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

该高中物理导学案聚焦“变压器”核心内容，涵盖原理、电压与匝数关系及综合应用。通过“变压器如何改变电压”等思维探究衔接交变电流知识，以构造填空、实验探究为支架，引导学生从构造到互感原理逐步深入。 资料突出科学探究与科学思维，设置小组讨论（如降压变压器导线选择）、实验分析（控制变量法探究匝数与电压关系），结合动态分析、风力发电等实际应用习题，强化物理观念，助力学生提升解决实际问题的能力。

第三章 交变电流 3 变压器 第1课时 变压器 【课标要求】通过实验，探究并了解变压器原、副线圈电压与匝数的关系。知道远距离输电时通常用高压输电原因。 【学习目标】 1．掌握变压器基本原理。 2．掌握电压与匝数之间的关系。 3．通过互感现象了解变压器升压降压原理，并掌握其中原副线圈电压电流之间的关系。 【学习重难点】 重点：变压器工作原理及工作规律。 难点：1．理解副线圈两端的电压为交变电压。 2．推导变压器原副线圈电流与匝数关系。 3．掌握公式中各物理量所表示对象的含义。 课本导练 预备知识 一、变压器的原理 构造：_____________________________________________________。 二、电压与匝数的关系 1．理想变压器：_______________________________________________。 2．电压与匝数的关系：___________________________________________。 3．两类变压器：_______________________________________________。 1．变压器为什么不能改变恒定电流的电压？ 2．有些机床（图）为了安全，照明电灯用的电压是36V，这个电压是把380V的电压降压后得到的。如果变压器的原线圈是1440匝，副线圈是多少匝？在某次实际工作时输入电压只有220V，则输出电压是多少？ 展示讨论 小组讨论课本导练内容，并完成下列问题讨论且进行展示。 1．变压器线圈中的电流越大，所用的导线应当越粗。街头见到的变压器是降压变压器，假设它只有一个原线圈和一个副线圈，哪个线圈应该使用较粗的导线？为什么？ 2．当变压器一个线圈的匝数已知时，可以用下面的方法测量其他线圈的匝数∶把被测线圈作为原线圈，用匝数已知的线圈作为副线圈，通入交流，测出两线圈的电压，就可以求出被测线圈的匝数。已知副线圈有400匝，把原线圈接到220V的线路中，测得副线圈的电压是55V，求原线圈的匝数。 3．如图是街头变压器通过降压给用户供电的示意图。变压器的输入电压是市区电网的电压，负载变化时输入电压不会有大的波动。输出电压通过输电线输送给用户，两条输电线的总电阻用 表示，变阻器R代表用户用电器的总电阻，当用电器增加时，相当于R的值减小（滑动片向下移）。如果变压器上的能量损失可以忽略，当用户的用电器增加时，图中各表的读数如何变化？ 点评点拨 一、变压器的原理及电压与匝数的关系 思维探究 生产生活中有各种变压器，有的把低压升为高压，有的把高压降为低压．变压器是如何改变电压的呢？ 变压器原理 变压器的原理是互感现象．当原线圈接交变电压时，在铁芯中产生周期性变化的磁场，在副线圈中会产生感应电动势，由于原、副线圈绕在同一个闭合铁芯上，所以穿过每一匝线圈的磁通量的变化率相等，但由于原、副线圈匝数不同，故电压不同． 例1． 某学习小组用可拆变压器探究“变压器的电压与匝数的关系”． （1）本实验要通过改变原、副线圈匝数，探究原、副线圈的电压比与匝数比的关系，实验中需要运用的科学方法是__________； A．控制变量法 B．等效替代法 C．整体隔离法 D．微元求和法 （2）学习小组中小明先将图1中的零件组装成图2中的变压器，再将原线圈接在交流电源上，之后再将副线圈接在电压传感器（可视为理想电压表）上，观察到副线圈输出电压U2随时间t变化的图像如图3所示，在保证安全的前提下，小明可能在t1~t2时间内进行的操作是__________； A．