21 第三章 第3节 变压器-【正禾一本通】2024-2025学年高中物理选择性必修2同步课堂高效讲义配套课件（人教版2019）

物理选择性 必修第二册 第3节　变压器 第三章 交变电流 探究点一　变压器的原理 自主预习 思辨 深度学习 探究 探究点二　探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系 自主预习 思辨 能量损耗 深度学习 探究 探究点三　理想变压器的基本关系 深度学习 探究 素养园地 课下巩固训练（十一）变压器 课标解读 名词点击 1.理解互感现象和变压器的工作原理。 2．掌握理想变压器的电压与匝数的关系及应用。 3．掌握理想变压器的功率关系，导出原、副线圈中的电流关系并能灵活应用 变压器(transformer) 原线圈(primary coil) 副线圈(secondary coil) 如图所示，把两个线圈套在同一个闭合铁芯上，一个线圈(原线圈)通过开关连接到交流电源的两端，另一个线圈(副线圈)连到小灯泡上。闭合开关，小灯泡是否发光？如果将原线圈接在直流电源上，小灯泡是否发光？ 提示：发光；不发光。 负载 1．变压器的构造 由 和绕在铁芯上的两个线圈组成，如图所示。 (1)原线圈：与 连接的线圈，也叫初级线圈。 (2)副线圈：与 连接的线圈，也叫次级线圈。 闭合铁芯 交流电源 2．原理： 现象是变压器的工作基础。原线圈中电流的大小、方向不断变化，在铁芯中激发的 也不断变化，变化的磁场在副线圈中产生 。 互感 磁场 感应电动势 【基点辨析】 1．判断下列说法的正误 (1)变压器是利用互感现象制成的。( ) (2)变压器的原、副线圈是用导线连接在一起的。( ) 2．变压器为什么不能改变恒定电流的电压？ 提示：变压器是根据电磁感应原理来工作的，恒定电流的电压加在变压器的原线圈上时，通过原线圈的电流大小和方向不变，它产生的磁场通过副线圈的磁通量不变，因此在副线圈中不会产生感应电动势，副线圈两端也没有电压，所以变压器不能改变恒定电流的电压。 √ × 1．变压器的工作原理图 2．变压器的四点提醒 (1)变压器可以改变交变电流的电压。 (2)变压器不改变交变电流的周期和频率。 (3)变压器只对变化的电流起作用，对恒定电流不起作用。 (4)变压器的两个线圈之间通过磁场联系在一起，两个线圈之间是绝缘的。 【典例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 解析：选ABC。理想变压器只改变电压和电流，不改变电流的频率、电功率和磁通量的变化率，故A、B、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，故D错误。 1．实验思路 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。原理如图： 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。 (2)接通学生电源，闭合开关，读出电压值，并记录在表格中。 (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、副线圈的匝数比，即。 5．理想变压器：没有 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、副线圈的电阻不计，电流通过时不产生焦耳热，即无“铜损”。 (3)闭合铁芯中的涡流可忽略不计，即无“铁损”。 【基点辨析】 1．判断下列说法的正误 (1)为确保实验安全，应使用低压直流电源。( ) (2)为确保实验安全，实验中原线圈的匝数应小于副线圈的匝数。( ) (3)实验所用电压较低，通电情况下可用手接触裸露的导线、接线柱。( ) (4)使用多用电表测电压时，先用最大量程挡试测，再选用适当的挡位进行测量。( ) × × × √ 2．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； (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”)。 提示：(1)交流　(2)变暗　变小 1．误差分析 由于变压器工作时存在能量损耗，所以副线圈的电压测量值应小于理论电压值。 2．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。 【典例2】 为完成“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验，必须选用的是________。 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，实验测量数据如下表： 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”)。 