第3章 3 变压器 第1课时 变压器-【优化探究】2025-2026学年新教材高中物理选择性必修第二册同步导学案配套PPT课件（教科版）

3　变压器 第1课时　变压器 第三章　交流电   [学习目标]　1.了解变压器的构造及工作原理(重点)。2.掌握理想变压器原副线圈电压、电流、功率的关系(重难点)。3.了解几种常见的变压器。 课时作业 巩固提升 要点1　变压器的结构与原理 要点2　理想变压器的基本关系 要点3　电压互感器和电流互感器 内容索引 要点1　变压器的结构与原理 一 4 梳理 必备知识 自主学习 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:一个线圈与　　　　 　连接,叫作原线圈,也叫　　　　　　。  (2)副线圈:一个线圈与　　　　连接,叫作副线圈,也叫　　 　　。  闭合铁芯 交流电电源　 初级线圈 负载　 次级线圈 2.原理:　　　　现象是变压器的工作基础。原线圈中交变电流在铁芯中激发交变的　　　　,交变的　　　　穿过原、副线圈,在原、副线圈中产生　　　　　　。  3.作用:改变交变电流的　　　　。  互感　 磁场　 磁感线　 感应电动势 电压 4.注意 (1)变压器不改变交变电流的周期和频率。 (2)变压器只对变化的电流起作用,对恒定电流不起作用。 (3)变压器的两个线圈之间通过磁场联系在一起,两个线圈间是绝缘的。 [思考与讨论] 如图所示,一蓄电池连接在低压交流变压器上,闭合开关会观察到瞬间灯泡发光,然后熄灭,你能解释这种现象发生的原因吗? 提示:恒定电压加在原线圈上瞬间,线圈内的磁通量发生变化,因而副线圈中的磁通量也发生变化,所以由E=n知,副线圈中有感应电动势,灯泡闪亮,之后原线圈中电流恒定,线圈内的磁通量恒定不变,副线圈中无电动势,因而灯泡熄灭。 1.理想变压器的特点 (1)原、副线圈的电阻不计,不产生热量。 (2)变压器的铁芯无漏磁,原、副线圈磁通量无差别。 (3)变压器自身的能量损耗不计,原线圈的输入功率等于副线圈的输出功率。 (4)原、副线圈的交变电流的周期T和频率f相同。 归纳 关键能力 合作探究 2.变压器工作原理图解 [典例1]　关于理想变压器的工作原理,以下说法正确的是(　　) A.通有正弦交流电的原线圈的磁通量不变 B.穿过原、副线圈的磁通量在任何时候都不相等 C.穿过副线圈磁通量的变化使得副线圈产生感应电动势 D.原线圈中的电流通过铁芯流到了副线圈 C 通有正弦交流电的原线圈产生的磁场是变化的,由于面积S不变,故穿过原线圈的磁通量Φ变化,A错误;对于理想变压器,穿过原、副线圈的磁通量在任何时候都是相等的,B错误;由法拉第电磁感应定律知,C正确;原线圈中的电能转化为磁场能又转化为电能,原、副线圈通过磁场联系在一起,D错误。 [针对训练]　1.(多选)关于理想变压器的工作原理,以下说法正确的是(　　) 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 AC 原、副线圈缠绕在一个闭合铁芯上,原线圈产生的磁场几乎全部沿铁芯通过副线圈,漏磁很小,因此可以减小能量损失,故A正确;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;变压器原、副线圈中的磁通量的变化率相同,变化周期相同,匝数不同,所以原、副线圈中的交流电的频率相同,电压不同,故C正确;变压器对恒定电流不起作用,故D错误。 二 要点2　理想变压器的基本关系 16 1.理想变压器 (1)定义:没有　　　　损失的变压器。  (2)特点 ①忽略　　　　。  ②忽略一切能量损耗。 梳理 必备知识 自主学习 能量 漏磁 2.原、副线圈的电压关系 (1)对理想变压器,原、副线圈中每一匝线圈都具有相同的,根据法拉第电磁感应定律有E1=n1,E2=n2,所以=　　　　。  (2)由于不计原、副线圈的电阻,因此原线圈两端的电压U1=E1,副线圈两端的电压U2=E2,所以=　　　　。当有多组线圈时,则有===…  3.两类变压器 (1)降压变压器:　　　　的电压比　　　　电压低的变压器。  (2)升压变压器:　　　　的电压比　　　　电压高的变压器。  副线圈　 原线圈 副线圈　 原线圈 [思考与讨论] 学生电源(低压交流12 V),可拆变压器,多用电表(交流电压挡),电路图如图所示,对于理想变压器,只有一组副线圈的情况下,原线圈和副线圈的电流跟它们的匝数的关系。   提示:因为P1=P2,即I1U1=I2U2,又=,所以推导出=。 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,===… 归纳 关键能力 合作探究 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2]　如图所示,理想变压器原、副线圈匝数比n1∶n2=2∶1,电压表和电流表均为理想电表,灯泡电阻RL=6 Ω,A、B两端电压u1=12sin(100πt)V。