减少了原线圈的匝数 B．拔掉了变压器铁芯Q C．减小了交流电源的频率 D．增大了原线圈的输入电压 变式训练1． 实验小组利用如图甲所示的可拆卸变压器探究变压器原、副线圈的电压与匝数的关系．请回答下列问题： （1）实验小组发现，保持电路连通，仅从变压器上取出铁芯，副线圈的输出电压将_________（选填“不变”、“变大”、“变小”）． （2）实验过程中，听到变压器内部有轻微的“嗡嗡”声，下列解释合理的是_________．（选填选项前的字母） A．“嗡嗡”声来自交变电流在线圈中产生变化磁场时发出的 B．“嗡嗡”声来自变压器开始正常工作后，铁芯中电流流动的声音 C．交变电流的磁场对铁芯有吸、斥作用，使铁芯振动发声 变式训练2． 风电是一种清洁、绿色的可再生能源，中国的风电装机容量目前处于世界领先地位．图甲为风力发电的简易模型，在风力作用下，风叶带动与杆固连的永磁铁转动，磁铁下方的线圈与电压传感器相连．在某一风速时，传感器显示如图乙所示的正弦式交流电，则（ ） A．磁铁的转速为10 r/s B．线圈两端电压的有效值为 C．0~0.2s内线圈两端电压的平均值为6 V D．图乙中电压随时间变化的原因是风速在变 思路总结： （1）变压器能改变交变电压、交变电流，但不能改变恒定电压、恒定电流． （2）变压器原、副线圈中交流电的频率相等，即变压器不改变交流电的频率． 二、变压器与匝数之间的关系 思维探究 我们知道导线可以输送电能，变压器上的原、副线圈之间并没有导线直接连接，却将电能从原线圈的电路输送到副线圈的电路．在变压器中能量是如何转化的？ 变压器原、副线圈中的电压关系： （1）只有一个副线圈： ； （2）有多个副线圈： … 理想变压器原、副线圈的功率关系和电流关系 1．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． 2．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＋… 自耦变压器和互感器 1．自耦变压器 铁芯上只绕有一个线圈，如果把整个线圈作为原线圈，副线圈只取线圈的一部分，就可以降低电压，反之则可以升高电压，如图所示． 2．互感器 交流电压表和交流电流表都有一定的量程，不能直接测量高电压和大电流． 互感器是利用变压器的原理来测量高电压或大电流的仪器． （1）电压互感器：实质是降压变压器，可以把高电压变成低电压．电压互感器应并联接入电路． （2）电流互感器：实质是升压变压器，可以把大电流变成小电流．电流互感器应串联接入电路． 理想变压器的动态分析 1．电压、电流、功率的制约关系： （1）电压制约：当变压器原、副线圈的匝数比 一定时，输入电压U1决定输出电压U2，即 （2）功率制约：P出决定P入，P出增大，P入增大；P出减小，P入减小；P出为0，P入为0 （3）电流制约：当变压器原、副线圈的匝数比 一定，且输入电压U1确定时，副线圈中的输出电流I2决定原线圈中的电流I1，即 （只有一个副线圈时）． 2．对理想变压器进行动态分析的两种常见情况： （1）原、副线圈匝数比不变，分析各物理量随负载电阻变化而变化的情况，进行动态分析的顺序是R→I2→P出→P入→I1． （2）负载电阻不变，分析各物理量随匝数比的变化而变化的情况，进行动态分析的顺序是n1、n2→U2→I2→P出→P入→I1． 例2． 如图甲所示，理想变压器原、副线圈的匝数比n1∶n2＝4∶1，原线圈接图乙所示的正弦交流电，副线圈与理想电压表、理想电流表、热敏电阻RT(阻值随温度的升高而减小)及报警器P(有内阻)组成闭合电路，回路中电流增加到一定值时报警器P将发出警报声，则以下判断正确的是（ ） A．变压器原线圈中交流电压的瞬时表达式u＝36sin(100πt) V B．电压表示数为9 V C．RT处温度升高到一定值时，报警器P将会发出警报声 D．RT处温度升高时，变压器的输入功率变小 变式训练1． 手机无线充电已经很普及了，工作原理如图所示，其中送电线圈和受电线圈的匝数分别为 、 ，频率分别为 、 ．