第三章 第三节 变压器-【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（粤教版2019）

第三节　变压器 【素养目标】　1．了解变压器的构造及工作原理。2．通过实验探究变压器原、副线圈两端的电压与匝数的关系。3．掌握理想变压器原、副线圈电压、电流、功率的关系。 知识点一　认识变压器 [情境导学]　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，左边的线圈通过开关连接到交流电源的两端，右边的线圈连接到小灯泡的两端。连接电路，接通电源时小灯泡能发光。 (1)两个线圈并没有连接，小灯泡为什么会发光？这种设备称为什么？ (2)如果将左边的线圈改接到直流电源上，小灯泡还会发光吗？为什么？由此说明什么问题？ 提示：(1)当左边线圈接上交流电源时，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。这种设备称为变压器。 (2)不能。因为左边线圈改接到直流电源时，左边线圈中就有恒定电流，在铁芯中不会形成变化的磁场，所以在右边的线圈上不会有感应电动势产生。由此说明变压器不能使用直流电源。 学生用书↓第91页 (阅读教材P75－P76完成下列填空) 1．变压器是一种用于改变交流电压的设备。 2．变压器的构造 如图所示，变压器是由闭合铁芯和绕在铁芯上的线圈组成的。与交流电源连接的线圈叫作原线圈，也称为初级线圈；与负载连接的线圈叫作副线圈，也称为次级线圈。 3．变压器的原理 变压器工作的基本原理是利用互感现象。当原线圈上加交变电压时，原线圈中便有交变电流，并在铁芯中激发交变的磁通量，这个交变的磁通量又在副线圈内产生感应电动势和感应电流，它反过来通过互感磁通又影响到原线圈。如果在副线圈两端接入负载构成闭合回路，则回路中就会形成交变电流。 [问题探究]　如图所示，两个线圈绕在闭合的铁芯上，线圈由绝缘导线绕成。当左侧线圈接交流电源时，小灯泡会发光，当左侧线圈接入恒定电流时，右侧小灯泡会不会变亮？试分析原因。 提示：不会。灯泡中的电流是电磁感应产生的电流，当接恒定电流时，不再发生电磁感应。 (多选)关于变压器的工作原理，下列说法正确的是(　　) A．原、副线圈缠绕在一个闭合铁芯上，是为了减少磁场能的损失，有效地传送电能 B．铁芯不用整块金属做成，是为了防止原、副线圈短路，造成危险 C．变压器不改变交变电流的频率，只改变电压大小 D．当原线圈接入恒定电流时，副线圈也有电压输出 答案：AC 解析：铁芯不用整块金属做成是为了防止涡流产生较多的热量从而烧坏变压器，故B错误；变压器只对交变电流起作用，对恒定电流不起作用，故D错误；由变压器的工作原理知A、C正确。 变压器的工作原理 知识点二　实验：探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系 1．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．实验器材 两只多用电表、学生电源(低压交流电源)、开关、可拆变压器、导线若干。原理图如图所示： 3．实验步骤 (1)按图乙所示连接好电路，将两个多用电表调到交流电压挡，并记录两个线圈的匝数。 学生用书↓第92页 (2)接通学生电源，闭合开关，读出电压值，并记录在表格中。 次数 n1/匝 n2/匝 U1/V U2/V 1 2 3 (3)保持原、副线圈匝数不变，多次改变输入电压，记录每次改变后原、副线圈的电压值。 (4)保持输入电压、原线圈的匝数不变，多次改变副线圈的匝数，记录每次的副线圈匝数和对应的电压值。 4．实验结论 在误差允许的范围内，原、副线圈的电压之比等于原、副线圈的匝数之比，即＝。 5．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。 6．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。 (2024·辽宁大连高二期末)在“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验中，某同学利用可拆变压器(如图所示)进行探究。 (1)以下给出的器材中，本实验还需要用到的是________(填字母代号，多选)。 (2)本实验中需要运用的科学方法是________(填字母代号)。 A．控制变量法 B．等效替代法 C．科学推理法 (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 (4)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＝。 答案：(1)BD　(2)A　(3)在误差允许的范围内，原、副线圈的电压之比等于原、副线圈的匝数之比，即＝　(4)见解析 解析：(1)本实验中需要交流电源和交流电压表(多用电表)，不需要干电池和直流电压表，故B、D正确，A、C错误。 (2)为达到实验探究目的，保持原线圈输入的电压一定，通过改变原、副线圈匝数，测量副线圈上的电压，这个过程采用的科学探究方法是控制变量法，故B、C错误，A正确。 (3)通过数据计算可得，在误差允许的范围内，原、副线圈的电压之比等于原、副线圈的匝数之比，即＝。 (4)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。 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＝。 理想变压器 没有能量损耗的变压器叫作理想变压器，它是一个理想化模型。 1．原、副线圈中的电流产生的磁场完全束缚在闭合铁芯内，即无“漏磁”。 2．原、副线圈不计电阻，电流通过时不产生焦耳热，即无“铜损”。 3．闭合铁芯中的涡流为零，即无“铁损”。 学生用书↓第93页 针对练．(多选)为完成“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验，必须要选用的是________。 A．有闭合铁芯的原、副线圈 B．无铁芯的原、副线圈 C．交流电源 D．直流电源 E．多用电表(交流电压挡) F．多用电表(交流电流挡) 用匝数na＝60和nb＝120的变压器做实验测量数据如下表所示： Ua/V 1.80 2.80 3.80 4.90 Ub/V 4.00 6.01 8.02 9.98 根据测量数据可判断连接电源的线圈是________(选填“na”或“nb”)。 答案：ACE　nb 解析：为了完成实验，需要使用交流变压电源，故选用多用电表的交流电压挡；为了让变压效果明显，需要用有闭合铁芯的原、副线圈。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，即nb为输入端，na为输出端。 知识点三　理想变压器的基本关系 1．电压关系 (1)只有一个副线圈时，＝。 当n2>n1时，U2>U1，变压器使电压升高，是升压变压器。 当n2<n1时，U2<U1，变压器使电压降低，是降压变压器。 (2)有多个副线圈时，＝＝＝…。 2．功率关系 从能量守恒看，理想变压器的输入功率等于输出功率，即P入＝P出。 3．电流关系 (1)只有一个副线圈时，U1I1＝U2I2或＝。 (2)当有多个副线圈时，I1U1＝I2U2＋I3U3＋…或n1I1＝n2I2＋n3I3＋…。 角度一　单个副线圈的变压器 如图所示，理想变压器原、副线圈匝数之比为20∶1，两个标有“12 V　6 W”的小灯泡并联在副线圈的两端。当两灯泡都正常工作时，原线圈电路中电压表和电流表(可视为理想的电表)的示数分别是(　　) A．120 V，0.10 A B．240 V，0.025 A C．120 V，0.05 A D．240 V，0.05 A 解题指导：解答本题时可按以下思路分析： 答案：D 解析：灯泡正常发光，U2＝12 V，根据＝，代入数据解得U1＝240 V；两个灯泡均正常发光，I2＝2＝1 A，根据＝，代入数据解得I1＝0.05 A，故D正确。 1．理想变压器原、副线圈(只有一个副线圈)的电流、电压关系＝＝中的U、I可以是有效值，也可以是最大值，为一一对应的关系。 2．变压器不能改变交变电流的周期和频率。 角度二　多个副线圈的变压器 如图所示，理想变压器原线圈匝数为n1＝1 000匝，两个副线圈匝数分别为n2＝50匝和n3＝100匝，L1是“6 V　2 W”的灯泡，L2是“12 V　4 W”的灯泡，当原线圈接正弦交变电流时，两灯泡均正常发光，那么原线圈中的电流为(　　) A． A B． A C． A D． A 答案：C 解析：由电压关系＝＝，解得U1＝120 V，原线圈的输入功率为P入＝U1I1＝PL1＋PL2，解得I1＝ A，故C正确。 