解析：为了完成实验，需要使用交流电源变压，故选用多用电表的交流电压挡；为了让变压效果明显，需要带闭合铁芯的原、副线圈。由于存在能量损耗，所以副线圈电压测量值应小于理论变压值，即nb为输入端，na为输出端。 答案：ACE　nb 【针对训练1】 某学校物理实验课上，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．变压器原线圈接低压交流电时，可以用多用电表的“直流电压挡”测量副线圈电压 C．测量副线圈电压时，先用中间挡位的量程试测，大致确定电压后再选用适当的挡位 D．研究副线圈匝数对副线圈电压的影响时，需保持原线圈电压、匝数不变，改变副线圈的匝数 (2)变压器铁芯是由相互绝缘的薄硅钢片平行叠压而成的，而不是采用一整块硅钢，这样设计的原因是___________。 A．减小涡流，提高变压器的效率 B．增大涡流，提高变压器的效率 C．增大铁芯中的电阻，以产生更多的热量 (3)一位同学实验时，选择的原线圈为800匝，副线圈为400匝，原线圈接学生电源的正弦交流输出端“6 V”挡位，测得副线圈的电压为3.2 V。下列分析正确的是________。 A．学生电源实际输出电压小于标注的“6 V” B．学生电源实际输出电压大于标注的“6 V” C．原线圈实际匝数与标注的“800”不符，应大于800 D．副线圈实际匝数与标注的“400”不符，应小于400 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；变压器只能改变交流电的电压，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；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，改变副线圈的匝数，研究副线圈匝数对副线圈电压的影响，故D正确。 (2)不用整块的硅钢铁芯，其目的是减小涡流，减小发热量，提高变压器的效率，故A正确，B、C错误。 (3)根据，测得副线圈的电压偏高，可能是因为学生电源实际输出电压大于标注的“6 V”，故A错误，B正确；如果原线圈实际匝数与标注的“800”不符，大于800，则测得副线圈的电压应偏低，而不是偏高，故C错误；如果副线圈实际匝数与标注的“400”不符，小于400，测得副线圈的电压应偏低，而不是偏高，故D错误。 答案：(1)D　(2)A　(3)B 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＋…。 【典例3】 如图所示，理想变压器的原、副线圈匝数比n1∶n2＝10∶1，原线圈两端接交流电源，已知电阻R＝5 Ω，电压表的读数为100 V，则(　　 ) A．原、副线圈中电流频率之比f1∶f2＝10∶1 B．电流表A2的读数为2 A C．电流表A1的示数为20 A D．变压器输入功率为200 W 解析：选B。变压器不改变频率，所以原、副线圈中电流频率之比f1∶f2＝1∶1，A错误；根据变压器的电压规律得U′＝ U＝10 V，电流表A2的读数I2＝ ＝2 A，B正确；根据变压器的电流规律得I1∶I2＝1∶10，即I1＝0.2 A，C错误；根据能量守恒得变压器输入功率P＝I2U′＝20 W，D错误。 [名师提醒] 错因剖析 对照反思 (1)误认为变压器既能改变交流电的电压又能改变频率； (2)不能灵活选择变压器的几个关系分析求解未知量 【针对训练2】 某同学设计了一个充电装置，如图所示，假设永磁铁的往复运动在螺线管中产生近似正弦式交流电，周期为0.2 s，电压最大值为0.05 V，理想变压器原线圈接螺线管，副线圈接充电电路，原、副线圈匝数比为1∶60，下列说法正确的是(　　) A．交流电的频率为10 Hz B．副线圈两端电压最大值为3 V C．变压器输入电压与永磁铁磁场强弱无关 D．充电电路的输入功率大于变压器的输入功率 解析：选B。周期是T＝0.2 s，频率是f＝＝5 Hz，故A错误；由理想变压器原理可知，解得副线圈两端的最大电压为U2＝U1＝3 V，故B正确；根据法拉第电磁感应定律可知，永磁铁磁场越强，线圈中产生的感应电动势越大，变压器的输入电压会越大，故C错误；由理想变压器原理可知，充电电路的输入功率等于变压器的输入功率，故D错误。 【典例4】 如图所示，理想变压器原线圈的匝数为1 000，两个副线圈的匝数分别为n2＝50和n3＝100，L1是“6 V　2 W”的小灯泡，L2是“12 V　4 W”的小灯泡，当原线圈接上交变电压时，L1、L2都正常发光，那么，原线圈中的电流为(　　 ) A． A B． A C． A D． A 解析：选C。