下列说法正确的是(　　) A.电流频率为100 Hz B. 的读数为24 V C. 的读数为0.5 A D.变压器输入功率为6 W D 根据u1=12sin(100πt)V及U=知U1=12 V,f==50 Hz,A错误;根据=得U2=U1=×12 V=6 V,即电压表的读数为6 V,B错误;又I2== A=1 A,即电流表的读数为1 A,C错误;P1=P2== W=6 W,D正确。 [典例3]　(多选)(2024·成都高二检测)如图所示,一台有两个副线圈的理想变压器,原线圈匝数n1=1 100,接入交变电压为U1=220 V的电路中,在两组副线圈上分别得到电压U2=6 V、U3=110 V。若在两副线圈上分别接上0.09 Ω、30.25 Ω的电阻,设此时原线圈的电流为I1,两副线圈的电流分别为I2和I3。下列关系中正确的有(　 　) A.两副线圈的匝数分别为n2=30,n3=550 B.=、= C.I2= A、I3= A D.I1= A ACD 理想变压器原、副线圈的电压比等于匝数比,即有==,代入数据得n2=30,n3=550,A正确。有两组副线圈时,根据能量守恒可推导电流关系为n1I1=n2I2+n3I3;根据欧姆定律可得I2= A、I3= A,故I1= A,C、D正确,B错误。 [针对训练]　2.如图所示,理想变压器的原线圈接在u=220sin(100πt)V 的交流电源上,副线圈接有R=55 Ω的负载,原、副线圈匝数之比为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 B 由交流电压的表达式可知,原线圈两端所加的电 压最大值为220 V,故有效值U1=220 V,由= =知,副线圈两端电压的有效值U2=110 V,故输出 功率P2==220 W,再由输入功率等于输出功率知P1=P2=220 W,A错误;根据欧姆定律知I2==2 A,由=得I1=1 A,故电流表读数为1 A,B正确;电压表的读数为有效值,即U2=110 V,C错误;由交流电压的表达式可知,ω=100π rad/s,又T=,解得T=0.02 s,D错误。 3.(2024·四川眉山高二期中诊断)如图所示为理想变压器,原线圈的匝数为1 000匝,两个副线圈的匝数分别为n2=50、n3=100,L1是“6 V　2 W”的小灯泡,L2是“12 V　4 W”的小灯泡,当原线圈两端接入交变电压时,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 C 理想变压器的输出功率P出=2 W+4 W=6 W,由P入=P出得I1U1=6 W;又=,所以U1=U2=×6 V=120 V,所以I1== A= A,故C正确。 三 要点3　电压互感器和电流互感器 31 1.电压互感器 (1)特点:降压变压器。 (2)原理:初级　　　　在高压交流线路上,次级与交流　　　　　表相连,根据电压表测出的电压值和匝数比就可以算出高压线两端的电压值。  (3)变压比:初级输入电压与次级输出电压之比。 (4)安全防护:为防止线圈与　　　　间的绝缘部分被击穿造成触电事故, 　　　线圈必须接地。  梳理 必备知识 自主学习 并联 电压 铁芯 副 2.电流互感器 (1)特点:升压变压器。 (2)原理:原线圈　　　在被测交流电路中,副线圈与交流　　　　表相连,根据电流表测得的电流值和　　　比就可以算出被测电路中的电流。  (3)安全防护 ①使用时　　　　线圈必须接地;  ②使用时不许将副线圈　　　　。  串联 电流　 变流 副　 开路 [思考与讨论] 在某些需要带电工作的情况下测量交变电流时,电工需要使用钳形电流表,其结构如图所示。试讨论钳形电流表测量交变电流大小的原理。 提示:钳形电流表是一种电流互感器,被测导线通有交变电流,相当于初级线圈。由于电磁感应的互感现象,初级线圈中电流周期性变化时,二次绕组(次级线圈)中产生感应电流,钳形电流表实际上是升压变压器,由=,可以求得待测交变电流的大小。 两类互感器的比较 归纳 关键能力 合作探究 分类 电压互感器 电流互感器 原理图     原线圈的连接 并联在高压电路中接在火线和零线间 串联在待测电路中接在火线上 副线圈的连接 连接交流电压表 连接交流电流表 分类 电压互感器 电流互感器 互感器的作用 测高电压,将高电压变为低电压(降压变压器) 测大电流,将大电流变成小电流(升压变压器) 利用的关系式 =(n1>n2) I1n1=I2n2(n1<n2) [典例4]　如图所示,甲、乙两图中的理想变压器以不同的方式接在高压电路中。