学生用书↓第94页 针对练1．(多选)电动汽车无线充电示意图如图所示，若发射线圈的输入电压为u＝220sin (100πt) V、匝数为1 100匝，接收线圈的匝数为2 200匝。若发射线圈输出功率为13.2 kW，变压器为理想变压器，下列说法正确的是(　　) A．采用直流电流的电源也能为电动汽车充电 B．发射线圈与接收线圈中交变电流的频率相等，均为100 Hz C．副线圈输出电流的有效值为30 A D．副线圈输出电压的峰值为440 V 答案：CD 解析：变压器是利用电磁感应原理，必须通过交流电产生变化的磁场，才能产生感应电流，A错误；变压器无法改变交变电流的频率，频率为f＝＝ Hz＝50 Hz，B错误；根据正弦式交流电中有效值和峰值的关系可知，原线圈电压的有效值U1＝＝ V＝220 V，根据变压器的工作原理有＝＝，解得副线圈的有效值U2＝440 V，峰值为440 V，因为理想变压器原、副线圈的功率相等，则I2＝＝＝30 A，C、D正确。故选CD。 针对练2．(多选)(2024·广东佛山统考)如图甲是可拆变压器的实验装置图，已知小灯泡额定电压为2 V，调节学生电源，使小灯泡正常发光，此时原线圈上的电压随时间变化的图像如图乙所示。变压器可看作理想变压器，下列说法正确的是(　　) A．此时通过小灯泡的交变电流频率为50 Hz B．此时变压器的原、副线圈匝数之比为1∶5 C．若拆走可拆卸铁芯，则小灯泡两端没有电压 D．若原线圈接学生电源直流输出端，则小灯泡不能发光 答案：AD 解析：此时通过灯泡的交变电流频率为f＝＝ Hz＝50 Hz，故A正确；原线圈电压有效值为 V＝10 V，根据原副线圈电压与线圈匝数的关系，可知此时变压器的原、副线圈匝数之比为＝＝＝，故B错误；若拆走可拆卸铁芯，则灯泡两端仍然有电压，故C错误；若原线圈接学生电源直流输出端，则不能发生电磁感应现象，副线圈两端无电压，灯泡不能发光，故D正确。故选AD。 1．(多选)理想变压器正常工作时，原、副线圈中一定相等的物理量是(　　) A．每匝线圈中磁通量的变化率 B．交变电流的频率 C．原线圈的输入功率和副线圈的输出功率 D．原线圈的感应电动势和副线圈的感应电动势 答案：ABC 解析：理想变压器的原线圈的磁通量的变化率与副线圈中磁通量的变化率相同，故A正确；变压器不改变交变电流的频率，即原、副线圈频率相同，B正确；理想变压器是理想化模型，一是不计线圈内阻，二是没有出现漏磁现象，所以原、副线圈的功率相等，C正确；原线圈的感应电动势和副线圈的感应电动势由输入电压和匝数比决定，当匝数不同时，电动势不同，D错误。 2．在“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验中，某小组按如图所示组装变压器并进行研究。实验时，原线圈接“0”“8”接线柱，副线圈接“0”“1”接线柱，原线圈两端连接低压交流电源10 V挡，用交流电压表测得副线圈两端的电压为0.4 V，这与其他小组的正确实验结论明显不一致。对于这个小组实验结论出现明显偏差的原因，最有可能的是(　　) A．原线圈匝数太多，电阻过大 B．铁芯没有闭合，漏磁过多 C．副线圈匝数太少，增加实验误差 D．副线圈的电阻太小 答案：B 解析：根据变压器的工作原理可知，若通过原、副线圈的磁通量相同，则原、副线圈的电压比等于匝数比，则有＝＝，实际结果为＝＝<，实验结论与理论结论出现明显的偏差，最有可能的是铁芯没有闭合，漏磁过多，使得通过副线圈的磁通量明显小于通过原线圈的磁通量，则副线圈两端的电压很小，故B正确。 3．(人教版选择性必修第二册P62T3改编)小明从旧变压器铭牌上只能看到其中一个线圈的匝数为400匝，将它作为副线圈，当原线圈接220 V的交流电时，测得副线圈两端的电压为55 V，则原线圈的匝数是(　　) A．1 600 B．100 C．3 200 D．50 答案：A 解析：根据＝，代入数据得＝，解得n1＝1 600，故A正确，B、C、D错误。 学生用书↓第95页 4．在如图所示的电路中，理想变压器原、副线圈的匝数比n1∶n2∶n3＝6∶3∶1，电流表均为理想交流电流表，两电阻阻值相同。