3.3 变压器 教学设计 -2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第二册

该高中物理教学设计聚焦变压器的结构、工作原理、能量损耗及理想变压器规律，通过电弧实验、安全电压体验、手机充电器拆解等生活实例与实验导入，衔接电磁感应知识，引导学生从互感现象切入，逐步建立认知脉络。 以实验探究为核心，通过抽插铁芯观察灯泡亮度变化（科学探究），建构理想变压器模型推导电压规律（科学思维），结合三峡输电视频解释实际应用（科学态度），提升学生科学探究能力与物理观念，助力教师高效开展电磁学教学。

变压器（教学设计） （高二秋季学期）教科版选择性必修二第三章第三节 变压器 四川省南充高级中学 物理组蒋波 课程基本信息 学科 物理 年级 高二 学期 秋季 课题 变压器 教科书 教科版选择性必修二 教育科学出版社 出版日期：2021/01 教学目标 1.了解变压器的结构和工作原理。 2.了解变压器工作过程中存在的能量损耗以及降低能耗的办法。 3.掌握理想变压器的规律。 教学内容 1.教学重点: 变压器的工作原理及理想变压器的规律。 2.教学难点: 变压器工作原理，能量损耗。 教学过程 同学们请看，老师这里呀有一个神奇的装置。我们利用这个装置只需要一节锂电池就能产生几万伏的电压将空气击穿产生电弧。这节锂电池的电压仅为3.7V，如何产生几万伏的电压呢？ 我们再来做一个实验，老师将插头接入电源，我们看到电表上显示出了当前的电压值，为232V。人体的安全电压不高于36V，如果我们触碰到这样的电压会怎么样呢？对了，轻者可能会被击伤，短时间陷入麻痹，重者可能会导致死亡，所以生活中一定要注意用电安全。有没有同学想来体验一下？来，这位同学，请你用两只手分别捏住两根裸露的导线两端。说一下，有触电的感觉吗？这是为什么呢？是因为导线没有接入电源么？我们利用多用电表来测量一下导线两端的电压，我们可以读出导线两端示数为10V，原本232V的电压已经降为了10V，所以没有触电的感觉。 其实啊，我们生活中也常常需要用到改变电压的方法。三峡水电站70MW的发电机组远距离输电时需要将20kV的电压提升为550kV。 手机充电器，接入家庭电路时，输入电压为220V，而给手机充电时的输出电压仅为5V。它是如何将220V的电压变为5V的呢？ 拆开这个手机充电器，我们看到它内部有一个能够改变电压的装置，我们将它称为变压器。它太小了，看不清具体结构。为了便于同学们观察，老师为大家准备了一个教学用的可拆式变压器。我们将其拆开，可以看到，它是由一个闭合的铁芯和两个线圈组成，线圈由漆包线绕制而成，与铁芯之间是绝缘的。线圈上的数字表示线圈的匝数，比如当接0、400接线柱的时候表示接入电路的线圈匝数为400匝。根据变压器的结构我们可以用这样的结构简图来表示变压器。变压器在使用的时候，一个线圈与电源相接，称为原线圈，也叫初级线圈，一个线圈与负载也就是用电器相接，称为副线圈，也叫次级线圈。在电路中我们常用这样的符号来表示变压器。我们可以看到，变压器在使用时，电源和负载在两个不同的回路，并没有直接连通，那电源的电能是如何通过变压器传输给负载的呢？ 就这个问题我们通过实验来分析一下。 我们将变压器的两个线圈分别与学生电源的交流输出端和一个小灯泡连接。闭合开关，我们发现灯泡亮起来了。断开开关，我们将变压器与电源的直流输出端相接，我们发现灯泡并没有亮起来，增大电源输出电压，灯泡依然没有亮起来。这是为什么呢？ 同学们能利用咱们前面学过的电磁感应的知识来解释一下吗？通过前面的学习，我们知道当线圈中通入电流时，将产生磁场，这个磁场既通过原线圈，也通过副线圈。当原线圈中通入变化的电流时，两线圈中的磁通量均发生了变化，产生了感应电动势，小灯泡点亮。当原线圈中通入恒定电流时，两线圈中磁通量不变，不产生感应电动势，小灯泡不亮。我们将一个线圈电流变化引起另一个线圈磁通量变化而产生感应电动势的现象称为互感现象。变压器的工作原理正是利用了原线圈和副线圈之间的互感现象。为使变压器正常工作，原线圈必须接入变化的电流，常常使用交变电流。工作过程中变压器的原线圈中电能转化为磁场能，副线圈中磁场能转化为电能。 