甲图中变压器原、副线圈的匝数之比为k1,电压表读数为U;乙图中变压器原、副线圈的匝数之比为k2,电流表读数为I,则甲图中高压线电压和乙图中高压线电流分别为(　　)   A.k1U,k2I　　　　　　 B.k1U, C.,k2I D., B 由理想变压器的工作原理,对甲图得==k1,解得U1=k1U;对乙图得==k2,解得I1=,B正确,A、C、D错误。 [针对训练]　4.电流互感器是一种测量电路中电流的变压器,工作原理如图所示。其原线圈匝数较少,串联在电路中,副线圈匝数较多,两端接在电流表上,则电流互感器(　　) A.是一种降压变压器 B.能测量直流电路的电流 C.原、副线圈电流的频率不同 D.副线圈的电流小于原线圈的电流 D　 变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置,不 能改变交变电流的频率,B、C错误;根据变压器匝数与电 压的关系=,可得副线圈的电压U2=U1,由于原线圈匝 数少而副线圈的匝数多,即n1<n2,因此有U2>U1,电流互感器是一种升压变压器,A错误;根据变压器匝数与电流的关系=,可得副线圈的电流I2=I1,由于n1<n2,因此有I2<I1,D正确。 5.(多选)如图所示,L1、L2是高压输电线,图中两电表示数分别是220 V和10 A,已知甲图中原、副线圈匝数比为100∶1,乙图中原、副线圈匝数比为1∶10,则(　　) A.甲图中的电表是电压表,输电电压为22 000 V B.甲图是电流互感器,输电电流是100 A C.乙图中的电表是电压表,输电电压为22 000 V D.图示高压输送电路输入的总功率为2.2×103 kW AD 题图甲中的原线圈并联在电路中,是电压互感 器,电表是电压表;根据=,有U1=U2=× 220 V=22 000 V,故A正确,B错误;题图乙中的原 线圈串联在电路中,是电流互感器,电表是电流表,故C错误;只有一个副线圈的变压器,电流比等于匝数的反比,则=,有I1=I2=×10 A=100 A,根据P=UI得输入的总功率P=U1I1=22 000×100 W=2.2×103 kW,故D正确。 四 课时作业 巩固提升 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 [A组　基础巩固练] 1.下列关于变压器的说法正确的是(　　) A.变压器工作的基础是自感现象 B.在原线圈中,电能转化为磁场能 C.电能能够从原线圈传递到副线圈,是因为原、副线圈通过导线连在一起 D.变压器对恒定电流也能变压 13 B 14 变压器工作的基础是原、副线圈的互感,并不是自感现象,在原线圈中电能转化为磁场能,副线圈中磁场能转化成电能,电能是通过磁场从原线圈传递到副线圈的,变压器只能对变化的电流有变压作用,综上所述,B正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 2.如图是某手机的充电器,将它接到220 V的市电上能给手机提供5 V的充电电压,说明该充电器内的变压器能够 (　　) A.升高交流电压　　　　　 B.降低交流电压 C.升高直流电压 D.降低直流电压 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 B 14 将充电器接到220 V的市电上能给手机提供5 V的充电电压,则说明充电器有降低交流电压的作用,B正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 3.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.零 D.与R的阻值有关 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 C 14 当导体棒在平行导轨上匀速运动时,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,C正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 4.某理想变压器原、副线圈的匝数之比为1∶10,当输入电压增加20 V时,输出电压(　　) A.降低2 V B.增加2 V C.降低200 V D.增加200 V 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 D 由=知=,代入数据得ΔU2=200 V,故D正确。 14 5.如图所示,一只理想变压器,原线圈中有一个抽头B,使n1=n2,副线圈中接有定值电阻R。当原线圈从A、C端输入电压为U的正弦交流电压时,副线圈中电流为I,当原线圈从A、B端输入电压为U的正弦交流电压时,副线圈中电流为I'。