受电线圈中所接电阻的阻值 ．当 间接上 的正弦交变电流后，受电线圈中产生交变电流通过转换电路给手机快速充电，这时转换电路 两端的电压为 ，受电线圈中的电流为 ．把装置线圈视为理想变压器，则（ ） A． B． C．快速充电时，流过送电线圈的电流大小为 D．快速充电时，线圈 两端的输入功率为 变式训练2． 风力发电将为2023年杭州亚运会供应绿色电能，其模型如图所示。风轮机叶片转速m转/秒，并形成半径为r的圆面，通过 转速比的升速齿轮箱带动面积为S、匝数为N的发电机线圈高速转动，产生的交变电流经过理想变压器升压后，输出电压为U。已知空气密度为 ，风速为v，匀强磁场的磁感应强度为B，忽略线圈电阻，则（ ） A．单位时间内冲击风轮机叶片气流的动能为 B．经升压变压器后，输出交变电流的频率高于 C．变压器原、副线圈的匝数比为 D．高压输电有利于减少能量损失，因此电网的输电电压越高越好 变式训练3． 图甲是某燃气灶点火装置的原理图。转换器将干电池提供的直流电压转换为图乙所示的正弦交流电压，并加在理想变压器的原线圈上，变压器原、副线圈的匝数分别为 n1、n2，电压表为交流电表。当变压器副线圈电压的瞬时值大于 5000V 时，就会在钢针和金属板间引发电火花进而点燃气体， 求： （1）图中开关闭合时电压表的示数； （2）变压器原、副线圈的匝数满足怎样的关系才能实现点火？ 思路总结： 变压器动态分析的思路可表示为： 小结小测 一、课堂小结 二、课堂小测 （1）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。（ ） （2）实际上变压器的效率都是比较高的。（ ） （3）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。（ ） （4）学校中用的变压器工作时没有能量损失。（ ） （5）输入交变电流的频率越高，输出交变电流的电压就越高。（ ） 【参考答案】 课本导练 预备知识 【答案】 一、 由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成，与交流电源连接的线圈叫原线圈，与负载连接的线圈叫副线圈． 二、1．没有能量损失的变压器叫做理想变压器，它是一个理想化模型． 2． 原、副线圈的电压之比等于两个线圈的匝数之比，即 ． 3． 副线圈的电压比原线圈电压低的变压器叫降压变压器；副线圈的电压比原线圈电压高的变压器叫升压变压器． 1．【答案】见解析 2．【答案】 136匝；21V 展示讨论 1．【答案】副线圈，因为副线圈中电流大于原线圈的电流 2．【答案】1600匝 3．【答案】 见解析 点评点拨 一、变压器的原理及电压与匝数的关系 【答案】 因为在输入的交流电压一定时，原线圈、副线圈取不同的匝数，副线圈输出的电压也不一样。 例1．【答案】（1）A，（2）B 变式训练1．【答案】（1）变小，（2）C 变式训练2．【答案】B 二、变压器与匝数之间的关系 【答案】 变压器能输送电能是利用了电磁感应。在原线圈上由变化的电流激发了一个变化的磁场，即电场的能量转变成磁场的能量；通过铁芯使这个变化的磁场几乎全部穿过了副线圈，于是在副线圈上产生了感应电流，磁场的能量转化成了电场的能量。 例2．【答案】C 变式训练1．【答案】D 变式训练2．【答案】C 变式训练3．【答案】 （1）3.54V；（2） 小结小测 二、课堂小测 【答案】 √ √ × × × 第2课时 变压器的综合问题 1．掌握变压器动态问题的分析方法。 2．会解决具有多个副线圈的变压器问题。 3．掌握变压器原线圈有负载的电路的分析方法。 一、理想变压器的制约关系和动态分析 1．电压、电流、功率的制约关系 (1)电压制约：_____________________________________ (2)功率制约：_____________________________________ (3)电流制约：_____________________________________ 2．