3.3 第1课时 变压器（课件PPT）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第二册（教科版2019）

交流电 第3节　变压器 第1课时　变压器 第三章 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 物理观念 科学探究 科学态度与责任 　　了解理想变压器的概念，解释自然现象，解决实际问题。 　　通过实验探究电压、电流与匝数的关系。 　　让学生体会通过实验得出的结论在实际问题中的应用，并由此激发学生学习物理的兴趣。 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 必备知识 自主学习 一、变压器的结构与原理 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。 闭合铁芯 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 (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________。 2．原理：____现象是变压器工作的基础。原线圈中的交变电流在铁芯中激发交变的____，交变的______穿过原、副线圈，在原、副线圈中都产生__________。 必备知识 自主学习 交流电电源 初级线圈 负载 次级线圈 互感 磁场 磁感线 感应电动势 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 3．作用：改变交变电流的____，不改变交变电流的____和____。 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。 必备知识 自主学习 电压 周期 频率 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 二、变压器的电压与匝数的关系 1．理想变压器——一种理想模型 (1)定义：没有____和____损失的变压器。 (2)特点 ①忽略____，即认为交变电流产生的磁场的磁感线全部都在铁芯内。 ②忽略一切________。 必备知识 自主学习 漏磁 能量 漏磁 能量损耗 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 必备知识 自主学习 正比 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 必备知识 自主学习 并联 电压 铁芯 副线圈 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 2．电流互感器 (1)特点：将大电流变成小电流，是一种____变压器。 (2)原理：原线圈____在被测交流电路中，副线圈与__________相连，根据______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使用时不允许将副线圈____。 必备知识 自主学习 升压 串联 交流电流表 变流比 副 开路 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 1．情境思考 如果将变压器的原线圈接到直流电源上，在副线圈上还能输出电压吗？ 必备知识 自主学习 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 提示：不能。变压器的工作原理是互感现象，在原线圈上接直流电源，在铁芯中不会形成变化的磁场，所以在副线圈上不会有感应电动势产生。 必备知识 自主学习 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 必备知识 自主学习 √ × × √ 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 如图所示，一蓄电池连接在低压交流变压器上。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 [问题设计] 闭合开关会观察到灯泡瞬间发光，然后熄灭，你能解释这种现象吗？ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 关键能力 互动探究 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。 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 2．工作原理 变压器的变压原理是电磁感应，如图所示，当原线圈上加交流电压U1时，原线圈中就有交变电流，它在铁芯中产生交变的磁通量，在原、副线圈中都要产生感应电动势。如果副线圈是闭合的，则副线圈中将产生交变的感应电流，它也在铁芯中产生交变磁通量，在原、副线圈中同样要引起感应电动势。由于互感现象，原、副线圈间虽然不相连，电能却可以通过磁场从原线圈传递到副线圈。其能量转换方式为原线圈电能→磁场能→副线圈电能。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 【例1】 关于理想变压器的工作原理，以下说法正确的是(　　) A．通有正弦交变电流的原线圈产生的磁通量不变 B．穿过原、副线圈的磁通量在任何时候都不相等 C．穿过副线圈的磁通量的变化使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 关键能力 互动探究 C 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 理想变压器的三点注意 (1)变压器不能改变直流电压。 (2)变压器只能改变交流电的电压和电流，不能改变交流电的频率。 (3)理想变压器本身不消耗能量。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 [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 关键能力 互动探究 B 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 学生电源(低压交流12 V)，可拆变压器，多用表(交流电压挡)，电路图如图所示。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 [问题设计] 对于理想变压器只有一组副线圈的情况下，如何判定原线圈和副线圈的电流跟它们的匝数的关系？ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 关键能力 互动探究 D 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 [练2] (多选)如图所示，将额定电压为60 V的用电器，通过一理想变压器接在正弦交变电源上。闭合开关S后，用电器正常工作，交流电压表和交流电流表(均为理想电表)的示数分别为220 V和2.2 A。以下判断正确的是(　　) A．变压器输入功率为484 W B．通过原线圈的电流的有效值为0.6 A C．通过副线圈的电流的最大值为2.2 A D．变压器原、副线圈匝数比n1∶n2＝11∶3 关键能力 互动探究 BD 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 理想变压器如图所示。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 [问题设计] (1)当副线圈空载时，变压器的输出功率为零，输入功率为多少？它们之间是什么关系？ (2)在一个副线圈的情况下，为什么电流与匝数成反比？ 提示：(1)零；输出功率决定输入功率。 (2)因为电压与匝数成正比，而输入功率与输出功率相等，所以电流与匝数成反比。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 【例3】 如图，理想变压器原线圈输入电压u＝Umsin ωt，副线圈电路中R0为定值电阻，R是滑动变阻器。 和 是理想交流电压表，示数分别用U1和U2表示； 和 是理想交流电流表，示数分别用I1和I2表示。下列说法正确的是(　　) A．I1和I2表示电流的瞬时值 B．U1和U2表示电压的最大值 C．滑片P向下滑动过程中，U2不变、I1变大 D．滑片P向下滑动过程中，U2变小、I1变小 关键能力 互动探究 C 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 (1)对于输出电压的大小，条件充分时只需根据原线圈电压和原、副线圈匝数比确定。 (2)P1、P2、I1、I2的判断，往往都与R的大小有关，对P1、I1的确定需从P2、I2入手。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 [练3] (多选)如图所示，理想变压器的原线圈连接一只理想交流电流表，副线圈匝数可以通过滑动触头Q来调节，在副线圈两端连接了定值电阻R0和滑动变阻器R，P为滑动变阻器的滑动触头。在原线圈上加一电压为U的正弦交流电，则(　　) A．保持Q的位置不动，将P向上滑动时，电流表读数变大 B．保持Q的位置不动，将P向上滑动时，电流表读数变小 C．保持P的位置不动，将Q向上滑动时，电流表读数变大 D．保持P的位置不动，将Q向上滑动时，电流表读数变小 关键能力 互动探究 BC 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 1．无线充电技术已经在新能源汽车等领域得到应用。地下铺设供电的送电线圈，车上的受电线圈与蓄电池相连，如图所示。送电线圈和受电线圈匝数比为n1∶n2＝4∶1。当送电线圈接上图中的正弦交流电后，受电线圈中的电流为2 A。不考虑线圈的自感，忽略电能传输的损耗，下列说法正确的是(　　) 素养训练 学业评价 B 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 素养训练 学业评价 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 素养训练 学业评价 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 2. 有4个完全相同的灯泡连接在理想变压器的原、副线圈中，电源输出电压的有效值U恒定不变，如图所示。若将该线路与交流电源接通，且开关S接在位置1时，4个灯泡发光亮度相同；若将开关S接在位置2时，灯泡均未烧坏。则下列可能的是(　　) A．该变压器是降压变压器，原、副线圈匝数比为4∶1 B．该变压器是升压变压器，原、副线圈匝数比为1∶4 C．当接位置2时副线圈中的灯泡仍能发光，只是亮度变亮 D．当接位置2时副线圈中的灯泡仍能发光，只是亮度变暗 素养训练 学业评价 C 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 3．心电仪是将心肌收缩产生的脉动转化为电压脉冲的仪器，其输出部分可等效为一个不计内阻的交流电源，其电压U1会随着心跳频率发生变化。如图所示，心电仪与一理想变压器的初级线圈相连接，扬声器(等效为一个定值电阻)与一滑动变阻器连接在该变压器的次级线圈。则(　　) 素养训练 学业评价 B 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 A．保持滑动变阻器滑片P不动，当U1变小时，扬声器的功率变大 B．