那么I'与I的比值等于(　　)   A.4∶1 B.1∶4 C.2∶1 D.1∶2 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 C 14 当电压由A、C端输入改为由A、B端输入后,副线圈上的电压加倍,电阻R是定值电阻,所以副线圈中的电流加倍,故C正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 6.(多选)如图所示,Q是熔断电流为1 A的保险丝(电阻不计),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.副线圈电流最大值不超过2 A B.副线圈中电流有效值不超过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 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 BC 14 保险丝的原理是电流的热效应,应该用电流的有效值,由=得U2=U1=×220 V=110 V,由=得I2=I1=×1 A=2 A,所以 Rmin==55 Ω,故B、C正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 7.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 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 D 14 两灯泡都正常工作,所以U2=12 V,根据=,代入数据解得U1=240 V, I2==1 A,根据=,代入数据解得I1=0.05 A,故D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 8.(多选)某50 Hz的钳形电流表的工作原理如图所示。当通有交流电的导线从环形铁芯的中间穿过时,与绕在铁芯上的线圈相连的电表指针会发生偏转。不考虑铁芯的漏磁及各种能量损耗,已知n2=1 000匝,当用该表测50 Hz 交流电时(　　) A.若导线中通过的是10 A恒定电流,G中通过的电流是10 mA B.若G中通过的电流为50 mA,则导线中的被测电流为50 A C.若导线在钳形口多绕几圈,则钳形电流表的示数变大 D.若导线在钳形口多绕几圈,则钳形电流表的示数变小 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 BC 14 若导线中通过的是10 A恒定电流,则穿过线圈的磁通量不变,则G中不会有感应电流产生,故A错误;根据变压器原、副线圈电流与匝数成反比=可得I1=50 A,故B正确;导线在钳形口多绕几圈,即n1增大,I2随之增大,钳形电流表的示数变大,故C正确,D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 [B组　综合强化练] 9.自耦变压器的铁芯上只绕有一个线圈,原、副线圈都只取该线圈的某部分。一升压式自耦变压器的电路如图所示,其副线圈匝数可调。已知变压器线圈总匝数为1 900匝,原线圈为1 100匝,接在电压有效值为220 V的交流电源上。当变压器输出电压调至最大时,负载R上的功率为2.0 kW,设此时原线圈中电流有效值为I1,负载两端电压的有效值为U2,且变压器是理想变压器,则U2和I1分别约为(　　) A.380 V和5.3 A B.380 V和9.1 A C.240 V和5.3 A D.240 V和9.1 A 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 B 14 由理想变压器原、副线圈中电压、电流及功率关系可得=,=,U1I1=P2,所以,当变压器输出电压调至最大时,副线圈的匝数也最大,n2=1 900匝,负载R上的功率也最大,为2.0 kW,则U2=U1=×220 V=380 V,I1== A≈9.1 A,故B正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 10.电压互感器能将高电压变成低电压,电流互感器能将大电流变成小电流,用于测量或保护系统。如图所示,T1、T2是监测交流高压输电参数的互感器,a、b是交流电压表或交流电流表,若高压输电线间电压为220 kV,T1的原、副线圈匝数比为1∶100,交流电压表的示数为200 V,交流电流表的示数为2 A,则(　　) A.a是交流电压表,b是交流电流表 B.T2的原、副线圈匝数比为1 000∶1 C.高压线路输送的电流为200 A D.