第3节 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（鲁科版）

第2课时　变压器的工作原理及应用 【核心素养目标】 物理观念 了解理想变压器的概念，理解互感现象，掌握变压规律，解决实际问题。 科学思维 建造理想变压器模型，论证＝结合P1＝P2，推导＝。 科学态度与责任 让学生体会通过实验得出的结论在实际问题中的应用。 一、变压器的认知 1.变压器的构造 由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个或两个以上的线圈组成，如图所示。 (1)原线圈：线圈与交流电源连接，也叫初级线圈。 (2)副线圈：线圈与负载连接，也叫次级线圈。 2.原理：互感现象是变压器的工作基础。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叫理想变压器。理想变压器是一个理想化模型。 二、电压与匝数的关系 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＝。 2.两类变压器 (1)降压变压器：副线圈的电压比原线圈电压低的变压器。 (2)升压变压器：副线圈的电压比原线圈电压高的变压器。 1.判断正误 (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)输入交变电流的频率越高，输出交变电流的电压就越高。(×) (3)变压器能改变交变电流的电压，也能改变恒定电流的电压。(×) (4)理想变压器不仅能改变交变电流的电压和电流，也能改变交变电流的功率和频率。(×) (5)理想变压器的输入和输出功率相等。(√) 2.链接实景 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？ 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。 学生用书⬇第75页 知识点一　理想变压器的特点及规律 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，一个线圈(原线圈)通过开关连接到交流电源的两端，另一个线圈(副线圈)连接到小灯泡的两端。连接电路，接通电源，小灯泡能发光。 (1)两个线圈并没有连接，小灯泡为什么会发光？ (2)小灯泡两端的电压与学生电源的输出电压相等吗？如果不相等，与什么因素有关？ 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。 (2)左、右线圈中每一圈上磁通量的变化率都相同，若左边匝数为n1，则U1＝E1＝n1，若右边线圈匝数为n2，则U2＝E2＝n2，故有＝；若忽略左边线圈的电阻，则有U1＝U电源，这样看来只要n1≠n2，小灯泡两端的电压与学生电源的输出电压就不相等。小灯泡两端的电压，即副线圈两端的电压与原、副线圈匝数比有关。 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(如涡流)，原线圈的输入功率等于副线圈的输出功率。 2.工作原理 3.理想变压器的变压(变流)规律 － 规律表示 依据 备注 变压 规律 ＝＝… E＝n 适用于一个原线圈及多个副线圈的情况 功率 关系 P入＝P出 能量守恒 适用于理想变压器 变流 规律 ＝ U1I1＝ U2I2 适用于一个原线圈及一个副线圈的情况 n1I1＝ n2I2＋n3I3＋… U1I1＝ U2I2＋ U3I3＋… 适用于一个原线圈及多个副线圈的情况 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(可视为理想的电表)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 [审题指导]　解答本题时可按以下思路分析： 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D正确。 关于变压器关系式的两点说明 1.对于公式＝，无论副线圈一端是空载还是有负载，都是适用的。 学生用书⬇第76页 2.由＝知，对于只有一个副线圈的变压器，电流与匝数成反比。