3.变压器 第2课时 变压器的工作原理及应用-【金版新学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册同步课堂高效讲义教师用书（人教版）

第2课时　变压器的工作原理及应用 【素养目标】　1.了解变压器的构造，理解变压器的工作原理。2.知道理想变压器需要满足的条件。3.会推导理想变压器原、副线圈两端的电压与匝数的关系，掌握理想变压器原、副线圈的电压、电流、功率的关系。4.理解自耦变压器、互感器的特点及应用。5.会处理变压器电路的动态分析问题。 知识点一　变压器的原理 【情境导入】　如图所示，把两个没有导线相连的线圈套在同一个闭合铁芯上，左边的线圈通过开关连接到学生电源的交流电源的两端，右边的线圈连接到小灯泡的两端。闭合开关，接通电源时发现小灯泡会发光。 (1)两个线圈并没有连接，小灯泡为什么会发光？这种设备称为什么？ (2)如果将左边的线圈改接到学生电源的恒流电源上，小灯泡还会发光吗？为什么？由此说明什么问题？ 提示：(1)当左边线圈接上交流电源时，左边线圈中就有交变电流，它在铁芯中产生周期性变化的磁场，根据法拉第电磁感应定律可知，在右边线圈中会产生感应电动势，右边线圈作为电源给小灯泡供电，小灯泡就会发光。这种设备称为变压器。 (2)不会；因为左边线圈改接到恒流电源时，左边线圈中有恒定电流，在铁芯中形成稳定的磁场，在右边的线圈中不会产生感应电动势。由此说明变压器对恒定电流不起作用。 【教材梳理】 (阅读教材P58—P60完成下列填空) 1.变压器：由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成，如图所示。 (1)原线圈：与交流电源连接的线圈，也叫初级线圈。 (2)副线圈：与负载连接的线圈，也叫次级线圈。 学生用书⬇第89页 2.原理：互感现象是变压器工作的基础。原线圈中电流的大小、方向不断变化，在铁芯中激发的磁场也不断变化，变化的磁场在副线圈中产生感应电动势。 3.作用：改变交变电流的电压，不改变交变电流的周期和频率。 4.理想变压器：没有能量损耗的变压器。理想变压器是一个理想化模型。 【师生互动】　结合前面变压器的结构图，完成下列任务： 任务1.实际的变压器的能量损耗主要有哪些？ 任务2.理想变压器需要满足什么条件？ 　　　　　　 提示：任务1.主要损耗有：(1)原、副线圈的发热损耗，也叫“铜损”；(2)铁芯中的磁通量有损耗，即通过原、副线圈的磁通量不相等，也叫“磁损”；(3)铁芯中产生的涡流发热损耗，也叫“铁损”。 任务2.没有“铜损”“磁损”“铁损”。 【探究归纳】 1.理想变压器的特点 (1)线圈不发热：原、副线圈的电阻为零，即没有“铜损”。 (2)铁芯中没有漏磁：穿过原、副线圈及铁芯组成的回路中的磁通量及磁通量变化率均相同，即没有“磁损”。 (3)铁芯不发热：铁芯中没有涡流发热，即没有“铁损”。 2.工作原理 3.电动势关系：由于互感现象，且没有漏磁，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＝。 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。 (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.变压器既能改变交变电流的电压大小，也能改变交变电流的频率 D.当原线圈接入大小不断变化的直流电时，副线圈也有电压输出 答案：AD 解析：原、副线圈缠绕在一个闭合铁芯上，可减少漏磁，从而减少磁场能的损失，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；变压器能改变交变电流的电压大小，但是不能改变交变电流的频率，故C错误；当变压器原线圈接入大小变化的直流电时，穿过原、副线圈的磁通量也变化，副线圈有电压输出，故D正确。