第3章 第3节 变压器（Word教参）-【新课程学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册（教科版）

本讲义聚焦高中物理“变压器”核心知识点，系统梳理其结构与互感原理，推导理想变压器电压、电流与匝数关系，结合动态分析方法及实验探究，构建从原理到应用的完整学习支架。 资料以科学思维为核心，通过推导关系、动态分析培养逻辑推理能力，结合实验探究（如控制变量法测电压匝数关系）提升科学探究素养，融入安全实验、实际应用案例强化科学态度与责任。课中辅助教师高效授课，课后提供典例解析与训练，助力学生查漏补缺。

第3节　变压器 核心素养导学 物理观念 (1)知道变压器的工作原理和理想变压器原、副线圈电压与匝数的关系。 (2)知道理想变压器是忽略了能量损失的一种理想模型。 (3)了解电压互感器和电流互感器的原理及应用。 科学思维 (1)会推导理想变压器原、副线圈电流与匝数的关系。 (2)会用能量的观点理解变压器的工作原理。 科学探究 实验探究原、副线圈电压、电流与匝数的关系。 科学态度与责任 (1)进一步体会建立理想模型的思维方法。 (2)养成实验中注意避免触电和安全使用电表的习惯,养成尊重实验数据的严谨科学态度。 一、变压器的结构与原理 1.变压器的结构 (1)如图甲所示,变压器由闭合的铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成,其中闭合铁芯由表面涂有绝缘漆的硅钢片叠加而成,线圈一般用高强度的漆包线绕制。在电路中,变压器的符号如图乙所示。 (2)原线圈与副线圈:一个线圈与交流电电源连接,叫作原线圈,也叫初级线圈;另一个线圈与负载连接,叫作副线圈,也叫次级线圈。 2.原理:互感现象是变压器工作的基础,原线圈中的电流的大小、方向不断变化,铁芯中的磁场也在不断变化,变化的磁场在副线圈中产生感应电动势,所以副线圈能输出电流。 [微点拨] 　　(1)变压器应用了电磁感应互感原理。 (2)变压器只适用于交变电流。 二、变压器的电压与匝数的关系 1.理想变压器 (1)忽略漏磁,即认为交变电流产生的磁场的磁感线全部都在铁芯内。 (2)忽略一切能量损耗。 2.电压与匝数的关系:理想变压器原、副线圈两端的电压之比等于两个线圈的匝数之比,即:=。 3.两类变压器 (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。 4.发展空间:理想变压器功率、电流与匝数的关系 (1)输入功率为P1,输出功率为P2,则P1=P2,即I1U1=I2U2。 (2)原线圈电流为I1,副线圈电流为I2,则=。 1.观察如图所示的可拆变压器,判断下列说法正误。 (1)变压器的原、副线圈没有导线连接,副线圈不能输出电流。 (×) (2)变压器的两个线圈之间是通过磁场联系在一起的,两个线圈间是绝缘的。 (√) (3)原、副线圈都绕在同一闭合铁芯上。 (√) 2.观察如图所示的两个变压器,哪一个是降压变压器? 提示:题图乙表示的是降压变压器。 3.利用控制变量法,在原线圈输入电压U1一定,原线圈匝数n1不变时,研究副线圈上的电压U2与对应匝数n2的关系;再研究在副线圈匝数n2不变时,副线圈上的电压U2与对应原线圈匝数n1的关系。 判断下列说法正误: (1)U1、n1一定时,若n2增大,U2也一定增大。 (√) (2)U1、n2一定时,若n1增大,U2也一定增大。 (×) (3)n1、n2一定时,若U1增大,则U2一定减小。 (×) 新知学习(一)|理想变压器的基本原理 [任务驱动] 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)通过开关可以连接到交流电源的两端,另一个线圈(副线圈)连到小灯泡上。连接电路,闭合开关,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? (3)若将原线圈接在恒定的直流电源上小灯泡发光吗? 