因此，变压器高压线圈匝数多而通过的电流小，可用较细的导线绕制，低压线圈匝数少而通过的电流大，应用较粗的导线绕制。 针对练1.如图甲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.原副线圈中电流之比为2∶1 C.电流表示数为0.2 A D.原线圈的输出功率为1.2 W 答案：D 解析：原线圈两端电压有效值为12 V，小灯泡正常发光，副线圈两端电压有效值为6 V，由＝＝，故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；原线圈输出功率等于副线圈输入功率，为1.2 W，D正确。 针对练2.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A、B、C错误，D正确。 针对练3.如图所示，原副线圈匝数比为4∶1的理想变压器原线圈接u＝20sin 50πt V的正弦式交变电压，其中R1＝4 Ω，R2＝1 Ω，电流表A、电压表V均为理想交流电表，则下列说法中正确的是(　　) A.该交流电的频率为25π Hz B.电流表A的示数为4 A C.电压表V的示数为4 V D.R1、R2上消耗的电功率之比为4∶1 答案：C 解析：该交流电的频率为f＝＝ Hz＝25 Hz，故A错误；正弦式交变电压的有效值为U＝＝ V＝20 V，又＝＝4，n1I1＝n2I2，U2＝I2R2，U＝U1＋I1R1，联立解得U1＝16 V，U2＝4 V，I1＝1 A，I2＝4 A，即电流表示数为1 A，电压表示数为4 V，故B错误，C正确；R1、R2上消耗的电功率之比为 ＝＝×＝，故D错误。故选C。 知识点二　理想变压器的动态分析 　　如图所示电路中，理想变压器原、副线圈匝数比确定。 (1)理想变压器原、副线圈的电压、电流、功率分别由谁起决定作用？ (2)若只增大副线圈的负载电阻，则理想变压器原、副线圈的电压、电流、功率分别怎样变化？ 提示：(1)副线圈输出电压U2由原线圈输入电压U1决定，原线圈中的电流I1由副线圈中的输出电流I2决定，原线圈输入功率由副线圈输出功率决定。 (2)原线圈输入电压U1不变，副线圈输出电压U2不变，增大负载电阻，副线圈输出电流I2减小，原线圈输入电流I1也减小，副线圈输出功率P2减小，原线圈输入功率P1减小。 1.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P入＝P出。 (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。 学生用书⬇第77页 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→P2→P1→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→P2→P1→I1。 某种感温式火灾报警器如图甲所示，其简化的工作电路如图乙所示。理想变压器原线圈接电压有效值恒定的交流电源。副线圈连接报警系统，其中RT为热敏电阻，其阻值随温度的升高而减小，R0为滑动变阻器，R1为定值电阻。当警戒范围内发生火灾，环境温度升高达到预设值时，报警装置(图中未画出)通过检测R1的电流触发报警。下列说法正确的是(　　) A.警戒范围内出现火情时，副线圈两端电压减小 B.警戒范围内出现火情时，原线圈输入功率变小 C.通过定值电阻R1的电流过低时，报警装置就会报警 D.若要调低预设的报警温度，可减小滑动变阻器R0的阻值 答案：D 解析：理想变压器中副线圈两端电压取决于原线圈电压与匝数比，由于原线圈两端电压与匝数比不变，则警戒范围内出现火情时，副线圈两端电压不变，故A错误；警戒范围内出现火情时，副线圈两端电压不变，而副线圈中总电阻减小，副线圈中电流增大，则原线圈中电流增大，原线圈两端电压不变，由P＝UI可知，原线圈输入功率变大，故B错误；警戒范围内出现火情时，副线圈两端电压不变，而副线圈中总电阻减小，副线圈中电流增大，通过定值电阻R1的电流增大到某一值时，报警装置就会报警，故C错误；若要调低预设的报警温度，即热敏电阻的阻值较大，要保持流过R1的电流不变，则可减小滑动变阻器R0的阻值，故D正确。故选D。 针对练1.变压器的副线圈匝数可调，R0为输电线电阻。