故选AD。 针对练.关于变压器，下列说法正确的是(　　) 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 答案：B 解析：变压器工作的基础是互感现象，故A错误；在原线圈中电能转化为磁场能，在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，故B正确，C错误；变压器只对变化的电流有变压作用，对恒定电流没有变压作用，故D错误。故选B。 学生用书⬇第90页 知识点二　电压与匝数的关系 【情境导入】　如图为某款手机充电器的参数图片。 产品参数 品名：RT66W 认证：3C认证 输入：220 V～50/60 Hz 0.3A 输出：5 V～3A/9V～2A 由此说明手机充电器是升压变压器的还是降压变压器？ 提示：降压变压器 【教材梳理】 (阅读教材P60—P61完成下列填空) 1.原、副线圈的电压关系：理想变压器原、副线圈的电压之比，等于原、副线圈的匝数之比，即＝。 2.变压器的分类 (1)降压变压器：副线圈的电压比原线圈的电压低的变压器。 (2)升压变压器：副线圈的电压比原线圈的电压高的变压器。 【师生互动】　如图为变压器的原理图，已知原线圈匝数为n1，副线圈匝数为n2，线圈的电阻均为零，铁芯无漏磁，工作中不生热，原线圈中接入正弦式交变电流，原线圈的电压为U1，副线圈的电压为U2。 任务1.根据能量守恒分析变压器的输入功率P1与输出功率P2间应该是什么关系？ 任务2.如果只有一个副线圈，原线圈中的电流I1与副线圈中的电流I2间存在什么关系？ 提示：任务1.根据能量守恒可知P1＝P2。 任务2.由P1＝P2，可知U1I1＝U2I2，则＝＝。 【探究归纳】 理想变压器的三个基本关系 电压 关系 单个副线圈：＝ 多个副线圈：＝＝＝… 功率 关系 单个副线圈：P1＝P2 多个副线圈：P1＝P2＋P3＋P4＋… 电流 关系 单个副线圈：＝ 多个副线圈：I1n1＝I2n2＋I3n3＋… 单个副线圈的变压器 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(均可视为理想电表)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 答案：D 解析：灯泡正常发光，U2＝12 V，根据＝，代入数据解得U1＝240 V；两个灯泡均正常发光，I2＝2＝1 A，根据＝，代入数据解得I1＝0.05 A。故选D。 针对练.(2025·北京市朝阳区高二期末)如图1所示，黑光灯是一种利用发出的紫色光引诱害虫飞近高压电网来“击毙”害虫的环保型设备。图2是黑光灯高压电网的工作电路示意图，将最大值U1m＝311 V的正弦交流电压通过理想变压器升为高压，变压器原线圈匝数为n1，副线圈匝数为n2。已知空气在通常情况下的击穿电场强度约为6 220 V/cm，杀灭害虫至少需要1 000 V电压。下列选项正确的是(　　) 学生用书⬇第91页 A.电网相邻两极间产生的电场保持不变 B.电网相邻两极间距离需大于 cm C.仅增大相邻两极间的距离，则两极间的电压也增大 D.若电网相邻两极间距为0.5 cm，则＜ 答案：B 解析：电网相邻两极间的电压是交变电压，所以相邻两极间产生的电场是交变电场，其电场强度的大小和方向随时间周期性变化，故A错误；电网相邻两极间的电场强度的最大值应小于空气的击穿电场强度6 220 V/cm，即Em＝＝＜6 220 V/cm，即d＞ cm，故B正确；两极间的电压与相邻两极间的距离无关，故C错误；电网相邻两极间的电压最大值应满足关系U2m＝Emd＜6 220 V/cm×0.5 cm＝3 110 V，根据理想变压器的电压之比等于匝数之比有＝，即＝＞＝，故D错误。故选B。 多个副线圈的变压器 在如图所示的电路中，理想变压器原、副线圈的匝数比n1∶n2∶n3＝6∶3∶1，电流表均为理想交流电流表，两电阻阻值相同。