提示:(1)当左边线圈加上交流电压时,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)不相等。 (3)不发光。 　　　　　[重点释解] 1.工作原理 2.基本规律 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= 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n组线圈时,则有:===… 功率关系 对于理想变压器,不考虑能量损失,P入=P出 电流关系 由功率关系,当只有一个副线圈时,I1U1=I2U2,得==。当有多个副线圈时,I1U1=I2U2+I3U3+…,得I1n1=I2n2+I3n3+… [典例体验] 　　[典例]　(2025·福建高考)某理想变压器如图甲所示,原、副线圈匝数比为4∶1,输入电压随时间的变化图像如图乙所示,R1的阻值为R2的2倍,则 (　 ) A.交流电的周期为2.5 s B.电压表示数为12 V C.副线圈干路的电流为R1电流的2倍 D.原、副线圈功率之比为4∶1 [解析]　由题图乙可知,交流电的周期为2.25 s,故A错误;根据题图乙可知,输入电压的最大值Um=48 V,则输入电压的有效值为U1==48 V,根据变压比可知,副线圈电压U2=U1=12 V,则电压表示数为12 V,故B正确;根据并联规律可知,两电阻两端的电压相同,R1的阻值为R2的2倍,根据欧姆定律可知,流经R1和R2的电流之比为1∶2,副线圈干路电流等于流经两电阻的电流之和,则副线圈干路的电流为R1电流的3倍,故C错误;根据变压器的原理可知,原、副线圈功率相同,故D错误。 [答案]　B /方法技巧/ (1)变压器只能改变交变电流的电压,不能在直流电路中使用。 (2)原、副线圈的电压、电流发生变化,而频率不变。 (3)当变压器有多个副线圈时,电压关系仍适用,而电流关系式=不再适用。 [针对训练] 1.理想变压器的原线圈匝数不变,原线圈接入电压有效值恒定的交流电,则副线圈的 (　 ) A.匝数越少,输出电压越高 B.匝数越多,输出电压越高 C.输出功率比输入功率小 D.输出功率比输入功率大 解析:选B　原、副线圈的电压之比等于原、副线圈的匝数之比,A错误,B正确;理想变压器的输入功率和输出功率相等,C、D错误。 2.如图所示的电路中,理想变压器原、副线圈的匝数比n1∶n2=22∶1,原线圈接u1=220sin(100πt)V的交流电,电阻R=10 Ω,电流表、电压表均为理想电表,则 (　 ) A.电压表的读数为10 V B.电流表的读数为22 A C.输出电流的频率为100 Hz D.变压器的输出功率为10 W 解析:选D　原线圈电压有效值为U1= V=220 V,则副线圈电压有效值为:U2=U1=10 V,则电压表的读数为10 V,A错误;电流表的读数I2==1 A,B错误;输入、输出电流的频率不变,应为50 Hz,C错误;变压器的输出功率为P=I2U2=10 W,D正确。 新知学习(二)|理想变压器动态分析问题 [重点释解] 1.电压制约:当变压器原、副线圈的匝数比一定时,输出电压U2由输入电压U1决定,即U2=。 2.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,原线圈中的电流I1由副线圈中的输出电流I2决定,即I1=。 3.功率制约 (1)变压器副线圈中的功率P2由用户负载决定,P2=P负1+P负2+…; (2)变压器的输入功率P1=P2,即变压器的输入功率是由输出功率决定的。 4.两种常见的动态分析 (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→U2→I2→P2→P1→I1。 [典例体验] [典例]　(2025·四川成都阶段练习)(多选)如图所示,理想变压器原线圈接在电压恒定的交流电源上,图中各电表均为理想电表,下列说法正确的是 (　 ) A.当滑动变阻器的滑片P向上滑动时,R1消耗的功率变大 B.当滑动变阻器的滑片P向上滑动时,电压表V的示数变大 C.当滑动变阻器的滑片P向上滑动时,电流表A1的示数变小 D.