在实际情况中，能量在转换过程中是存在损耗的。请同学们根据变压器的结构与原理想一想变压器中都有哪些能量损耗呢？ 一是因为，线圈导线有电阻，会产生焦耳热，我们将线圈电阻造成的损耗称为铜损，为减小铜损我们可以选用电阻率较小的导线绕制线圈、适当增大线圈的横截面积来减小导线的电阻。二是因为铁芯磁通量变化时会产生涡流以及铁芯反复磁化的过程中存在磁滞损耗，我们将铁芯引起的损耗称为铁损。为减小铁损，变压器的铁芯并没有采用整块的软铁制作，而是使用0.35~0.5mm的硅钢片涂上绝缘漆后叠合而成，这样涡流被限制在狭小的范围内流动，电阻大大增加，涡流则减小很多。三是因为原线圈中产生的磁场并不能全部穿过副线圈，存在漏磁现象。而我们使用闭合铁芯正是为了减小漏磁。接下来我们来感受一下铁芯的作用。大家请看，老师将两个线圈套在了一个铁芯上，下面的线圈接学生电源的交流输出端，上面的线圈与一个小灯泡组成闭合回路。闭合开关，我们可以看到小灯泡发光了，将铁芯抽出，可以看到，小灯泡变暗了。再插回来小灯泡又变亮了。这说明铁芯能将磁感线更多的局限在它的内部。我们再来看一下闭合铁芯的效果，将两个线圈套在闭合的铁芯上，一个线圈与学生电源的交流输出端相连，一个线圈与一个小灯泡组成闭合回路。闭合开关，灯亮了。将变压器上方的一条铁芯抽出，我们发现灯变暗了，再推回灯又变亮了，当铁芯完全闭合时，灯最亮。可见，闭合铁芯能有效地减小漏磁。 通过以上的分析，我们有了减小变压器能量损耗的方法，而实际的大型变压器在满负荷时其能量损耗仅为5％。为了便于定量分析变压器的变压原理，我们在分析时采用理想方法，忽略变压器自身能量损耗这一次要因素建立一种没有能量损耗的理想模型，这样的变压器称之为理想变压器。它具有这样几个特点：一、铁芯能够将磁场全部的局限在它的内部，不存在漏磁，即穿过原线圈的磁感线也全部穿过副线圈。所以穿过两个线圈的磁通量相同，磁通量变化量以及磁通量变化率也相同，所以两个线圈所在回路的电流变化周期必定相同。根据法拉第电磁感应定律，我们可以得出两线圈中产生的感应电动势与线圈的匝数成正比。二、线圈无内阻；所以线圈两端电压等于线圈中产生的感应电动势，故而线圈两端的电压与线圈匝数成正比。三、无能量损失：线圈中不产生焦耳热，铁芯中不产生涡流，没有磁滞损耗。由此我们可以总结出变压器的两个重要规律： 1.电压与线圈匝数成正比： 当我们需要利用变压器实现升压时，应使副线圈匝数多于原线圈；降压时，副线圈匝数少于原线圈。 2.能量守恒，： 一原一副：； 这是我们从理论上得出的结论，接下来我们利用实验来验证一下。 由于副线圈电压受到原线圈电压、原副线圈匝数共同影响，所以我们需要采用控制变量的方法来进行验证。实验中我们用220伏的交变电流接入原线圈，首先我们保持原线圈匝数为4000匝，副线圈匝数依次调整为3000、2000、1000匝，进行实验并记录原副线圈电压。然后再保持副线圈匝数为1000匝，原线圈匝数改为2000匝并记录原副线圈电压。 我们可以看到实验结果与理论是相当吻合的。 回到我们一开始的问题，我们如何将三峡水电站的输出电压从20kV提升到550kV呢？（学生回答采用原副线圈匝数比为的变压器） 那么实际情况是怎样的呢？老师请教了一下三峡工程的专家，我们一起来了解一下。（观看视频）从视频中我们了解到两线圈匝数分别为36匝、572匝，。这是为什么呢？是实际出问题了，还是咱们的理论有问题呢？我们继续向专家请教一下。（观看视频，了解到相电压和线电压的概念）。原来呀，咱们的20kV是相电压，而550kV是线电压，线电压是相电压的倍。咱们统一使用相电压再来看看，。这下理论和实际就相当吻合了。视频中提到的相电压和线电压已经超出了咱们中学的要求，如果大家感兴趣的话下来后可以查阅相关资料进行深入了解。 再来看咱们在本节课开始时所做的电弧实验，咱们之所以能够利用3.7V的电压产生电弧，是因为我们将干电池和电极之间接入了这样一个装置。它有一个电流转换器和一个升压变压器，电流转换器将直流转换为脉冲电流，升压变压器则能将电压提升为几千伏。 总结。 好了接下来咱们来做几个练习。 ··· 学科网（北京）股份有限公司 $