滑动触头P处于如图所示位置时，用户的用电器恰好正常工作。当用电器增多时，下列说法正确的是(　　) A.原线圈中的电流减小 B.副线圈两端的电压减小 C.用电器增多时，只需使滑动触头P向上滑，用电器仍能正常工作 D.用电器增多时，只需减小电源的输出电压，用电器仍能正常工作 答案：C 解析：原线圈两端电压和原、副线圈匝数比不变，则副线圈两端电压不变，故B错误；当用电器增加时，总电阻减小，副线圈中电流增大，根据原、副线圈电流之比等于匝数的反比可知，原线圈中电流也增大，故A错误；通过R0的电流增大，R0分得的电压也增大，要使用电器仍能正常工作，应增大副线圈两端电压，而原线圈两端电压不变，故应使滑动触头P向上滑动，增加副线圈匝数，C正确；若减小电源的输出电压，在匝数比不变的情况下，副线圈两端电压减小，则用电器不能正常工作，故D错误。 针对练2.某吹风机内部的简化电路图如图甲所示，理想变压器原、副线圈的匝数比为2∶1，已知当开关K断开时变压器副线圈中的电流I随时间t的变化图像如图乙所示，电动机两端的电压为U0。当开关K闭合后，原线圈的输入功率变为原来的3倍。下列说法正确的是(　　) A.原线圈中电流的周期为0.04 s B.当开关K断开时，原线圈的输入功率为U0I1 C.定值电阻R的阻值为 D.当开关K闭合后，副线圈的输出电压变大 答案：C 解析：由题图乙可知副线圈中电流的周期为0.02 s，变压器只改变交变电流的电压不改变周期，A错误；由题图乙可知，当开关K断开时，副线圈中电流的有效值为，此时原线圈的输入功率为P1＝P2＝，B错误；由题意可知，当开关K闭合后，定值电阻R消耗的功率为电动机消耗功率的2倍，有＝2×，解得R＝，C正确；副线圈的输出电压由原线圈的输入电压和变压器原、副线圈的匝数比决定，当开关K闭合后，副线圈的输出电压不变，D错误。故选C。 针对练3.如图所示，理想变压器原、副线圈的匝数之比为10∶1，b是原线圈的中心抽头，电压表和电流表均为理想电表。从某时刻开始在原线圈c、d两端加上交变电压，其瞬时值表达式为u1＝220sin 100πt (V)，则(　　) A.当单刀双掷开关与a连接时，电压表的示数为22 V B.当t＝ s时，c、d间电压的瞬时值为110 V C.单刀双掷开关与a连接，在滑动变阻器滑片P向上移动的过程中，电压表和电流表的示数均变小 D.当单刀双掷开关由a扳向b时，电压表和电流表的示数均变小 答案：A 解析：原、副线圈的匝数之比为10∶1，原线圈两端的电压有效值U1＝ V＝220 V，根据＝，代入数据得U2＝22 V，故电压表的示数为22 V，A正确；当t＝ s时，c、d间电压的瞬间值u1＝220sin (100π×) V＝ 110 V，故B错误；当单刀双掷开关与a连接，滑动变阻器滑片P向上移动的过程中，滑动变阻器接入电路中的阻值变大，副线圈输出电压不变，电流减小，即电压表示数不变，电流表示数减小，故C错误；当单刀双掷开关由a扳向b时，原线圈匝数减小，根据 ＝ 知U2变大，电压表和电流表的示数均变大，故D错误。 学生用书⬇第78页 知识点三　变压器的常见形式 1.自耦变压器 图甲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。如果把整个线圈作原线圈，副线圈只取原线圈的一部分，就可以降低电压；如果把线圈的一部分作原线圈，整个线圈作副线圈，就可以升高电压。 调压变压器就是一种自耦变压器，它的构造如图乙所示。线圈AB绕在一个圆环形的铁芯上，AB之间加上输入电压U1，移动滑动触头P的位置就可以调节输出电压U2。 2.互感器 电压互感器 n1＞n2，把高电压变为低电压，并联在被测电路中，用电压表测得低电压U2，再根据铭牌上变压之比，算出被测高电压 应用于实际测量高电压的器材 电流互感器 n1＜n2，把大电流变成小电流，串联在被测电路中，用电流表测得小电流I2，再根据铭牌上变流之比，算出被测大电流 测量大电流的一种方法 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.， 答案：B 解析：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。 (多选)调压变压器是一种自耦变压器，它的构造如图所示。