若闭合开关S,则电流表A1的示数变大,A2的示数变大 [解析]　当滑动变阻器的滑片P向上滑动时,滑动变阻器接入电路的阻值变大,副线圈总电阻变大,根据=,可知副线圈输出电压U2不变,根据欧姆定律可知副线圈总电流I2减小,即通过R1的电流减小,R1消耗的功率变小,R1两端电压减小,则电压表V的示数变大;根据=,由于副线圈总电流I2减小,可知原线圈电流I1减小,即电流表A1的示数变小,A错误,B、C正确。若闭合开关S,则副线圈总电阻变小,由于副线圈输出电压U2不变,根据欧姆定律可知副线圈总电流I2增大,R1两端电压增大,则R2两端电压减小,通过R2的电流减小,即电流表A2的示数变小;根据=,由于副线圈总电流I2增大,可知原线圈电流I1增大,即电流表A1的示数变大,D错误。 [答案]　BC /方法技巧/ 理想变压器动态分析方法 (1)抓住三个决定原则:输入电压U1决定输出电压U2;输出电流I2决定输入电流I1;输出功率P2决定输入功率P1。 (2)把副线圈当作电源,研究副线圈电路中的电阻变化。 (3)根据闭合电路的欧姆定律,判定副线圈电流的变化、功率的变化。 (4)根据理想变压器的变压规律、变流规律和功率规律判定原线圈电流的变化及输入功率的变化。 [针对训练] 1.如图所示,理想变压器原线圈的输入电压u一定,电路中的电表均为理想电表,当滑动变阻器的滑片由上向下滑动时,下列说法正确的是 (　 ) A.电流表示数减小 　　B.电流表示数增大 C.电压表示数减小 　　D.电压表示数增大 解析:选B　滑动变阻器的滑片由上向下滑动时,电阻R2减小,根据闭合电路欧姆定律,和R2串联的元件电流增大,所以、示数增大,A错误,B正确;理想变压器原线圈的输入电压u一定,根据=知,示数不变,C错误;总电流增大,经过R1的电流也增大,其两端的电压也增大,而R1和R2总电压不变,所以R2两端电压减小,即电压表示数减小,D错误。 2.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 解析:选C　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,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,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,D错误。 新知学习(三)|实验:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系 　　　　　　[重点释解] 1.实验目的:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系。 2.设计思路:利用教学用的可拆变压器,采用控制变量法进行探究。可拆变压器能方便地从不同接线柱上选取不同匝数的线圈。 3.数据处理方法 (1)用表格的形式把原、副线圈的匝数与对应的电压进行比较,寻找它们之间的关系。 (2)得出探究的结果后,力求用准确而精练的语言把它们表述出来。如果可能,最好用数学关系式来表达。 4.实验结论: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。 [典例体验] [典例]　某班物理实验课上,同学们用可拆变压器“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”。可拆变压器如图甲、乙所示。 (1)下列说法正确的是　　　　。  A.为确保实验安全,实验中要求原线圈匝数小于副线圈匝数 B.变压器的原线圈接低压交流电,测量副线圈电压时应当用多用电表的“直流电压挡” C.可以先保持原线圈电压、匝数不变,改变副线圈的匝数,研究副线圈匝数对副线圈电压的影响 D.测量副线圈电压时,多用电表先用最大量程试测,大致确定电压后再选用适当的挡位进行测量 E.变压器开始正常工作后,铁芯导电,把电能由原线圈输送到副线圈 F.