第13章 实验十六 探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系-【优化探究】2025年高考物理一轮复习高考总复习配套课件（教科版2019）

实验十六　探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系 第十三章　交变电流　传感器 电磁波　相对论 实验技能 自主学习 实验要点 互动探究 达标检测 巩固提高 命题点一　教材原型实验 命题点二　实验创新设计 内容索引 实验技能 自主学习 一 3 1．实验目的 探究变压器原线圈电压一定时，副线圈电压与线圈匝数的定量关系。 2．实验原理 (1)实验电路图 (2)实验方法：采用控制变量法。 ①n1一定，研究n2和U2的关系。 ②n2一定，研究n1和U2的关系。 3．实验器材 学生电源(低压交流，小于12 V)1个、可拆变压器1个、多用电表(交流电压挡)1个、导线若干。 4．实验步骤 (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。 表格一　U1＝5 V，n1＝400匝 实验次数 1 2 3 n2/匝       U2/V       ①选择n1＝400匝，用导线将变压器原线圈接在学生电源的交流输出接线柱上。 ②将选择开关调至使原线圈两端电压为5 V。 ③将多用电表与副线圈n2＝200匝的接线柱相连接，读出副线圈两端的电压U2。 ④将n2、U2记录在表格一中。 ⑤保持n1＝400匝，U1＝5 V不变，将多用电表与副线圈n2＝800匝的接线柱相连接，读出副线圈两端的电压U2。 ⑥将n2、U2记录在表格一中。 ⑦保持n1＝400匝，U1＝5 V不变，将多用电表与副线圈n2＝1 400匝的接线柱相连接，读出副线圈两端的电压U2。 ⑧将n2、U2记录在表格一中。 (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。 表格二　U1＝5 V，n2＝400匝 实验次数 1 2 3 n1/匝       U2/V       ①选择n2＝400匝，用导线将变压器原线圈接在学生电源的交流输出接线柱上。 ②将选择开关拨至5 V挡。 ③将连接电源的两根导线与原线圈n1＝200匝的接线柱相连接，将多用电表与副线圈n2＝400匝的接线柱相连接，读出副线圈两端的电压U2。 ④将n1、U2记录在表格二中。 ⑤保持n2＝400匝，U1＝5 V不变，将连接电源的两根导线与原线圈n1＝800匝的接线柱相连接，读出副线圈两端的电压U2。 ⑥将n1、U2记录在表格二中。 ⑦保持n2＝400匝，U1＝5 V不变，将连接电源的两根导线与原线圈n1＝1 400匝的接线柱相连接，读出副线圈两端的电压U2。 ⑧将n1、U2记录在表格二中。 ⑨拆除实验线路，整理好实验器材。 5．数据处理 分析表格一和表格二可知，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。 1．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。 2．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源，所用电压不要超过12 V，即使这样，通电时也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，之后才能接通电源。 二 实验要点 互动探究 14 命题点一　教材原型实验 考向1　实验操作及注意事项 [典例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。 (1)下列实验器材必须要用的有________(选填字母代号)。 A．干电池组　　　 B．学生电源 C．多用电表 D．直流电压表 E．滑动变阻器 F．条形磁铁 G．可拆变压器(铁芯、两个已知匝数的线圈) BCG (1)实验中，必须要有学生电源提供交流电，B需要；学生电源本身可以调节电压，无须滑动变阻器，需要用多用电表测量电压，C需要；本实验不需要条形磁铁，用可拆变压器来进行实验，G需要。综上所述，需要的实验器材为B、C、G。 (2)下列说法正确的是________(选填字母代号)。 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．要研究副线圈匝数对副线圈电压的影响，应该保持原线圈电压、匝数不变，改变副线圈的匝数 C．测量电压时，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．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 BC (2)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，故A错误；要研究副线圈匝数对副线圈电压的影响，应该保持原线圈电压、匝数不变，改变副线圈的匝数，进而测得副线圈电压，找出相应关系，故B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，故C正确；变压器不计各种损耗，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，不是铁芯导电来传输电能的，故D错误。 (3)该同学通过实验得到了如下表所示的实验数据，表中n1、n2分别为原、副线圈的匝数，U1、U2分别为原、副线圈的电压，通过实验数据分析可以得到的实验结论是：____________________________________ _________________________________________________。 实验次数 n1/匝 n2/匝 U1/V U2/V 1 1 600 400 12.1 2.90 2 800 400 10.2 4.95 3 400 200 11.9 5.92 在误差允许的范围内，原、副线圈的 考向2　实验原理及数据处理 [典例2]　(2023·四川绵阳高三诊断)如图所示，为探究变压器线圈两端电压与匝数的关系，我们把没有用导线相 连的线圈套在同一闭合的铁芯上，一个线圈连到电源的输出端，另一个线圈连到小灯泡上， 如图所示，试回答下列问题： (1)线圈应连到学生电源的________(选填“直流”或“交流”)输出端上。 (1)线圈应连到学生电源的交流输出端上。 交流 (2)将与灯泡相连的线圈拆掉部分匝数其余装置不变，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”)。 (2)将与灯泡相连的线圈拆掉部分匝数其余装置不变，则次级电压会减小，继续实验灯泡亮度将变暗，这说明灯泡两端的电压变小。 变暗 变小 (3)在实验中，测得变压器原、副线圈的匝数分别为180匝和90匝，原线圈电压为12 V, 由此可以计算出副线圈电压为________ V。 6 命题点二　实验创新设计 [典例3]　小华同学做了“探究变压器原、副线圈两端电压与匝数的关系”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 A (1)由题图可知，甲图是多用电表，而乙图是电压表，实验需要测量交流电压，因此选用甲图，故A正确，B、C、D错误。 (2)小华在做本实验时，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 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” D (3)用匝数na＝100匝和nb＝200匝的变压器，实验测量数据如表， 根据测量数据可判断连接电源的线圈是________(选填“na”或“nb”)。 U1/V 1.60 2.50 3.70 4.60 U2/V 3.70 5.30 7.60 9.70 nb (3)根据题意，电压比与匝数比不相等，可知该变压器为非理想变压器，考虑到变压器有漏磁、铁芯发热、导线发热等影响，判断出U2为原线圈上电压大小，则判断出接电源的是nb。 三 达标检测 巩固提高 2 3 4 1 1．(2023·北京丰台区高三模拟)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。 2 3 4 1 (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 (1)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电压，D需要。综上所述需要的实验器材为B、D。 BD 2 3 4 1 (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 2 3 4 1 (2)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的，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发电机提供，则副线圈上不接负载时，原线圈两端的电压不变，故D错误。 2 3 4 1 大于 2 3 4 1 (3)根据变压器原理可知原、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，所以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。 2 3 4 1 2．在“探究变压器原、副线圈电压和匝数的关系”实验中，可拆变压器如图所示。 2 3 4 1 (1)本实验要通过改变原、副线圈匝数，探究原、副线圈的电压比与匝数比的关系，实验中需要运用的科学方法是________。 A．控制变量法 B．等效替代法 C．整体隔离法 (1)本实验要通过改变原、副线圈匝数，探究原、副线圈的电压比与匝数比的关系，实验中需要运用的科学方法是控制变量法，故选A。 A 2 3 4 1 (2)为了减少涡流的影响，铁芯应该选择________。 A．整块硅钢铁芯 B．整块不锈钢铁芯 C．绝缘的硅钢片叠成 D．绝缘的铜片叠成 (2)变压器铁芯的材料要选择磁性材料，为防止出现涡流，选择用绝缘的硅钢片叠成的铁芯，故C正确，A、B、D错误。 C 2 3 4 1 (3)以下给出的器材中，本实验需要用到的有________。 (3)实验中需要交流电源和交流电压表，不需要干电池和直流电压表，故选B、D。 BD 2 3 4 1 (4)下列做法正确的是________。 A．为了人身安全，只能使用低压直流电源，所用电压不要超过12 V B．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 C．观察两个线圈的导线，发现粗细不同，导线粗的线圈匝数多 B 2 3 4 1 2 3 4 1 (5)在实际实验中将电源接在原线圈的“0”和“800”两个接线柱上，用电表测得副线圈的“0”和“400”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．3.0 V C．6.0 V D．7.0 V D 2 3 4 1 2 3 4 1 3．在“探究变压器原、副线圈两端的电压与匝数的关系”实验中，某同学采用了如图所示的可拆式变压器进行研究，图中各接线柱对应的数字表示倍率为“×100”的匝数。 2 3 4 1 (1)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 D 2 3 4 1 (1)磁感线环绕的方向沿着闭合铁芯，根据楞次定律及右手螺旋定则知，产生的涡旋电流的方向垂直于图示变压器铁芯的正面，即与图示abcd面平行，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abcd面，形状相同的回形硅钢片叠加在一起形成铁芯，能增强磁场的传导，硅钢片应平行于平面aehd，故A、B、C错误，D正确。 2 3 4 1 (2)对于实验过程，下列说法正确的有________。 A．为便于探究，应该采用控制变量法 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．因为实验所用电压较低，通电时可用手接触裸露的导线、接线柱等检查电路 A 2 3 4 1 (2)该实验涉及多个物理量，为便于探究，应该采用控制变量法，选项A正确；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”，选项B错误；虽然实验所用电压较低，但是通电时也不可用手接触裸露的导线、接线柱等检查电路，选项C错误。 2 3 4 1 (3)实验中，电源接变压器原线圈“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6.0 V，若变压器是理想变压器，则原线圈的电压应为________。 A．18.0 V B．12.0 V C．5.0 V D．3.0 V B 2 3 4 1 (4)组装变压器时，该同学没有将铁芯闭合，如图所示，原线圈接12.0 V的学生电源，原、副线圈的匝数比为8∶1，副线圈两端接交流电压表，则交流电压表的实际读数可能是________。 A．0 B．9.6 V C．1.5 V D．0.65 V D 2 3 4 1 2 3 4 1 4．(2023·重庆卷)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。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)。 2 3 4 1 (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”)。 (1)闭合S1，滑动变阻器RP是分压接法，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，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。 变大 2 3 4 1 (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________(保留三位有效数字)。 12.6 2 3 4 1 2 3 4 1 (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U－R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。(均保留三位有效数字) 270 12.0 2 3 4 1 2 3 4 1 由图像可知此图线与频率为50 Hz的U－R关系图线的R轴交点为R＝ 32 Ω，故需给R0串联一电阻，此串联电阻值为R串＝R－R0＝12.0 Ω。 $$