保持滑动变阻器滑片P不动，当U1变小时，原线圈电流I1变小 C．若保持U1不变，将滑动变阻器滑片P向右滑，扬声器获得的功率增大 D．若保持U1不变，将滑动变阻器滑片P向右滑，副线圈的电流I2增大 素养训练 学业评价 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 谢谢观看 返回导航 物理 选择性必修 第二册 J　 2．变压器的电压与匝数的关系 (1)表述：理想变压器原、副线圈两端的电压跟它们的匝数成____。 (2)关系式：＝。 (3)两类变压器： ①当n2>n1时，U2>U1，升压变压器； ②当n2<n1时，U2<U1，降压变压器。 三、电压互感器和电流互感器 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：为了防止高低压线圈间以及高压线圈与____间的绝缘部分被击穿造成触电事故，______必须接地。 2．判断下列说法的正误。(对的画“√”，错的画“×”) (1)实际生活中，不存在原线圈与副线圈匝数相等的变压器。(　　 　　) (2)理想变压器不仅可以改变交变电流的电压和电流，还可以改变交变电流的功率和频率。(　　 　　) (3)理想变压器是客观存在的。(　　 　　) (4)＝适用于任何理想变压器。(　　 　　) 探究点一变压器的原理 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。 通有正弦交变电流的原线圈产生的磁场是变化的，由于面积S不变，所以磁通量Φ变化，A错误；因理想变压器无漏磁，原、副线圈的磁通量总相等，B错误；由互感现象知，C正确；原线圈中的电能转化为磁场能，又转化为副线圈的电能，原、副线圈通过磁场联系在一起，D错误。 变压器工作的基础是原、副线圈的互感现象，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。 探究点二理想变压器的基本关系 提示：因为P1＝P2，即I1U1＝I2U2，又＝，所以推导出＝。 理想变压器的基本规律 (1)电压关系 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＝＝＝… (2)功率关系 对于理想变压器，不考虑能量损失，所以P入＝P出。 (3)电流关系 ①由功率关系，当只有一个副线圈时，I1U1＝I2U2，所以＝＝。 ②当有多个副线圈时，I1U1＝I2U2＋I3U3＋…，得I1n1＝I2n2＋I3n3＋… 【例2】 如图所示，理想变压器原、副线圈匝数比n1∶n2＝2∶1，和均为理想电表，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．变压器的输入功率为6 W 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，即的读数为6 V，B错误；又I2＝＝ A＝1 A，即的读数为1 A，C错误；P1＝P2＝＝ W＝6 W，D正确。 变压器的输入功率P1＝P2＝I2U2＝2.2×60 W＝132 W，A错误；由＝得＝＝＝，D正确；由＝得I1＝I2＝×2.2 A＝0.6 A，B正确；根据I2＝得通过副线圈的电流的最大值I2m＝I2＝ A，C错误。 探究点三理想变压器工作时的制约关系 理想变压器各物理量间的制约关系 (1)输入电压决定输出电压：由＝，得U2＝U1。当U1不变时，U2也不会变，与负载电阻R多大及是否变化无关。 (2)输出功率决定输入功率：对理想变压器有P出＝P入。 (3)负载决定输出电流：当U1一定时，U2也一定，对副线圈有I2＝，所以当R变化时，I2也随之变化，即R变大，I2变小；R变小，I2变大。 (4)输出电流决定输入电流：由n1I1＝n2I2得I1＝I2，所以当I2变化时，I1也随之变化。即I2变大，I1变大；I2变小，I1也变小。 交流电压表和交流电流表显示的示数都为有效值，A、B错误；由于输入端电压U1和理想变压器匝数比不变，所以U2不变，滑片P向下滑动过程中，滑动变阻器接入电路的电阻变小，电流I2变大，输出功率变大，则输入功率变大，电流I1变大，C正确，D错误。 Q位置不动，副线圈电压U2不变，当P上滑时，R接入电路的阻值增大，由P＝可知总功率减小，原线圈电压U1不变，由P＝U1I1可知原线圈电流I1减小，A错误，B正确；当P位置不动，Q上滑时，由＝知U2增大，同理分析原线圈电流I1增大，C正确，D错误。 A．受电线圈的电流方向每秒改变50次 B．送电线圈的输入功率为110 W C．受电线圈的输出电压为50 V D．送电线圈的输入电压为220 V 受电线圈的电流频率与送电线圈中的电流频率相同，即为f＝＝50 Hz，一个周期内电流方向改变2次，所以每秒电流方向改变100次，A错误；根据题图可知送电线圈上正弦交流电的有效值为U有效＝U输入＝220× V＝220 V，受电线圈中的电流为2 A，可得送电线圈中的电流大小为I送＝·I受＝×2 A＝0.5 A，送电线圈的输入功率为P＝ 220×0.5 W＝110 W，B正确，D错误；对受电线圈的输出电压有＝，得U受＝55 V，C错误。 四个灯泡发光程度相同，所以原线圈电流与副线圈电流之比为1∶3，根据＝＝可知，该变压器是降压变压器，原、副线圈匝数比为3∶1，A、B错误；接到2位置，原线圈输出电压变大，根据电压与匝数的关系可知副线圈电压变大，所以灯泡的电流变大，灯泡仍能发光，但亮度变大，C正确，D错误。 保持滑动变阻器滑片P不动，当U1变小时，根据＝，可知副线圈电压U2变小，因副线圈电路电阻不变，根据欧姆定律知副线圈电流I2变小，根据＝，可知原线圈电流I1变小，设扬声器电阻为R′，则根据P＝IR′知扬声器的功率变小，A错误，B正确；若保持U1不变，根据＝，可知副线圈电压U2不变，将滑动变阻器滑片P向右滑，则副线圈电路电阻变大，根据欧姆定律知副线圈电流I2变小，根据P＝IR′知扬声器的功率变小，C、D错误。 $$