对理想变压器进行动态分析的两种常见情况 （1）______________________________________ （2）______________________________________ 例1． (多选)一理想变压器的原线圈连接一只理想交流电流表，副线圈接入电路的匝数可以通过滑动触头Q调节，如图所示，在副线圈两输出端连接了定值电阻R0和滑动变阻器R，在原线圈上加一电压为U的交流电，则（ ） A．保持Q的位置不动，将P向上滑动时，电流表的读数变小 B．保持Q的位置不动，将P向上滑动时，电流表的读数不变 C．保持P的位置不动，将Q向上滑动时，电流表的读数变大 D．保持P的位置不动，将Q向上滑动时，电流表的读数变小 变式训练1． (单选)如图所示为街头通过降压变压器给用户供电的示意图。负载变化时变压器的输入电压(市区电网的电压)不变。输出电压通过输电线输送给用户，两条输电线的总电阻用R0表示，变阻器R代表用户用电器的总电阻。忽略变压器上的能量损耗，各电表为理想交流电表，当用户的用电器增加时，下列说法正确的是（ ） A．用户用电器的总电阻R变大 B．电表A2的示数变大，A1的示数变小 C．电表V2的示数不变，V3的示数变小 D．电表V1的示数与输电线损失的电压均变大 二、有多个副线圈的变压器 如图，S1、S2都闭合 （1）电压关系：_____________；（2）电流关系：____________；（3）功率关系：____________ 例2． (单选)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 三、变压器原线圈有负载的电路分析 分析理想变压器原线圈接有负载的问题时，要明确原线圈所在的电路结构，从而确定各物理量之间的关系。 (1)负载与原线圈串联，如图甲所示。 _________________________________________________ (2)负载与原线圈并联，如图乙所示。 _________________________________________________ 例3． (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 变式训练1． (单选)如图所示的理想变压器，原、副线圈上接有完全相同的五个灯泡，A、B两点间输入有效值恒为UAB的正弦交流电压。当开关S断开时，L1、L2、L3和L4四个灯泡的亮度相同。假定原、副线圈匝数分别为n1、n2，灯泡的阻值恒定，副线圈两端电压用UCD表示，开关S闭合后五个灯泡均不损坏，下列说法正确的是(　　) A．n1∶n2＝1∶3 B．开关S断开时，UAB∶UCD＝3∶1 C．开关S闭合时，UAB∶UCD＝13∶3 D．开关S闭合时，灯泡L1的亮度比S断开时暗 【参考答案】 一、理想变压器的制约关系和动态分析 【答案】 1．（1）当变压器原、副线圈的匝数比 一定时，输入电压U1决定输出电压U2，即 。 （2）P出决定P入，P出增大，P入增大；P出减小，P入减小；P出为0，P入为0。 （3）当变压器原、副线圈的匝数比 一定，且输入电压U1确定时，副线圈中的输出电流I2决定原线圈中的电流I1，即 (只有一个副线圈时)。 2．(1)原、副线圈匝数比不变，分析各物理量随负载电阻变化而变化的情况，进行动态分析的顺序是R→I2→P出→P入→I1。 (2)负载电阻不变，分析各物理量随匝数比的变化而变化的情况，进行动态分析的顺序是n1、n2→U2→I2→P出→P入→I1 例1．【答案】AC 变式训练1．【答案】C 二、有多个副线圈的变压器 【答案】 （1） （2）n1I1＝n2I2＋n3I3 （3）P1＝P2＋P3 例2．【答案】C 三、变压器原线圈有负载的电路分析 【答案】 （1）负载会分担一部分电压，原线圈两端的电压U1＝U－UR，流过负载的电流等于原线圈中的电流，有 ， 。 （2）负载会分流，原线圈两端的电压U1＝U，流过原线圈的电流I1＝I－IR，有 ， 。 例3．【答案】AD 变式训练1．【答案】C 学科网（北京）股份有限公司 $