的电压与匝数的关系为=,根据题意,副线圈两端的电压为3.0 V,则原线圈两端的电压为U1=2×3.0 V=6.0 V,考虑到实际变压器不是理想变压器,存在漏磁等现象,则原线圈的输入电压要大于6.0 V,可能为7.0 V,故选C。 C　 (5)等效法、理想模型法是重要的物理学方法,合理 采用物理学方法会让问题变得简单,这体现了物理学科 “化繁为简”之美。理想变压器是一种理想化模型。如 图乙所示,心电图仪(将心肌收缩产生的脉动转化为电压脉冲的仪器,其输出部分可以等效为左侧虚线框内的交流电源和定值电阻R0串联)与一理想变压器的原线圈连接,一电阻箱R与该变压器的副线圈连接,原、副线圈的匝数分别为n1、n2(右侧虚线框内的电路也可以等效为一个电阻)。 在交流电源的电压有效值U0不变的情况下,调节电阻箱R的过程中,当=　　　　时,R获得的功率最大。  [解析]　把变压器和R等效为一个电阻R1,把R0视为电源内阻,当内、外电阻相等,即R0=R1时,电源输出功率最大,根据=,得=,代入I1n1=I2n1,解得R=R1=R0,即=。 [微点拨] (1)变压器工作时铁芯中存在变化的磁通量,为减少因铁芯中产生较大的涡流引起的能量损失,铁芯由绝缘的硅钢片叠成。 (2)理想变压器原、副线圈功率相等,低压线圈匝数少、电流大、导线粗。 (3)题干中的“实际实验”意味着变压器不是理想变压器,存在漏磁、铁芯发热、导线发热等损失电压的情况,原线圈所接电压会略大于理论值。 [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电阻挡先后测量了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”)。  [解析]　电阻挡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。 A (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) 　 　　　。  [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。 见解析 (3)A线圈的匝数为nA=　　　(用所测物理量符号表示)。  [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。 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)利用转化法定量测定变压器的匝数。 4.训练评价——巩固、迁移和发展 1.(2024·河南开封期末)某同学从家里旧电器 上拆得一环形变压器(如图),但变压器的铭牌已经 污损,无法看清参数。该同学利用高中所学知识来 探究该变压器原、副线圈两端的电压与匝数之间的关系,操作步骤如下: (1)确定绕组:结合铭牌残存数据可知,图中1、2为输入端,3、4和5、6为两输出端,用多用电表电阻挡测量发现都导通。 (2)测量变压器的原、两副线圈匝数分别为n1、n2和n3:先在该变压器闭合铁芯上紧密缠绕n=80匝漆包细铜线,并将理想交流电压表接在细铜线两端,然后在原线圈(1、2端)上输入有效值为220 V的交流电,若理想交流电压表的示数为4.0 V,则原线圈的匝数n1=　　　 ;把理想交流电压表分别接在3、4和5、6端,示数分别为12.0 V、5 V,则副线圈的匝数n2=　　　　,n3=　　　　 。  4 400 240 100 解析:根据理想变压器变压规律得=, =,= 解得n1=4 400,n2=240,n3=100。 (3)该同学通过裸露部分观察,发现该变压器使用了两种规格的铜线绕制,结合前面数据可以推想,其中较粗的铜线属于　　　　(填“原线圈”或“副线圈”)。  解析:由实验数据可知,变压器为降压变压器,副线圈电流大一些,所以需要较粗铜线绕制。 副线圈 (4)考虑到变压器工作时有漏磁损失,实验中测得的原线圈匝数 　　　 (填“大于”“等于”或“小于”)原线圈的实际匝数。  解析:变压器的铁芯漏磁,会造成副线圈电压实际值比理论值小,故实验中测得的原线圈匝数大于原线圈的实际匝数。 大于 2.在“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验中: (1)原线圈中接入的电源是　　。  A.电压为220 V交流电源 B.学生电源12 V以下直流输出端 C.学生电源12 V以下交流输出端 C 解析:做“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验时,为了保证人身安全,原线圈两端只能使用低压交流电源,所用电压不超过12 V,故A、B错误,C正确。 (2)如图所示,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　　。  AC 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 解析: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,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;若仅增加原线圈绕制的圈数,根据原、副线圈的电压比等于匝数比可知,输出电压减小,小灯泡的亮度将降低,故B错误;若仅增加副线圈绕制的圈数,根据原、副线圈的电压比等于匝数比可知,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,故C正确。 (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。 答案:见解析 解析: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,因而不计线圈的内能损失; ③不计铁芯中产生的涡流,因而不计铁芯的内能损失。 3.(2024·河南郑州期中)某同学学完变压器的工作 原理后,利用如图甲所示的可拆卸变压器探究变压器 原、副线圈的电压与匝数的关系。请回答下列问题: (1)变压器的工作原理是　　。  A.电流的磁效应 B.通电导线间的相互作用 C.电磁感应现象 解析:变压器的工作原理是电磁感应现象,故选C。 C (2)探究时,变压器原线圈的接线柱应接在学生电源的　　(填“P”或“Q”)接线柱上。  解析:本实验需要用到的是交流电源,可用学生电源交流输出挡,所以应接在学生电源的Q接线柱上。 Q (3)该同学组装好变压器,原线圈接“0”“16”,副线圈接“0”“4”,将多用电表的旋钮置于交流电压挡10 V处,并将多用电表接在原线圈两端,示数如图丙所示,则副线圈输出电压的理论值为　　;而考虑到实际,副线圈输出电压的实际值可能为　　。(均填字母代号)  A.0 V　　　　　　　 B.1.8 V C.1.5 V D.28.8 V B C 解析:由于交流电压挡的量程为10 V,则读数为7.2 V,又由题意可知,原、副线圈的匝数比为=,由=可得,副线圈输出电压的理论值为U2=1.8 V,故选B;考虑到实际,变压器在正常工作时应有能量损失,则有>,解得副线圈输出电压的实际值为U2<1.8 V,且大于0,故选C。 (4)由以上分析可知,该变压器为降压变压器,如果该变压器可视为理想变压器,则变压器的原线圈应用　　　(填“较粗”或“较细”)导线。  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,副线圈应用较粗的导线绕制,故应将较细的线圈作为原线圈。 较细 4.利用如图所示的装置可以探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系: (1)除图中所示器材外,还需要的器材有　　　。  A.干电池 B.低压交流电源 C.直流电压表 D.多用电表 解析:实验中若用干电池,变压器不能互感变压,必须要有低压交流电源提供交流电,B需要;需要用多用电表测量交流电压,D需要。 BD (2)下列说法正确的是　　　。  A.变压器工作时通过铁芯导电把电能由原线圈输送到副线圈 B.变压器工作时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”能量的作用 C.理想变压器原、副线圈中的磁通量总是相同 D.变压器副线圈上不接负载时,原线圈两端电压为零 BC 解析:变压器是通过互感工作的,而不是通过铁芯导电把电能由原线圈输送到副线圈,故A错误;变压器工作时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”能量的作用,故B正确;理想变压器的原、副线圈通过铁芯共用同一个磁场,则两线圈的磁通量总是相同,磁通量的变化率也相同,故C正确;变压器的原线圈两端电压由电源提供,则副线圈上不接负载时,原线圈两端的电压不为零,故D错误。 (3)由于变压器工作时有能量损失,实验测得的原、副线圈的电压比应当　　　　(选填“大于”“等于”或“小于”)原、副线圈的匝数比。  解析:理想变压器原、副线圈两端电压之比等于原、副线圈匝数之比,实验中由于变压器的铜损、磁损和铁损,导致变压器的铁芯损失一部分的磁通量,所以副线圈上的电压的实际值一般略小于理论值,则原线圈与副线圈的电压之比一般大于原线圈与副线圈的匝数之比。 大于 $$