第三章 3．第1课时 实验：探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系-【金版新学案】2024-2025学年新教材高二物理选择性必修第二册同步课堂高效讲义教师用书word（人教版2019）

3．变压器 第1课时　实验：探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系 【素养目标】　1．经历探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系的过程，熟悉探究的方法、步骤，提高科学探究的能力。2．科学分析数据，锻炼得出实验结论的能力。 一、实验目的 探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系。 二、实验原理 1．实验电路图如图所示。 2．实验方法采用控制变量法。 三、实验器材 低压交流电源(小于12 V)1个、可拆变压器1个(如图甲、乙所示)、多用电表(交流电压挡)2个、开关、导线若干。 四、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．保持原线圈匝数不变，用多用电表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，用多用电表测量副线圈的电压，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，重复步骤2、3。 五、数据处理 1．将不同的原、副线圈接入电路测出线圈两端的电压填入下表。 原线圈 匝数n1 副线圈 匝数n2 原线圈 电压U1 副线圈 电压U2 100 300 2 V 1∶3 100 400 2 V 1∶4 200 400 4 V 1∶2 400 400 6 V 1∶1 400 100 8 V 4∶1 400 100 4 V 4∶1 2．由表格数据得出结论 (1)当原线圈匝数不变、输入电压不变时，随着副线圈匝数增加，输出电压增大。进一步研究可知，副线圈电压与副线圈匝数成正比。 (2)当副线圈匝数不变、输入电压不变时，随着原线圈匝数增加，副线圈输出电压变小。进一步研究可知，副线圈电压与原线圈匝数成反比。 学生用书第90页 六、误差分析 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。 4．电表的读数存在误差。 七、注意事项 1．在改变学生电源电压、线圈匝数前均要先断开开关，再进行操作。 2．为了人身安全，学生电源的电压不能超过12 V，不能用手接触裸露的导线和接线柱。 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，大致确定被测电压后再选用适当的挡位进行测量。 一　教材原型实验 (2023·浙江宁波高二期末)在“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验中，小糊同学采用了如图所示的可拆式变压器进行研究。 (1)本实验中，除可拆变压器外，下列器材中还需要的有________。 A．低压直流电源 B．交流电压表 C．刻度尺 D．开关、导线若干 (2)小糊同学将图中变压器的原线圈接线柱0、8与低压直流电源的输出端相连，选择开关置于12 V挡，则与副线圈0、2接线柱相连的电压表示数可能是________。 A．48.0 V B．4.0 V C．3.6 V D．0 V (3)小糊正确选材并接线后，记录如表所示四组实验数据。 N1/匝 100 100 200 200 N2/匝 200 400 400 800 U1/V 2.10 1.95 5.22 2.35 U2/V 4.28 8.00 10.60 9.64 分析表中数据可知，N1一定是__________(选填“原”或“副”)线圈的匝数。 答案：(1)BD　(2)D　(3)副 解析：(1)本实验中选用低压交流电源，故用交流电压表测副线圈电压，另实验还需要开关、导线若干。故选BD。 (2)变压器的原线圈与低压直流电源的输出端相连，可知副线圈中磁通量不变，则副线圈中无感应电流，即副线圈所接电压表无示数。故选D。 (3)由题表中数据可得，在误差允许范围内变压器原、副线圈的电压比等于匝数比，即＝，由于存在漏磁、铁芯发热、导线发热等影响电压，则变压器的副线圈两端测得的电压略小于理想值，故可知N1一定是副线圈的匝数。 在“探究变压器原、副线圈电压与匝数关系”的实验中，小型可拆变压器的原、副线圈匝数分别为n1＝120匝、n2＝240匝，某实验小组在原线圈两端依次加上不同的电压，用多用电表的交流电压挡分别测量原、副线圈两端的电压，数据如表所示。 实验 序号 原线圈两端 的电压U1(V) 副线圈两端 的电压U2(V) 1 3.9 8.2 1∶2.1 2 5.9 11.8 1∶2.0 3 7.8 15.2 (1)实验小组根据测得的数据在表格中算出U1、U2的比值，还有一组U1、U2的比值没有算出，把求出的结果填在表格中。 (2)本实验可得出结论：变压器原、副线圈电压与匝数关系为________________(用题目中给出的字母表示)。 答案：(1)1∶1.9　(2)＝ 解析：(1)第三组数据＝≈。 (2)线圈匝数之比＝＝，结合题表中的数据可知，在误差允许的范围内线圈两端电压与匝数的关系是＝。 针对练．某班物理实验课上，同学们用可拆变压器探究变压器的电压与匝数的关系。可拆变压器如图甲、乙所示。 学生用书第91页 (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变电流，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，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 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________。 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：(1)CDF　(2)AC 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，故A错误；变压器只能改变交变电流的电压，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，故B错误；研究变压器线圈两端电压和匝数的关系时，用到了控制变量法，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，故C正确；为了保护电表，测量副线圈电压时，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，故D正确；变压器的工作原理是电磁感应现象，即不计各种损耗时，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”磁场能的作用，而不是铁芯直接导电，传输电能，故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，故A正确；增加原线圈绕制的圈数，根据副线圈匝数不变、输入电压不变时，副线圈电压与原线圈匝数成反比可知，输出电压减小，灯泡的亮度降低，故B错误；增加副线圈绕制的圈数，根据原线圈匝数不变、输入电压不变时，副线圈电压与副线圈匝数成正比可知，输出电压增大，根据欧姆定律可知，输出电流增大，则输入电流增大，学生电源的过载指示灯可能会亮起，故C正确。 二　拓展创新实验 某研究性学习小组的同学想用220 V交流电源作为某小型电器的电源。他先制作了一个能使交流变为直流的整流器，但是这个整流器需要用6 V的交流电源，于是他又添置了一台“220 V　6 V”的变压器，如图所示。他看到这个变压器上有a、b、c、d四个引出线头，且a、d引线比b、c引线粗。 (1)他不知道如何接线，也没有相应的说明书。你觉得正确的接法是a、d端接__________(选填“220 V”或“6 V”)。 (2)这台“220 V　6 V”的理想变压器接6 V的线圈匝数是300匝，则接220 V的线圈匝数是______匝。 (3)为了进一步探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系，他又取匝数Na＝80匝和Nb＝160匝的一个变压器重新接在电源上，测量结果记录如表，则接电源的是________(选填“Na”或“Nb”)。 Ua/V 1.80 2.80 3.80 Ub/V 4.00 6.01 8.02 答案：(1)6 V　(2)11 000　(3)Nb 解析：(1)因为理想变压器的输入功率等于输出功率，采用的是降压变压器，根据P＝UI可知，副线圈中的电流大，为了减小输电线上功率的损失，副线圈电线电阻要小，由公式R＝ρ可知，引线要粗，故a、d端接6 V。 (2)根据变压器工作原理可知＝，若理想变压器接6 V的线圈匝数是300匝，则接220 V的线圈匝数是11 000匝。 (3)理想变压器是忽略变压器的铜损、铁损与磁损的，但一些小型的变压器的损耗常常不能忽略不计；考虑到这些损耗，则变压器副线圈两端的电压要小于理论值。由题知＝＝，<，即Ua<Ub，可知接电源的是Nb。 某同学正在做“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”的实验，该同学使用的可拆变压器如图所示。 (1)为了减少涡流的影响，实验用的变压器铁芯是________。 A．由彼此绝缘的铜片叠成的 B．由彼此绝缘的硅钢片叠成的 C．整块硅钢铁芯 D．整块不锈钢铁芯 (2)该同学将正弦交流电源接在原线圈的“0”和“14”两个接线柱上，用交流电压表测得副线圈的“1”和“4”两个接线柱之间的电压为7.5 V，若实验用的变 学生用书第92页 压器为理想变压器，则输入电压的有效值应为________ V，该同学对比后发现实际输入的正弦式交流电源的有效值________(选填“大于”或“小于”)理论值，认真分析后发现是漏磁导致的。 