变压器开始正常工作后,若不计各种损耗,在原线圈上将电能转化成磁场能,在副线圈上将磁场能转化成电能,铁芯起到“传递”磁场能的作用 (2)如图丙所示,某同学自己绕制了两个线圈套在可拆变压器的铁芯上。原线圈接学生电源的交流输出端,副线圈接小灯泡。下列说法正确的是　　　　。  A.与变压器未通电时相比较,此时若将可拆变压器上端的横条铁芯取下将更费力 B.若仅增加原线圈绕制的圈数,小灯泡的亮度将保持不变 C.若仅增加副线圈绕制的圈数,学生电源的过载指示灯可能会亮起 (3)理想变压器是一种理想化模型。请分析说明该模型应忽略哪些次要因素;并证明: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,即=。 [解析]　(1)为确保实验安全,应该降低输出电压,实验中要求原线圈匝数大于副线圈匝数,A错误;变压器只能改变交流电的电压,原线圈输入交流电压,副线圈输出交流电压,应用多用电表的“交流电压挡”测量,B错误;研究变压器电压和匝数的关系,用到控制变量法,可以先保持原线圈电压、匝数不变,改变副线圈的匝数,研究副线圈匝数对副线圈电压的影响,C正确;为了保护电表,测量副线圈电压时,先用最大量程试测,大致确定电压后再选用适当的挡位进行测量,D正确;变压器的工作原理是电磁感应现象,若不计各种损耗,在原线圈上将电能转化成磁场能,在副线圈上将磁场能转化成电能,铁芯起到“传递”磁场能的作用,不是铁芯导电,传输电能,E错误,F正确。 (2)与变压器未通电时相比较,通电时,线圈产生磁性,对横条铁芯具有吸引力,若将可拆变压器上端的横条铁芯取下将更费力,A正确;增加原线圈绕制的圈数,根据变压比可知,输出电压减小,灯泡的亮度降低,B错误;增加副线圈绕制的圈数,根据变压比可知,输出电压增大,根据欧姆定律可知,输出电流增大,根据变流比可知,输入电流增大,学生电源的过载指示灯可能会亮起,C正确。 (3)理想变压器模型应忽略的次要因素如下:①不计漏磁,即通过原、副线圈每匝线圈的磁通量都相等,因而不计磁场能损失;②不计原、副线圈的电阻,因而不计线圈的热能损失;③不计铁芯中产生的涡流,因而不计铁芯的热能损失。综上,理想变压器在传输能量时没有能量损失。根据法拉第电磁感应定律,原、副线圈产生的感应电动势分别为E1=n1,E2=n2,因理想变压器不计原、副线圈的电阻,则线圈两端的电压等于它产生的感应电动势,即U1=E1,U2=E2,联立解得=。 [答案]　(1)CDF　(2)AC　(3)见解析 [针对训练] 　某同学做了探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系的实验,请回答以下问题: (1)本实验中需要测量电压,则在如图所示的器材中,应　　　　。  A.选甲图中的器材　　　　 B.选乙图中的器材 C.都可以选 D.都不能选 (2)某同学在做本实验时,选择的原线圈为100匝,副线圈为200匝;他将原线圈接入学生电源中的交流电压“6 V”挡位,用合适的电表测量出副线圈的电压为13.0 V,则下列叙述可能符合实际情况的一项是　　　　。  A.变压器的铁芯没有闭合 B.一定是电压的测量出了问题 C.副线圈实际匝数与标注的“200”不符,应该小于200匝 D.学生电源实际输出电压大于标注的“6 V” 解析:(1)由题图可知,甲图中是多用电表,而乙图是电流表,需要测量交流电压,因此选用甲图,A正确,B、C、D错误。 (2)根据理想变压器的原副线圈的电压与其匝数关系式=,若变压器的铁芯没有闭合,则得出副线圈的电压小于12 V,A错误;副线圈实际匝数与标注的“200”不符,若小于200匝,由以上公式可知,副线圈的电压小于12.0 V,C错误;若学生电源实际输出电压大于标注的“6 V”,由以上公式可知,副线圈的电压可能为13.0 V,D正确,B错误。 答案:(1)A　(2)D 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 ◉科学思维——理想变压器随负载电阻变化分析 1.