高压线路输送的电功率为2.2×104 kW 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 C 14 T1的原线圈串联在电路中,因此a是交流电流表,T2的原线圈并联在电路中,因此b是交流电压表,故A错误;变压器原、副线圈电压之比等于匝数之比,故T2原、副线圈匝数之比为220 000∶200=1 100∶1,故B错误;变压器原、副线圈电流与匝数成反比,则高压线路输送的电流为200 A,故C正确;由C选项可知高压线路输送的电功率为P=UI=220 kV×200 A=4.4×104 kW,故D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 11.如图所示为一含有理想变压器的电路。理想变压器的原线圈接如图乙所示的正弦交流电源,副线圈电路中小灯泡规格为“6 V　1.2 W”且恰好正常发光,电流表为理想电表。不考虑小灯泡阻值随温度的变化,下列说法正确的是(　　) A.原、副线圈匝数之比为1∶2 B.原、副线圈电流之比为2∶1 C.电流表示数为0.2 A D.原线圈的输入功率为1.2 W 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 D 14 原线圈两端电压有效值为12 V,由小灯泡正常发光知,副线圈两端电压有效值为6 V,则==,A错误;副线圈中电流I2==0.2 A,由==知原线圈中电流为0.1 A,B、C错误;原线圈输入功率等于副线圈输出功率,为 1.2 W,D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 12.(多选)(2023·海南卷)如图是工厂利用u=220sin(100πt)V的交流电给36 V照明灯供电的电路,理想变压器原线圈匝数为1 100匝。下列说法正确的是(　　) A.电源电压有效值为220 V B.交变电流的周期为0.02 s C.副线圈匝数为180匝 D.副线圈匝数为240匝 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 BC 14 电源电压的有效值U= V=220 V,A错误;交流电的周期T== s= 0.02 s,B正确;根据变压器电压与匝数的关系知,=,可得副线圈匝数n2=n1=×1 100=180匝,C正确,D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 [C组　培优选做练] 13.如图所示,理想变压器有三个线圈A、B、C,其中B、C的匝数分别为 n2、n3,理想电压表的示数为U,理想电流表的示数为I,L1、L2是完全相同的灯泡,根据以上条件不能计算出的物理量是(忽略温度对灯泡灯丝电阻的影响)(　　) A.线圈A的匝数　 B.灯泡L2两端的电压 C.变压器的输入功率　 D.通过灯泡L1的电流 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 A 14 由题意知线圈B两端的电压为U,设线圈C两端的电压为UC,则=,所以UC=U,即L2两端的电压可计算出;通过L2的电流为I,则可以求出L2的电阻,L2与L1的电阻相同,所以可求出通过L1的电流;根据以上数据可以求出L1、L2的功率,可得变压器总的输出功率,它也等于变压器的输入功率;根据题意无法求出线圈A的匝数,故A正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 14.(2022·山东卷)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,Um为220 V B.BC间线圈匝数为120,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 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 D 14 变压器的输入电压为220 V,输入原线圈的交流电的电 压与时间成余弦函数关系,故输入交流电压的最大值为 Um=220 V,根据理想变压器原线圈与单匝线圈的匝 数比为=,解得原线圈为2 200匝,A错误;根据题图可知,当原线圈输入电压为220 V时,BC间的电压为UBC==12 V,故BC间的线圈与原线圈匝数关系为=,则BC间的线圈匝数为120匝,流过R的电流为 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 IBC===1 A,B错误;若将R接在AB两端,根据题图 可知,当原线圈输入电压为220 V时,AB间的电压应该 为18 V,根据交流电原线圈电压的表达式可知,ω=100π, 故交流电的频率为f===50 Hz,C错误;若将R接在AC两端,根据题图可知,当原线圈输入电压为220 V时,AC间的电压应该为30 V,根据欧姆定律可知,流过电阻R的电流为IAC== A=2.5 A,交流电的周期为T== 0.02 s,D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 $$