答案：(1)B　(2)35.0　大于 解析：(1)为了减小涡流现象带来的损耗，变压器的铁芯选用彼此绝缘的硅钢片叠成的。故选B。 (2)交流电源接在原线圈的“0”和“14”两个接线柱上，交流电压表接在副线圈的“1”和“4”两个接线柱上，所以原、副线圈的匝数之比为＝，又＝，可得输入电压的有效值为U1＝35.0 V 。若不是理想变压器，有漏磁现象，则实际输入的正弦式交流电源的有效值大于理论值。 针对练．有一个教学用的可拆变压器，如图甲所示，它有两个线圈A、B(内部导线电阻率、横截面积相同)，线圈外部还可以绕线。 　 (1)某同学用一多用电表的同一欧姆挡先后测量了A、B线圈中“0，14”“0，4”的电阻值，指针分别对应图乙中的a、b位置，由此可推断__________(选填“A”或“B”)线圈的总匝数较多。 (2)如果把它看作理想变压器，现要测量A线圈的总匝数，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，请完成实验步骤的填空： ①用绝缘导线在B线圈的外部或变压器的铁芯上绕制n匝线圈； ②将________(选填“A”或“B”)全部线圈与低压交流电源相连接； ③用多用电表的________挡分别测量A线圈中“0，14”间的电压UA和绕制线圈的电压U。 ④则A线圈的总匝数为________。(用题中所给字母表示) 答案：(1)A　(2)②A　③交流电压　④ 解析：(1)根据R＝ρ可知，导线越长，电阻越大，因为A线圈的电阻比B线圈的大，所以A线圈总匝数多。 (2)c因为要测量A线圈总匝数，所以要把A全部线圈与低压交流电源相连接；③变压器输入、输出均为交变电流，测电压时要用交流电压挡测输入和输出电压；④根据变压器电压比等于匝数比，有＝，可得nA＝。 课时测评16　实验：探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系 (时间：30分钟　满分：50分) (本栏目内容，在学生用书中以独立形式分册装订！) 1．(10分)(2023·浙江温州市高二月考)如图用可拆变压器探究“变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验中： (1)下列说法正确的是________。 A．为了人身安全，只能使用不超过12 V的低压直流电源 B．穿过副线圈的磁通量大于原线圈的磁通量 C．测量副线圈电压时应当用多用电表的“交流电压挡” 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 (2)本实验采用控制变量法进行研究，原线圈的匝数为n1，电压为U1，副线圈的匝数为n2，电压为U2，下列三幅图中，能正确反应本实验结果的有______。 答案：(1) C　(2) AC 解析：(1)为了人身安全，只能使用不超过12 V的低压交流电源，选项A错误；由于变压器不是理想的，有“漏磁”，则穿过副线圈的磁通量小于原线圈的磁通量，选项B错误；测量副线圈电压时应当用多用电表的“交流电压挡”，选项C正确；变压器开始正常工作后，通过电磁感应把电能由原线圈输送到副线圈，而不是通过铁芯导电，选项D错误。故选C。 (2)根据变压器的原理可知＝，则U2＝，则U2-n2图像和U2-U1图像为过原点的倾斜直线，U2-n1图像为曲线，故选AC。 2．(10分)为了探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系，某同学自制了A、B和C三个同种类型的线圈。由于前期准备不足，该同学在将A、B线圈绕制完成后，发现剩下的线材刚好足够C线圈绕制20匝。在三个线圈绕制完毕后，该同学又发现在绕制A、B线圈时忘记了标记两个线圈的匝数，只记得两个线圈的匝数分别大致有几百匝，且仅有交流10 V挡可用的多用电表一个，开关一个，导线若干。 (1)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．绝缘的铜片叠成 D．绝缘的硅钢片叠成 (2) 为了测定A、B两线圈的匝数，该同学设计了如下三种实验方案，请基于该同学现有的实验器材，根据实验测定准确性和安全性的考量，你认为最可行的方案为________。 A．把线圈C作为原线圈，将电源与线圈C串联，用多用电表测量当A和B分别作为副线圈时线圈的输出电压U1和U2 , 算出A、B两线圈的匝数nA和nB B．把线圈C作为副线圈，将电源分别与线圈A、B串联，用多用电表测量线圈C的输出电压U1和U2，算出A、B两线圈的匝数nA和nB C．把线圈A作为原线圈，B作为副线圈，先将电源与线圈A串联，用多用电表测量线圈B的输出电压U1；然后把线圈A和线圈C串联共同作为原线圈，B作为副线圈，用多用电表测量线圈B的输出电压U2 , 算出A、B两线圈的匝数nA和nB (3)根据选择的实验方案，可算出A线圈的匝数nA ＝____________(用U1、U2表示)。 