(选自人教版教材课后练习)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R0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耗可以忽略,当用户的用电器增加时,图中各表的读数如何变化? 解析:假定理想变压器原线圈输入的电压U1一定,电压表V1的读数不变;当用户的用电器增加时,相当于R减小,副线圈电压U2=U1不变,电压表V2的读数不变,电流表A2的读数增大,R0分得的电压增大,故电压表V3的读数减小。因为理想变压器的输入功率等于输出功率,有:P1=U1I1=P2=U2I2,U1、U2的值不变,I2增大,则I1增大,电流表A1的读数增大。 答案:见解析 ◉科学态度与责任——电流互感器的应用 2.(选自粤教版教材课后练习)在某些需要带电工作的情况下测量交变电流时,电工需要使用钳形电流表,其结构如图所示。试说明钳形电流表测量交变电流大小的原理。(提示:被测导线相当于变压器的初级线圈,二次绕组相当于变压器的次级线圈) 提示:钳形电流表是一种电流互感器,被测导线通有交变电流,相当于初级线圈。由于电磁感应的互感现象,初级线圈中电流周期性变化时,二次绕组(次级线圈)中产生感应电流,钳形电流表实际上是升压变压器,由=,可以求得待测交变电流的大小。 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1.(2025·河北高考)2024年底,世界装机容量最大的抽水蓄能电站——河北丰宁抽水蓄能电站全面投产发电。如图所示,若该电站通过理想变压器调节输出电压U2时,输入电压U1保持不变。已知副线圈总匝数为n,分接头1、2间和2、3间的线圈匝数n12=n23=,开关S接3时输出电压的瞬时值u2=Umsin ωt,则S接2时u2⁃t的图像为 (　 ) 解析:选D　根据理想变压器原、副线圈两端电压与匝数的关系可知U1∶U2=n原∶n副,根据题意可知,开关S接3时有u1∶u2=n原∶,开关S接2时有u1∶u2=n原∶,U1保持不变,联立以上两式,可解得开关S接2时u2=Umsin ωt,故选D。 2.如图所示为汽车的点火装置,此装置的核心是一个变压器,该变压器的原线圈通过开关连接到12 V的蓄电池上,副线圈连接到火花塞的两端,开关由机械控制,当开关由闭合变为断开时,副线圈中产生10 000 V以上的电压,火花塞中产生火花。下列说法正确的是 (　 ) A.该变压器的原线圈要用粗导线绕制,而副线圈可以用细导线绕制 B.若该点火装置的开关始终闭合,火花塞的两端会持续产生高压 C.变压器原线圈输入的12 V电压必须是交流电,否则就不能在副线圈中产生高压 D.该点火装置中变压器的副线圈匝数必须小于原线圈的匝数 解析:选A　由题意知,该变电器为升压变压器,且原线圈中电流大,需用粗导线绕制,故A正确;汽车的点火装置是利用变压器原理工作的,当开关始终闭合时,通过原线圈的电流恒定,原线圈中产生的磁场恒定,则在副线圈上不会产生电压,故B错误;由题可知原线圈处接12 V的直流电源,当断开开关瞬间,原线圈中电流迅速变化,会产生变化的磁场,则在副线圈中可能产生高压,故C错误;由变压器的电压与匝数的关系可知,要在副线圈中产生高压,则原线圈匝数必须小于副线圈的匝数,故D错误。 3.(2024·海南高考)(多选)电动汽车充电站变压器输入电压为10 kV,输出电压为220 V,每个充电桩输入电流为16 A,设原、副线圈匝数分别为n1、n2,输入正弦交流电的频率为50 Hz,则下列说法正确的是 (　 ) A.交流电的周期为0.02 s B.原、副线圈匝数比n1∶n2=11∶500 C.输出的最大电压为220 V D.若10台充电桩同时使用,输入功率为35.2 kW 解析:选AD　交流电的周期为T==0.02 s,故A正确;根据理想变压器原、副线圈的电压与线圈匝数的关系可得,原、副线圈匝数比为===,故B错误;输出的最大电压为U2m=U2=220 V,故C错误;若10台充电桩同时使用,输出功率为P2总=10U2I2=10×220×16 W=35 200 W=35.2 kW,理想变压器不改变功率,故输入功率为P1总=P2总=35.2 kW,故D正确。 学科网（北京）股份有限公司 $