两灯泡正常发光，则U2＝6 V，原线圈两端电压U1＝×6 V＝120 V，副线圈上总的输出功率P出＝PL1＋PL2＝2 W＋4 W＝6 W，原线圈上输入功率P入＝P出＝6 W，原线圈中的电流I1＝ A＝ A，故选项C正确。 [规律方法]多个副线圈问题的分析思路 当有多个副线圈时，电压比等于匝数比仍然成立，但电流不再与匝数成反比，而要根据原、副线圈功率相等去推导。 如图为家用燃气热水器内部点火器的工作原理图。点火器电源一般为2节1.5 V的干电池，先利用转换器将直流电压转换为交变电压，将该交变电压加在升压变压器的原线圈上，副线圈两端的放电针之间就会产生高压火花放电，从而点燃燃气。 【基础应用题】 1．一个接在交流电路中的理想变压器，它的初级线圈中的交流电和次级线圈中的交流电一定具有相同数值的物理量是(　　 ) A．电流 B．电压 C．匝数 D．功率 解析：选D。理想变压器输入功率等于输出功率，电流、电压和匝数不一定相同，故选项A、B、C错误，D正确。 2．某面包厂决定改建生产线转产月饼，原生产线工作电压为380 V，而月饼机工作电压为220 V，现在需要变压器来进行降压，若变压器原线圈的匝数为1 900匝，则副线圈的匝数为(　　 ) A．110 B．220 C．1 100 D．2 200 解析：选C。根据，解得n2＝＝1 100匝，故C正确。 3．如图所示，理想变压器的原线圈接在u＝的交流电源上，副线圈接有R＝55 Ω的负载电阻，原、副线圈的匝数之比为2∶1，电流表、电压表均为理想电表。下列说法正确的是(　　 ) A．原线圈的输入功率为220 W B．电流表的读数为1 A C．电压表的读数为110 V D．副线圈输出交流电的周期为50 s 解析：选B。理想变压器原线圈两端电压的有效值U1＝220 V，根据，解得U2＝110 V，即电压表的读数为110 V，通过负载电阻的电流I2＝＝2 A，则副线圈的输出功率P＝U2I2＝220 W，原线圈的输入功率也是220 W，A、C错误；根据n1I1＝n2I2，解得I1＝1 A，即电流表的读数为1 A，B正确；由u＝220sin (100πt) V可知，角速度ω＝100π rad/s，原线圈所接交流电的周期T＝＝0.02 s，副线圈输出交流电的周期不变，仍为0.02 s，D错误。 4．如图甲所示，不计电阻的矩形金属线框绕与磁感线垂直的转轴在匀强磁场中匀速转动，输出交流电的电动势图像如图乙所示，经原、副线圈匝数比为1∶10的理想变压器给一灯泡供电，灯泡上标有“220 V　22 W”字样，如图丙所示，则(　　 ) A．灯泡中的电流方向每秒钟改变50次 B．t＝0.01 s时刻穿过线框回路的磁通量为零 C．灯泡不能正常发光 D．电流表示数为1 A 解析：选D。由题图乙可知，交流电的周期为0.02 s，频率f＝＝50 Hz，所以灯泡中的电流方向每秒钟改变100次，A错误；由题图乙可知，当t＝0.01 s时，感应电动势为零，则此时穿过线框回路的磁通量最大，B错误；由于交变电流电压的有效值为 V＝22 V，由公式，解得U2＝220 V，所以灯泡正常发光，C错误；由P＝UI可知，副线圈电流I2＝＝0.1 A，则由公式，解得I1＝1 A，D正确。 5．(2024·浙江宁波期末)在“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验中，某同学采用了如图所示的可拆式变压器(铁芯不闭合)进行研究。 (1)实验还需下列器材中的________； (2)实验中，可拆式变压器的原线圈接“0、4”接线柱，副线圈接“0、8”接线柱，当副线圈所接电表的示数为24.0 V，则原线圈所接电源电压挡位可能为________。 A．3.0 V B．6.0 V C．12.0 V D．15.0 V 解析：(1)本实验中，变压器的原线圈应接在交流电源上；为了知道原、副线圈的电压比和线圈匝数比之间的关系，需要测交流电压，所以需要用到多用电表，故学生电源和多用电表两个器材不能缺少，故选A、D。 (2)若变压器为理想变压器，原、副线圈电压和匝数的关系为，则原、副线圈匝数比为，原线圈两端电压U1＝×24 V＝12 V，本题中可拆变压器并非理想变压器，存在漏磁现象，要使副线圈所接电压表示数为24 V，则原线圈电压必须大于12 V，故选D。 答案：(1)AD　(2)D 6．(多选)如图所示，Q是熔断电流为1 A的保险丝，R为用电器，理想变压器的原、副线圈的匝数比为n1∶n2＝2∶1。原线圈的电压为u＝220sin (100πt) V。要使保险丝不熔断，则(　　 ) A．副线圈中电流最大值不超过2 A B．副线圈中电流有效值应小于2 A C．R的阻值一定不能小于55 Ω D．R的阻值一定不能小于77 Ω 解析：选BC。保险丝的原理是电流的热效应，应该用电流的有效值进行计算。由得U2＝×220 V＝110 V，由得I2＝×1 A＝2 A，所以Rmin＝＝55 Ω，故B、C正确。 