答案：(1)D　(2)C　(3) 解析：(1)观察变压器的铁芯，它的结构是绝缘的硅钢片叠成。故选D。 (2)将线圈C作为原线圈，A和B作为副线圈时，由于A和B匝数远大于C的匝数，因此A和B的输出电压会很大，会大于交流10 V挡的量程，A不符合题意；由于A和B匝数远大于C的匝数，将线圈C作为副线圈，将电源分别与线圈A、B串联，导致线圈C的输出电压很小，电表读数较小，误差较大，B不符合题意；方案C的情况下，输出电压既不会超过量程也不会读数过小，比较合适，C符合题意。 (3)将线圈A作为原线圈，B作为副线圈，电源与线圈A串联，使用多用电表测量线圈B的输出电压U1，利用变压器原理有＝；将线圈A和线圈C串联共同作为原线圈，B作为副线圈，用电压表测量线圈B的输出电压U2，利用变压器原理有＝，解得nA＝。 3．(10分)某同学用匝数可调的可拆变压器来探究“变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验： (1)下列操作正确的是________。 A．原线圈接学生电源直流电压，多用电表置于直流电压挡 B．原线圈接学生电源交流电压，多用电表置于交流电压挡 (2)如图甲所示，一变压器的副线圈匝数模糊不清，该同学为确定其匝数，原线圈选择“0”“8”(×100匝)接线柱，测得电源电压为10.0 V，副线圈电压为4.9 V，则此时接入的副线圈可能是________。 A．“0”“2”接线柱 B．“0”“4”接线柱 (3)如图乙所示，探究铁芯在变压器中的用途时，该同学先将上方的铁芯取出，再将铁芯缓慢向左水平推入，则观察到小灯泡亮度变化与铁芯作用分析正确的是________。 A．小灯泡变亮 B．小灯泡变暗 C．铁芯起到传送能量的作用 D．若将铁芯换成等大的铜块，则实验现象更明显 (4)你认为该实验的系统误差主要来源是__________(写出一条即可)。 答案：(1)B　(2)B　(3)AC　(4)见解析 解析：(1)变压器在交流电条件下才能正常工作，变压器在使用时，原线圈接学生电源交流电压，多用电表置于交流电压挡，故A错误，B正确。 (2)根据电压匝数关系有＝，原线圈的电压为10.0 V，副线圈的电压为4.9 V，≈，可知原、副线圈的匝数比为2∶1，变压器的原线圈接“0”和“8”两个接线柱，则副线圈接“0”和“4”两个接线柱，故A错误，B正确。 (3)将铁芯缓慢向左水平推入的过程中，线圈中的磁场增强，感应电动势增大，灯泡两端的电压增大，小灯泡变亮，变压器的铁芯的作用是导磁，尽量减少漏磁，其起到传递能量的作用，故A、C正确，B错误；铜不能被磁化，因此不能导磁，若将铁芯换成等大的铜块，则实验现象不明显，故D错误。 (4)实验的系统误差主要来源是线圈和铁芯有一定的电阻且存在漏磁。 4．(10分)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、一个原线圈(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右右右　。 (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。 答案：(1)甲　法拉第电磁感应定律　(2)低压(一般低于12 V)交流　(3)交流电压　最大 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。 5．(10分)在探究“变压器原、副线圈电压与匝数的关系”的实验中，先写出操作步骤，画出电路图，n1、n2分别表示原、副线圈的匝数。 (1)实验注意事项，正确的是________。 A．实验中可以用电动自行车上的电池作为电源 B．为了保证人身安全，原线圈所用电压不能超过36 V C．通电时不要用手接触裸露的导线、接线柱 D．用多用电表测副线圈电压时，先估计被测电压值，然后选用适当的挡位进行测量 (2)实验先保持原线圈的匝数不变，改变副线圈的匝数，研究其对副线圈电压的影响。再保持副线圈的匝数不变，研究原线圈的匝数对副线圈电压的影响。探究过程采用的实验方法是____________。 (3)保持输入电压和副线圈的匝数不变，当副线圈的电压变为原来的两倍时，原线圈的匝数可能变为原来的________(填选项前的字母代号)。 A．　 B． C．　 D． 答案：(1)C　(2)控制变量法　(3)B 解析：(1)变压器原线圈两端只能使用低压交流电源，为了人身安全，所用电压不要超过12 V，故A、B错误；实验通电时，不可用手接触裸露的导线、接线柱等检查电路，故C正确；使用多用电表测电压时，应先用最大量程挡试测，再选用适当的挡位进行测量，故D错误。 (2)本实验采用的是控制变量法，即要研究一个量与另外一个量的关系，需要控制其它量不变。 (3)若变压器为理想变压器，当副线圈的电压变为原来的两倍时原线圈的匝数变为原来的，由于原、副线圈可能会损失一定能量，所以当副线圈的电压变为原来的两倍时，原线圈的匝数可能小于原来的，故B正确。 学科网（北京）股份有限公司 $$