当在原线圈两端加上大小为U的交变电压时，三个电流表的示数之比I1∶I2∶I3为(　　) A.1∶2∶3 B.1∶2∶1 C.1∶3∶6 D.5∶9∶3 答案：D 解析：由理想变压器原、副线圈的电压比等于匝数比可知＝，＝，解得U2＝，U3＝，设电流表A3的示数为I，即I3＝I＝＝，则I2＝＝＝3I，理想变压器输入功率与输出功率相等，即U1I1＝U2I2＋U3I3，解得I1＝I，则I1∶I2∶I3＝5∶9∶3。故选D。 针对练. 如图所示，理想变压器原线圈的匝数为n1＝1 000匝，两个副线圈的匝数分别为n2＝50匝和n3＝100匝，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 答案：C 解析：两灯泡正常发光，则U2＝6 V，原线圈两端电压U1＝U2＝×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C。 原线圈接有负载的变压器 (多选)(2025·山东潍坊高二月考)如图所示，理想变压器原、副线圈接有三个完全相同的灯泡，其额定电压均为U，且三个灯泡均能正常发光。下列说法中正确的是(　　) A.原、副线圈匝数比为2∶1 B.原、副线圈匝数比为1∶3 C.AB端的输入电压为3U D.AB端的输入电压为4U 答案：AC 解析：设灯泡正常发光时，流过它的电流为I，则该变压器原线圈中的电流I1＝I，副线圈中的电流I2＝2I，则原、副线圈匝数比n1∶n2＝I2∶I1＝2∶1，故A正确，B错误；所以原线圈两端的电压为U1＝U2＝2U，则AB端的输入电压为3U，故C正确，D错误。故选AC。 变压器原线圈接有负载的两种情况 1.原线圈与负载串联，如图甲所示。 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.原线圈与负载并联，如图乙所示。 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＝，＝。 针对练.(2025·河南省部分名校高二联考)如图所示，理想变压器原、副线圈匝数比为3∶1，当输入电压U＝12 V时，额定电压为3 V的灯泡L2正常发光，此时灯泡L1也刚好正常发光。下列说法正确的是(　　) A.L1的额定电压是3 V B.L1的额定电压是9 V C.L1 的额定功率是L2的3倍 D.L1的额定功率是L2的9倍 答案：A 解析：设原线圈、副线圈电流为I1、I2，匝数为n1、n2，灯泡L1、L2电压分别为U1、U2，则有＝＝，代入题中数据解得U1＝3 V，故A正确，B错误；设L1 、L2 的额定功率分别为P1、P2，故＝，又因为U1、U2均为3 V，故可得＝，又因为＝，联立可得＝，故C、D错误。故选A。 学生用书⬇第92页 知识点三　两类非常规变压器 　自耦变压器 (多选)自耦变压器供电方式非常适用于大容量负荷的供电，对通信线路的干扰较小，因而被客运专线以及重载货运铁路广泛应用。如图所示，一自耦变压器环形铁芯上只绕有一个线圈，将其接在a、b间作为原线圈。通过滑动触头取该线圈的一部分，接在c、d间作为副线圈，在c、d间接定值电阻R。该变压器为理想变压器，在a、b间输入电压为U1的交变电流时，c、d间的输出电压为U2。在将滑动触头从M点顺时针旋转到N点的过程中，以下说法正确的是(　　) A.U2＜U1，U2降低 B.变压器输入功率减小 C.变压器输出功率增大 D.流过R的电流增大 答案：AB 解析：根据理想变压器的电压关系有＝，由于n2＜n1，所以U2＜U1，滑动触头从M点顺时针旋转到N点过程，n2减小，则U2降低，故A正确；U2降低，则流过R的电流减小，R消耗的电功率(变压器的输出功率)减小，由于是理想变压器，变压器的输入功率等于输出功率，故变压器输入功率也减小，故B正确，C、D错误。故选AB。 