7．(多选)电动汽车充电站变压器输入电压为10 kV，输出电压为220 V，每个充电桩输入电流为16 A，设原副线圈匝数分别为n1、n2，输入正弦交流电的频率为50 Hz，则下列说法正确的是(　　 ) A．交流电的周期为0.02 s B．原副线圈匝数比n1∶n2＝11∶500 C．输出的最大电压为220 V D．若10台充电桩同时使用，输入功率为35.2 kW 解析：选AD。交流电的周期为T＝＝0.02 s，故A正确；根据理想变压器原副线圈的电压与线圈匝数的关系可得，原副线圈匝数比为，故B错误；输出的最大电压为U2m＝故C错误；若10台充电桩同时使用，输出功率为P2总＝10U2I2＝10×220×16 W＝35 200 W＝35.2 kW，变压器不改变功率，故输入功率为P1总＝P2总＝35.2 kW，故D正确。 【综合提升题】 8．如图所示，电动牙刷充电时将牙刷插人充电座内，充电座中的线圈接入220 V交流电，牙刷内的线圈两端获得4.5 V的电压，再通过控制电路对牙刷内部的直流充电电池充电，电池的电动势为2.4 V，内阻为0.1 Ω，容量为800 mA·h，10小时即可充满。充满电后用户平均每天使用4分钟，可以连续使用60天。关于此电动牙刷的说法正确的是(　　 ) A．充电座和牙刷内线圈的匝数比为110∶9 B．充电时，直流充电电池中的平均电流是800 mA C．使用时电池的平均输出功率为0.48 W D．电池最多能提供的电能为6 912 J 解析：选D。原、副线圈的电压之比等于匝数之比，原线圈的电压为220 V，副线圈两端的电压为4.5 V，故匝数之比为，故A错误；充电时，电池的容量为q＝800 mA·h，10小时即可充满，根据q＝It得，充电电流I＝＝80 mA，故B错误；若不考虑电池的内阻，则电池输出的电能最大，为W＝EIt＝2.4×0.08×10×3 600 J＝6 912 J，使用时电池的平均输出功率P＝ W＝0.48 W，实际电池有内阻，故实际的平均输出功率小于0.48 W，故C错误，D正确。 9．如图所示，与理想变压器相连的四只灯泡完全相同，变压器原、副线圈的匝数比为3∶1，接在副线圈上的三只灯泡均正常发光，则串联在原线圈上的灯泡L(　　 ) A．比正常发光时的亮度更大 B．也能正常发光 C．比正常发光时的亮度暗 D．无法判断其亮度变化情况 解析：选B。设每只灯泡的额定电流为I0，因并联在副线圈两端的三只灯泡均正常发光，所以副线圈中的电流I2＝3I0，由得，原线圈中的电流I1＝I2＝I0，恰为灯泡L的额定电流，因此串联在原线圈上的灯泡L正常发光，故B正确。 10．(多选)在如图(a)所示的交流电路中，电源电压的有效值为220 V，理想变压器原、副线圈的匝数比为10∶1，R1、R2、R3均为定值电阻，R2＝10 Ω，R3＝20 Ω，各电表均为理想电表。已知电阻R2中电流i2随时间t变化的正弦曲线如图(b)所示。下列说法正确的是(　　 ) A．所用交流电的频率为50 Hz B．电压表的示数为100 V C．电流表的示数为1.0 A D．变压器传输的电功率为15.0 W 解析：选AD。根据i2 ­t图像可知T＝0.02 s，则所用交流电的频率f＝＝50 Hz，故A正确；副线圈两端电压U2＝I2R2＝×10 V＝10 V，由得原线圈两端电压U1＝100 V，电压表的示数U＝220 V－100 V＝120 V，故B错误；电流表的示数I＝ A＝0.5 A，故C错误；变压器传输的电功率P＝R2＋I2R3＝15.0 W，故D正确。 【创新拔高题】 11．(2022·山东高考)如图所示的变压器，输入电压为220 V，可输出12 V、18 V、30 V电压，匝数为n1的原线圈中电压随时间变化为u＝Umcos (100πt)。单匝线圈绕过铁芯连接交流电压表，电压表的示数为0.1 V。将阻值为12 Ω的电阻R接在BC两端时，功率为12 W。下列说法正确的是(　　) A．n1为1 100匝，Um为220 V B．BC间线圈匝数为120匝，流过R的电流为1.4 A C．若将R接在AB两端，R两端的电压为18 V，频率为100 Hz D．若将R接在AC两端，流过R的电流为2.5 A，周期为0.02 s 解析：选D。变压器的输入电压为220 V，原线圈的电压与时间成余弦函数关系，故输入交流电压的最大值为220 V，根据理想变压器原线圈与单匝线圈的匝数比为，解得原线圈匝数为2 200匝，A错误；由功率和电压的关系得UBC＝＝12 V，根据理想变压器的变压规律有，代入数据解得nBC＝120，由欧姆定律得I＝＝1 A，B错误；由以上分析并结合题意可知UAB＝18 V，UAC＝30 V，变压器不改变交流电的频率，故f＝＝50 Hz，C错误；由欧姆定律得I′＝＝2.5 A，周期I＝＝0.02 s，D正确。 $$