当在原线圈两端加上大小为U的交变电压时，三个电流表的示数之比I1∶I2∶I3为(　　) A．1∶2∶3 B．1∶2∶1 C．1∶3∶6 D．5∶9∶3 答案：D 解析：由理想变压器原、副线圈的电压比等于匝数比可知＝，＝，解得U2＝，U3＝，设电流表A3的示数为I，即I3＝I＝＝，则I2＝＝＝3I，理想变压器输入功率与输出功率相等，即U1I1＝U2I2＋U3I3，解得I1＝I，则I1∶I2∶I3＝5∶9∶3，故A、B、C错误，D正确。 课时测评19　变压器 (时间：30分钟　满分：40分) (本栏目内容，在学生用书中以独立形式分册装订！) (选择题1－5题，每题4分，6－9题，每题5分，共40分) 1．如图所示，理想变压器原、副线圈匝数之比n1∶n2＝4∶1，当导体棒在平行导轨上匀速切割磁感线时，电流表A1的示数是12 mA，则副线圈中电流表A2的示数是(　　) A．3 mA B．48 mA C．0 D．与R的阻值有关 答案：C 解析：当导体棒在平行导轨上匀速切割磁感线时，产生的电流是恒定的，不会使副线圈的磁通量变化，因而副线圈中无感应电流，选项C正确。 2．(2023·广东江门第一中学高二校考阶段练习)如图是手机无线充电器的模型，其工作原理与理想变压器相同。已知发射、接收线圈匝数比n1∶n2＝5∶1，C、D端输出电流i＝sin (2π×105t) A，则A、B端输入电流的(　　) A．频率为50 kHz B．周期为2×10－5 s C．有效值为0.2 A D．最大值为5 A 答案：C 解析：变压器不改变周期和频率，所以周期为T＝＝10－5 s，频率为f＝＝105 Hz＝100 kHz，故A、B错误；C、D端输出电流的最大值为 A，由＝可得A、B端输入电流的最大值为I1m＝ A，A、B端输入电流的有效值为I1＝＝0.2 A，C正确，D错误。故选C。 3．(2024·广东韶关高二统考期末)在匀强磁场中有一矩形线圈，绕线圈平面内垂直于磁感线的轴匀速转动，线圈中产生的感应电动势随时间变化的图像如图所示。将其接入原、副线圈匝数比为3∶2的理想变压器时，下列说法正确的是(　　) A．此感应电动势的有效值为10 V B．此感应电流的频率为60 Hz C．变压器原、副线圈两端的电压之比为3∶2 D．当副线圈接负载且正常工作时，变压器原副线圈中的电流之比为3∶2 答案：C 解析：发电机产生的正弦交流电的电动势最大值为10 V，则有效值为E＝＝5 V，故A错误；正弦交流电的周期为0.02 s，则频率为f＝＝50 Hz，故B错误；理想变压器两端的电压比等于匝数比，则变压器原、副线圈两端的电压之比为3∶2，故C正确；理想变压器两端的电流之比等于匝数比的反比，则变压器原、副线圈中的电流之比为2∶3，故D错误。故选C。 4．(2024·广东江门校联考)某学校用电，电压为u＝550sin (100πt) V的交流电经过理想变压器变压后输入校园使用，该变压器原、副线圈的匝数比为5∶2，若该学校日常用电功率为880 kW，则该学校日常用电时(　　) A．副线圈的输出电压为220 V，副线圈的输出电流为4 000A B．副线圈的输出电压为220 V，副线圈的输出电流为4 000 A C．副线圈的输出电压为220 V，副线圈的输出电流为2 000 A D．副线圈的输出电压为220 V，副线圈的输出电流为2 000 A 答案：B 解析：变压器原线圈的输入电压有效值U1＝ V＝550 V，由＝可得副线圈的输出电压U2＝220 V，根据P＝U2I2，可得I2＝4 000 A，故选B。 5．(2024·广东广州高二期末)如图所示，变压器原、副线圈匝数比n1∶n2＝2∶1，灯泡电阻RL＝6 Ω，A、B两端电压u1＝12sin (200πt) V。下列说法正确的是(　　) A．电流频率为100 Hz B．电压表的读数为8 V C．电流表的读数为0.5 A D．变压器输入功率为5 W 答案：A 解析：根据题意可知，电流的频率为f＝＝＝ Hz＝100 Hz，故A正确；原线圈输入电压的有效值为U1＝＝ V＝12 V，由变压器电压与匝数关系可知，副线圈的输出电压为U2＝U1＝×12 V＝6 V，可知电压表的读数为6 V，故B错误；由欧姆定律可得，电流表的读数为I2＝＝ A＝1 A，故C错误；由变压器电流与匝数关系可知，穿过原线圈的电流为I1＝I2＝×1 A＝0.5 A，变压器输入功率为P＝U1I1＝12×0.5 W＝6 W，故D错误。 