自耦变压器 1.构造特点：如图甲、乙、丙都是自耦变压器的示意图。这种变压器的特点是铁芯上只绕有一个线圈，低压线圈是高压线圈的一部分，既可以作为升压变压器使用，也可以作为降压变压器使用： (1)自耦降压变压器：把整个线圈作原线圈，副线圈只取原线圈的一部分，如图甲、乙所示； (2)自耦升压变压器：把线圈的一部分作原线圈，整个线圈作副线圈，如图丙所示。 2.规律：自耦变压器只有一个线圈，每匝线圈产生的电动势E＝都相同，故＝成立。 　电流互感器与电压互感器 (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，已知甲中原、副线圈匝数比为100∶1，乙中原、副线圈匝数比为1∶10，则(　　) A.图甲中的电表是电压表，输电电压为22 000 V B.图甲是电流互感器，输电电流是100 A C.图乙中的电表是电压表，输电电压为22 000 V D.图乙是电流互感器，输电电流是100 A 答案：AD 解析：题图甲是电压互感器，题图甲中的电表是电压表，根据匝数比等于电压比得＝，可得U1＝U2＝×220 V＝22 000 V，故选项A正确，B错误；题图乙是电流互感器，题图乙中的电表是电流表，只有一个副线圈的变压器，电流比等于匝数的反比，即＝，可得I1＝I2＝×10 A＝100 A，故选项C错误，D正确。故选AD。 两类互感器的比较 电压 互感器 (1)匝数：n1＞n2 (2)作用：把高电压变为低电压 (3)连接：与被测电路并联 (4)读数：电压表测得低电压U2 (5)结果：高电压U1＝U2 应用于实际测量高电压 的器材　 电流 互感器 (1)匝数：n1＜n2 (2)作用：把大电流变成小电流 (3)连接：与被测电路串联 (4)读数：电流表测得小电流I2 (5)结果：大电流I1＝I2 应用于实际测量大电流 的器材　 学生用书⬇第93页 知识点四　理想变压器的动态分析 1.理想变压器各物理量间的制约关系 输入电压U1决定输出电压U2 由＝，得U2＝可知当U1不变时，U2也不会变，与负载电阻R的大小及是否变化无关 输出功率P2决定输入功率P1 由P1＝P2，可知P1随P2增大而增大，随P2减小而减小；若P2＝0，则P1＝0 输出电流I2决定输入电流I1 由n1I1＝n2I2，得I1＝I2，可知当I2变化时，I1也随之变化。即I2变大，I1变大；I2变小，I1变小 2.理想变压器动态分析的两种常见情况 (1)原、副线圈匝数比不变，负载电阻变化：分析各物理量随负载电阻变化而变化的情况的一般顺序：R→I2→P2→P1→I1。 (2)负载电阻不变，原、副线圈的匝数比变化：分析各物理量随匝数比的变化而变化的情况的一般顺序：n1、n2→U2→I2→P2→P1→I1。 原、副线圈匝数比不变，负载电阻变化 (多选)(2025·山东德州高二月考)如图所示，理想变压器原、副线圈的匝数比为n，电源的输出电压有效值恒定，R1、R2、R4为定值电阻，R3为滑动变阻器，a、b为滑动变阻器的两个端点，所有电表均为理想电表，导线电阻不计。现将滑动变阻器滑片P由a向b缓慢滑动，下列判断正确的是(　　) A.电流表示数一定增大 B.电压表示数一定减小 C.变压器的输出功率一定减小 D.电阻R2消耗的功率一定减小 答案：AD 解析：依题意，理想变压器原线圈等效电阻R等效＝＝＝n2R副，将滑动变阻器滑片P由a向b缓慢滑动，则R副减小，R等效减小，设电源的输出电压有效值为E，由I1＝，可知原线圈电流增大，根据＝，可知副线圈电流增大，即电流表示数一定增大，根据U＝I1R1，可知电压表示数一定增大，故A正确，B错误；变压器原线圈电压U1＝E－I1R1，变压器的输出功率P输出＝P输入＝U1I1＝I1＝－R1＋EI1，根据数学知识可得，当I1＝时P输出存在最大值，则由题中信息不能确定P输出变化情况，故C错误；电阻R2消耗的功率为PR2＝＝，可知PR2一定减小，故D正确。故选AD。 针对练.