线圈AB绕在一个圆环形的铁芯上。AB间加上正弦交流电压U，移动滑动触头P的位置，就可以调节输出电压。在输出端连接了滑动变阻器R和理想交流电流表，变阻器的滑动触头为Q，则(　　) A.保持P的位置不动，将Q向下移动时，电流表的读数变大 B.保持P的位置不动，将Q向下移动时，电流表的读数变小 C.保持Q的位置不动，将P沿逆时针方向移动时，电流表的读数变大 D.保持Q的位置不动，将P沿逆时针方向移动时，电流表的读数变小 答案：BC 解析：当P的位置不动时，U2＝U1不变，将Q向下移动时，R接入电路的阻值变大，由I2＝知I2减小，故B正确，A错误；保持Q的位置不变，R接入电路的阻值不变，将P逆时针旋转，则n2增大，U2必增大，所以I2也增大，故C正确，D错误。 学生用书⬇第79页 1.电流互感器是一种测量电流的变压器，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，两端接电流表。则电流互感器(　　) A.是一种降压变压器 B.是根据电磁感应原理制成的 C.副线圈电流的频率大于原线圈电流的频率 D.副线圈的电流大于原线圈的电流 答案：B 解析：原线圈匝数较少，电流互感器是一种升压变压器，副线圈的电流小于原线圈的电流，故A、D错误；电流互感器的工作原理是电磁感应中的互感现象，故B正确；电流互感器不会改变电流的频率，即原、副线圈电流的频率相同，故C错误。故选B。 2.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、副线圈电流分别为I1、I2，匝数分别为n1、n2，设灯泡L1、灯泡L2额定电压分别为U1、U2，由题意易得U2＝3 V，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，则＝，又U1＝U2＝3 V，故可得＝＝＝，即P2＝3P1，故C、D错误。故选A。 3.如图所示，理想变压器原线圈接在u＝Um sin (ωt＋φ)的交流电源上，副线圈接三个阻值相同的电阻R，不计电表内电阻的影响。闭合开关S后(　　) A.电流表A2的示数减小 B.电压表V1的示数减小 C.电压表V2的示数不变 D.电流表A1的示数不变 答案：A 解析：因开关S闭合时，副线圈电路的总电阻减小，由于变压器的匝数比和输入的电压都不变，所以输出的电压也不变，即V1示数不变，但因总电阻减小，则电流增大，因干路中电阻R分压增大，所以电压表V2示数变小，电流表的示数IA2＝，故电流表A2的示数减小，故A正确，B、C错误；开关S闭合时，总的电阻减小，所以电路的总电流I2要变大，根据＝，可知IA1变大，电流表A1示数要变大，故D错误。 4.如图为一理想变压器，其原线圈与一电压有效值不变的交流电源相连，Q为滑片。现令Q从均匀密绕的副线圈最下端开始，沿副线圈匀速上滑，用I1表示通过原线圈的电流的有效值，P表示定值电阻R的功率。下列各图中，能够正确反映相应物理量的变化规律的是(　　) 答案：D 解析：设原线圈的匝数为n1，副线圈的匝数为n2，交流电源电压的有效值为U1，根据理想变压器的原理可知＝，解得副线圈电压的有效值U2＝U1，当Q从均匀密绕的副线圈最下端开始，沿副线圈匀速上滑时，副线圈的匝数n2均匀增大，由于U1不变，故U2均匀增大，根据I2＝可知，副线圈中电流的有效值I2均匀增大，根据变压器原、副线圈电流关系＝，解得I1＝I2，由于n1不变，n2、I2都是均匀增大，故I1与t不是正比关系，I1与t2应是正比关系，A、B错误；定值电阻的功率P＝R，结合上述分析可知，I2均匀增大，故与t2成正比，即P与t2成正比，C错误，D正确。故选D。 5.如图所示的电路中，定值电阻R1、R3的阻值均为R，R2为电阻箱，理想变压器原、副线圈的匝数比为2∶1，在a、b两端输入正弦式交流电压，调节电阻箱阻值，使R1消耗的功率和变压器的输出功率相等，此时电阻箱接入电路的阻值为(　　) A.R B.R C.R D.2R 答案：A 解析：设原线圈中的电流为I1，副线圈中的电流为I2，根据理想变压器电流和匝数的关系则有＝＝2，副线圈中两电阻并联，则有R并＝，R1消耗的功率和变压器的输出功率相等，则有R1＝R并，已知定值电阻R1、R3的阻值均为R，代入数据解得R2＝R。故选A。 学科网（北京）股份有限公司 $