6．(多选)如图所示，发电机的矩形线圈长为2L、宽为L，匝数为N，放置在磁感应强度大小为B的匀强磁场中，理想变压器的原、副线圈匝数分别为n0、n1和n2，两个副线圈分别接有电阻R1和R2，当发电机线圈以角速度ω匀速转动时，理想电流表读数为I，不计线圈电阻，下列说法正确的是(　　) A．发电机线圈产生的电动势最大值为2NBLω2 B．通过电阻R2的电流为 C．电阻R2两端的电压为 D．n0与n1的比值为 答案：CD 解析：发电机线圈产生的电动势最大值为Em＝NBSω＝2NBL2ω，故A错误；根据理想变压器变压规律可得＝，＝，根据欧姆定律可得I1＝I＝，I2＝，联立解得通过电阻R2的电流为I2＝，电阻R2两端的电压为U2＝，故B错误，C正确；原线圈两端电压的有效值为U0＝＝NBL2ω，联立解得＝，故D正确。 7．有一个变压器，当输入电压为220 V时输出电压为12 V，某同学在实验过程中发现此变压器副线圈烧坏了，于是他从变压器上拆掉烧坏的副线圈，用绝缘导线在铁芯上新绕了5匝线圈作为副线圈(如图所示)，然后将原线圈接到110 V交流电源上，将交流电流表与100 Ω的固定电阻串联后接在新绕的5匝线圈两端，这时电流表的示数为5 mA。该同学按理想变压器分析，求出了该变压器副线圈的匝数。你认为该变压器原来的副线圈匝数应为(　　) A．2 200 B．1 100 C．60 D．30 答案：C 解析：由题意可知当新绕5匝线圈后，原线圈接到110 V交流电源上，新绕线圈电流为5 mA，则新绕线圈的电压为U2′＝IR＝5×10－3×100 V＝0.5 V，根据原副线圈电压比等于匝数比可知＝，可得原线圈的匝数为n1＝n2′＝×5匝＝1 100匝，又因为当副线圈没有损坏输入电压为220 V时输出电压为12 V，由＝，可得该变压器原来的副线圈匝数应为n2＝＝匝＝60匝，故C正确，A、B、D错误。 8．(2024·广东深圳高二统考期末)电蚊拍利用高压电击网来击杀飞近的蚊虫。如图所示，将3 V直流电压通过转换器转变为正弦交变电压u＝3sin (10 000πt) V，再将其加在理想变压器的原线圈上，副线圈两端接电击网，电压峰值达到2 100 V时可击杀蚊虫，正常工作时(　　) A．交流电压表的示数为3 V B．电击网上的高频电压的频率为10 000 Hz C．副线圈与原线圈匝数比需满足≥700 D．将3 V直流电压连接在变压器的原线圈两端电蚊拍也可以正常工作 答案：C 解析：正弦交变电压的有效值为U＝＝ V＝ V，则交流电压表的示数为 V，故A错误；电击网上的高频电压的周期为T＝＝ s＝ s，则电击网上的高频电压的频率为f＝＝5 000 Hz，故B错误；根据变压器原、副线圈电压比等于匝数比，可知副线圈与原线圈匝数比需满足＝≥＝700，故C正确；将3 V直流电压连接在变压器的原线圈两端，副线圈不会产生感应电动势，电蚊拍不可以正常工作，故D错误。故选C。 9．(多选)(2024·广东梅州高二统考期末)如图所示，高铁的供电流程是将高压220 kV或110 kV经过牵引变电所进行变压(可视作理想变压器)，降至27.5 kV，通过接触网上的电线与车顶上的受电器进行接触而完成受电，机车最终获得25 kV的电力使高铁机车运行，以下说法正确的是(　　) A．若电网的电压为220 kV，则变电所的变压器原、副线圈匝数比n1∶n2＝8∶1 B．若电网的电压为110 kV，则变电所的变压器原、副线圈匝数比n1∶n2＝1∶4 C．如果高铁机车功率为8 000 kW，牵引变电所至机车间的线路损耗的电功率为800 kW D．如果高铁机车功率为8 000 kW，则自牵引变电所至机车间线路的等效电阻约为85.9 Ω　 答案：AC 解析：若电网的电压为220 kV，根据＝，可得＝＝，故A正确；若电网的电压为110 kV，则有＝＝，故B错误；如果高铁机车功率为8 000 kW，通过线路的电流大小为I＝＝＝320 A，牵引变电所至机车间的线路损耗的电功率为P′＝(U2－U)I＝800 kW，自牵引变电所至机车间线路的等效电阻约为R＝＝＝7.812 5 Ω，故C正确，D错误。故选AC。 学科网（北京）股份有限公司 $$