如图所示，理想变压器原线圈接稳压交流电源，R1为定值电阻，小灯泡与电阻箱并联。现增大电阻箱的阻值，小灯泡可视为定值电阻。则下列说法正确的是(　　) A.小灯泡的电功率减小 B.小灯泡的电功率增大 C.变压器的输出功率增大 D.变压器的输出功率先减小后增大 答案：B 解析：由题意可知，原线圈电压不变，原、副线圈匝数比不变，则副线圈电压U2不变；增大电阻箱R的阻值，副线圈总电阻R总增大，副线圈总电流I2＝减小，R1两端的电压UR1＝I2R1减小，则小灯泡两端的电压UL＝U2－UR1增大，小灯泡的电功率增大，故A错误，B正确。由A、B项分析可知，副线圈电压U2不变，副线圈总电流I2减小，则变压器的输出功率减小，故C、D错误。故选B。 负载电阻不变，原、副线圈匝数比变化 (2022·湖南高考)如图，理想变压器原、副线圈总匝数相同，滑动触头P1初始位置在副线圈正中间，输入端接入电压有效值恒定的交变电源。定值电阻R1的阻值为R，滑动变阻器R2的最大阻值为9R，滑片P2初始位置在最右端。理想电压表V的示数为U，理想电流表A的示数为I。下列说法正确的是(　　) A.保持P1位置不变，P2向左缓慢滑动的过程中，I减小，U不变 B.保持P1位置不变，P2向左缓慢滑动的过程中，R1消耗的功率增大 C.保持P2位置不变，P1向下缓慢滑动的过程中，I减小，U增大 D.保持P2位置不变，P1向下缓慢滑动的过程中，R1消耗的功率减小 答案：B 解析：由题意可知，原、副线圈的匝数比为2，则副线圈的电流为2I，根据欧姆定律可得副线圈的电压有效值为U2＝2IR1，则变压器原线圈的电压有效值为U1＝2U2＝4IR1，设输入交变电流的电压有效值为U0，则U0＝4IR1＋IR2，可得I＝，保持P1位置不变，P2向左缓慢滑动的过程中，I不断变大，根据欧姆定律得U1＝4IR1，可知变压器原线圈的电压有效值变大，输入电压有效值不变，则R2两端的电压不断变小，则电压表示数U变小，原线圈的电压、电流都变大，则功率变大，根据原、副线圈的功率相等，可知R1消耗的功率增大，故B正确，A错误；设原、副线圈的匝数比为n，同理可得U1＝n2IR1，则U0＝n2IR1＋IR2，整理可得I＝，保持P2位置不变，P1向下缓慢滑动的过程中，n不断变大，则I变小，对R2由欧姆定律得U＝IR2，可知U不断变小，根据原、副线圈的功率相等可知R1消耗的功率P1＝IU1＝I(U0－IR2)＝，整理可得P1＝，又R2＝9R1＝9R，由数学方法分析可知n＝3时，R1消耗的功率有最大值，则R1消耗的功率先增大后减小，故C、D错误。故选B。 针对练.(多选)(2024·全国甲卷)如图，理想变压器的副线圈接入电路的匝数可通过滑动触头T调节，副线圈回路接有滑动变阻器R、定值电阻R0和R1、开关S。S处于闭合状态，在原线圈电压U0不变的情况下，为提高R1的热功率，可以(　　) 学生用书⬇第94页 A.保持T不动，滑动变阻器R的滑片向f端滑动 B.将T向b端移动，滑动变阻器R的滑片位置不变 C.将T向a端移动，滑动变阻器R的滑片向f端滑动 D.将T向b端移动，滑动变阻器R的滑片向e端滑动 答案：AC 解析：保持T不动，根据理想变压器的性质可知副线圈中电压不变，当滑动变阻器R的滑片向f端滑动时，R与R1串联后的总电阻减小，电流增大，根据P＝I2R1可知此时R1的热功率增大，故A正确；将T向b端移动，副线圈匝数变小，故副线圈两端电压变小，滑动变阻器R的滑片位置不变时，通过R1的电流减小，故R1的热功率减小，故B错误；将T向a端移动，副线圈匝数增加，故副线圈两端电压变大，滑动变阻器R的滑片向f端滑动，R与R1串联后的总电阻减小，电流增大，此时R1的热功率增大，故C正确；将T向b端移动，副线圈匝数减少，故副线圈两端电压变小，滑动变阻器R的滑片向e端滑动，R与R1串联后的总电阻增大，电流减小，此时R1的热功率减小，故D错误。故选AC。 学科网（北京）股份有限公司 $