第3章 第3节 变压器-【优学精讲】2026-2027学年高中物理选择性必修二同步教参（教科版·新教材）

第3节　变压器 　 1．了解变压器的构造及几种常见的变压器。　2.理解互感现象和变压器的工作原理。 3．掌握理想变压器的电压和电流与匝数的关系，并能用它解决基本问题。 一、变压器的结构与原理 1．变压器的构造 (1)变压器是由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成的，如图甲所示。铁芯由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。 (2)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。在电路中，变压器的符号如图乙所示。 　 2．变压器的工作原理 当变压器的原线圈加上交变电压时，原线圈中的交变电流在铁芯中激发交变的磁场，交变的磁感线穿过原线圈也穿过副线圈，在原、副线圈中都产生感应电动势。当副线圈与负载连接组成闭合回路时，在副线圈中就会有交流电通过。虽然原、副线圈并不相连，电能却从原线圈通过磁场传输给副线圈。这种现象称为互感，它是变压器工作的基础。 二、变压器的电压与匝数的关系 1．理想变压器是一种理想模型，它忽略磁漏，即认为交变电流产生的磁场的磁感线全部都在铁芯内，忽略一切能量损耗。 2．理想变压器原、副线圈两端的电压跟它们的匝数成正比。 三、电压互感器和电流互感器 1．电压互感器是一种降压变压器，为了防止高低压线圈间以及高压线圈与铁芯间的绝缘部分被击穿而造成触电事故，副线圈必须接地。 2．电流互感器的主要作用是将大电流变成小电流，它是一种升压变压器，使用时必须确保副线圈接地，此外，电流互感器在使用时绝不允许将副线圈开路。 四、理想变压器原、副线圈中的电流 忽略能量损失，副线圈的输出功率P2和原线圈的输入功率P1相等，则有U1I1＝U2I2。又因为＝，则＝。 (1)变压器是利用互感现象实现了电能向磁场能再到电能的转化。(　　) (2)恒定电流接入变压器后也可发生互感现象，也可起到变压作用。(　　) (3)变压器的铁芯由很薄的硅钢片叠合而成。(　　) (4)在理想变压器中原、副线圈的磁通量的变化率是一致的。(　　) (5)理想变压器可以改变交变电流的频率。(　　) (6)电流通过铁芯从原线圈流到副线圈。(　　) 提示：(1)√　(2)×　(3)√　(4)√　(5)×　(6)× 知识点一　变压器的工作原理 　 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)连接到小灯泡上。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，那么与什么因素有关？ (3)若将原线圈接在恒定的直流电源上，则小灯泡发光吗？为什么？ [提示]　(1)当左侧线圈加上交流电源时，左侧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，在右侧线圈中会产生感应电动势，右侧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；若右侧匝数为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。 (3)不发光，因为无法在副线圈中产生感应电动势。 1．工作原理：当原线圈加上交流电压U1时，原线圈中就有交变电流，它在铁芯中产生变化的磁通量，在原、副线圈中都要产生感应电动势。如果副线圈是闭合的，则副线圈中将产生交变的感应电流，它也在铁芯中产生变化的磁通量，原、副线圈间虽然不相连，电能却可以通过磁场从原线圈传递到副线圈。 2．能量转化：变压器通过闭合铁芯，利用互感现象实现了电能向磁场能再到电能的转化。 　火花塞点火的原理图如图所示。变压器原线圈与蓄电池、开关组成闭合回路，开关由闭合变为断开的瞬间，副线圈感应出上万伏高压，火花塞产生电火花，则(　　) A．这个变压器为降压变压器 B．开关一直闭合时火花塞两端也有高压 C．开关断开，变压器铁芯中的磁通量减小 D．若开关接到副线圈回路，闭合开关瞬间火花塞也能产生电火花 [解析]　根据题意可知，这个变压器将蓄电池的低电压转化为上万伏高压，是升压变压器，故A错误；开关一直闭合时通过变压器原线圈的电流不变，穿过铁芯的磁通量不变，无法在副线圈感应出感应电动势，故B错误；开关断开，变压器原线圈的电流减小，则变压器铁芯中的磁通量减小，故C正确；若开关接到副线圈回路，穿过铁芯的磁通量不变，无法使副线圈产生感应电动势，火花塞不能产生电火花，故D错误。 [答案]　C 　(多选)(2025·四川乐山市调研)一变压器在纸面内的剖面如图，原线圈连接足够长且电阻不计的平行双导轨，导轨处于垂直于纸面向里的匀强磁场中，金属棒MN与导轨接触良好且垂直于导轨，副线圈连接灯泡L和电容器C，A为理想交流电流表，则(　　) A．当MN匀速向左运动时，灯泡可能发光，A表有示数 B．当MN加速向左运动时，a点电势低于b点电势 C．当MN沿导轨简谐运动(不接触线圈)时，灯泡一定不发光 D．当MN沿导轨简谐运动(不接触线圈)时，A表有示数 [解析]　当MN匀速向左运动时，左侧回路中电流恒定，所以左侧线圈产生恒定的磁场，穿过右侧线圈的磁通量不变，右侧线圈将不产生感应电流，所以灯泡不发光，电流表无示数，故A错误；当MN加速向左运动时，穿过右侧线圈的磁通量不断增大，且磁场方向向上，根据楞次定律可知，感应电流的磁场方向向下，根据右手螺旋定则可知，回路中电流方向为逆时针方向，所以a点电势低于b点电势，故B正确；当MN沿导轨简谐运动(不接触线圈)时，左侧回路中产生正弦交变电流，右侧回路也为交变电流，所以灯泡发光，电容器将进行充放电，电流表有示数，故C错误，D正确。 [答案]　BD 　 (1)变压器不改变交变电流的周期和频率。 (2)变压器只对交变电流起作用，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。 知识点二　探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系 1．实验思路：交变电流通过原线圈时在铁芯中产生变化的磁场，副线圈中产生感应电动势，其两端有输出电压。线圈匝数不同时，输出电压不同，实验通过改变原、副线圈匝数，探究原、副线圈电压与匝数的关系。 2．实验器材 多用电表、可拆变压器、学生电源、导线若干。 3．实验步骤 (1)按电路图连接实验器材。 (2)原线圈接低压交流电源，保持原线圈匝数n1不变，改变副线圈匝数n2，用多用电表交流电压挡分别测出每次n2改变后副线圈两端的电压，记入表格。 实验次数 1 2 3 n2/匝 U2/V (3)原线圈接低压交流电源，保持副线圈匝数n2不变，改变原线圈匝数n1，用多用电表交流电压挡分别测出每次n1改变后副线圈两端的电压，记入表格。 实验次数 1 2 3 n1/匝 U2/V (4)拆除实验线路，整理好实验器材。 4．数据分析 当原线圈匝数不变时，副线圈两端的电压与副线圈匝数成正比；当副线圈匝数不变时，副线圈两端的电压与原线圈匝数成反比。 5．实验结论 在误差允许的范围内，变压器原、副线圈两端的电压之比与匝数之比相等，数学表达式为＝。 6．注意事项 (1)在改变学生电源的电压、线圈匝数前均要先断开开关，再进行操作。 (2)为了保证人身安全，学生电源的电压不能超过12 V，通电时不能用手接触裸露的导线和接线柱。 (3)为了保证多用电表的安全，使用交流电压挡测电压时，先用最大量程挡试测，大致确定被测电压后再用适当的挡位进行测量。 7．实验误差分析 (1)实验所用变压器存在各种损耗。 (2)多用电表的读数存在误差。 　利用图甲所示的装置可以探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系。 (1)该实验中变压器原线圈接线柱接入学生电源应该选择图甲中________(选填“A”或“B”)接法。 (2)实验中，可拆变压器如图乙所示，为了减小涡流在铁芯中产生的热量，铁芯是由相互绝缘的硅钢片平行叠成，硅钢片应平行于平面________。 A．abcd B．abfe C．abgh D．aehd (3)关于本实验，下列说法正确的是__________________。 A．实验中要通过改变原、副线圈匝数， 探究原副线圈的电压比与匝数比的关系，需要运用的科学方法是理想实验法 B．变压器工作时副线圈电压频率与原线圈不相同 C．若原线圈匝数大于副线圈匝数，则副线圈导线应比原线圈导线粗一些好 D.因为实验所用电压较低，为确保接触良好，通电情况下可用手接触裸露的导线、接线柱 (4)小华在做本实验时，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 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．副线圈实际匝数与标注的“200”不符，应该小于200匝 C．学生电源实际输出电压大于标注的“6 V” [解析]　(1)变压器原线圈要接交变电流，题图甲中A接的是学生电源的直流输出，题图甲中B接的是学生电源的交流输出，故A错误，B正确。 (2)由题图乙，根据楞次定律和右手螺旋定则可知，产生的涡旋电流的方向与面abcd平行，为了减小涡流在铁芯中产生的热量，相互绝缘的硅钢片应平行于面aehd，故A、B、C错误，D正确。 (3)根据实验原理可知，实验中要通过改变原、副线圈匝数，探究原、副线圈的电压比与匝数比的关系，需要运用的科学方法是控制变量法，故A错误；变压器不改变交流电的频率，变压器工作时副线圈电压频率与原线圈相同，故B错误；根据理想变压器电流与匝数比的关系，通过副线圈的电流I2＝I1，若原线圈匝数大于副线圈匝数，则副线圈的电流大于原线圈的电流，为了保证安全，绕制降压变压器原、副线圈时，副线导线应比原线圈导线粗一些好，故C正确；尽管实验所用电压较低，为确保安全，通电情况下不可用手接触裸露的导线、接线柱，故D错误。 (4)根据理想变压器的原、副线圈的电压与其匝数关系式＝，可知若变压器的铁芯没有闭合，漏磁损耗严重，会使得副线圈的电压小于12 V，故A错误；副线圈实际匝数与标注的“200”不符，若小于200匝，由＝可知，副线圈的电压小于12.0 V，故B错误；若学生电源实际输出电压大于标注的“6 V”，由＝可知，副线圈的电压可能为13.0 V，故C正确。 [答案]　(1)B　(2)D　(3)C　(4)C 知识点三　变压器的基本关系 　 (1)当副线圈空载时，变压器的输出功率为零，输入功率为多少？它们之间是什么关系？ (2)在只有一个副线圈的情况下，为什么电流与匝数成反比？ [提示]　(1)零，输出功率决定输入功率。 (2)因为电压与匝数成正比，而输入功率与输出功率相等，所以得到电流与匝数成反比。 1．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＝。 2．电压关系 由于不计原、副线圈的电阻，原线圈两端的电压U1＝E1，副线圈两端的电压U2＝E2，所以＝。 当有多个副线圈时，则有＝＝＝…。 3．功率关系 对于理想变压器，不考虑能量损失，P入＝P出。 4．电流关系 (1)当只有一个副线圈时，I1U1＝I2U2 得＝＝。 (2)当有多个副线圈时，I1U1＝I2U2＋I3U3＋… 得I1n1＝I2n2＋I3n3＋…。 　如图所示，理想变压器的原线圈接在u＝220sin πtV的交流电源上，副线圈接有R＝55 Ω的负载电阻，原、副线圈匝数之比为4∶1，电流表、电压表均为理想电表。下列说法正确的是(　　) A．电流表的读数为1 A B．电压表的读数为55 V C．原线圈的输入功率为55 W D．副线圈输出交流电的周期为0.5 s [解析]　原线圈电压有效值U1＝ V＝220 V，根据原、副线圈电压与匝数的关系可得U2＝U1＝55 V，即电压表的读数为55 V，故B错误；根据原、副线圈电流与匝数的关系＝，I2＝，所以电流表的读数I1＝0.25 A，故A错误；原线圈的输入功率P1＝U1I1＝55 W，故C正确；原、副线圈交流电周期相同，所以副线圈输出交流电的周期T＝＝2 s，故D错误。 [答案]　C 　(多选)(2024·海南卷，T9)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]　交流电的周期T＝＝0.02 s，故A正确；根据理想变压器原、副线圈电压与匝数的关系可得，原、副线圈匝数比＝＝＝，故B错误；输出的最大电压U2m＝U2＝220 V，故C错误；若10台充电桩同时使用，输出功率P2总＝10U2I2＝10×220×16 W＝35 200 W＝35.2 kW，变压器不改变功率，故输入功率P1总＝P2总＝35.2 kW，故D正确。 [答案]　AD 知识点四　几种常见的变压器及其应用 1．自耦变压器 (1)示意图如图甲所示。 (2)工作原理：只有一个线圈，三个抽头，可升压，也可降压。通过自耦变压器，可以从零至最大值连续调节所需电压，与分压器比较相似。 (3)应用：交变电压的连续调节、较大范围变压。 2．电压互感器 (1)示意图如图乙所示。 (2)工作原理：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，再根据铭牌上变压比算出被测高电压。 (3)应用：实际测量高电压。 　　 3．电流互感器 (1)示意图如图丙所示。 (2)工作原理：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，再根据铭牌上变流比，算出被测大电流。 (3)应用：测量大电流。 说明：(1)自耦变压器只有一个线圈，但每匝线圈产生的电动势E＝都相同。不计线圈导线电阻时，U1＝E1＝n1，U2＝n2，＝仍然成立。 (2)使用互感器时，一定要将外壳和副线圈接地。 　自耦变压器铁芯上只绕有一个线圈，原、副线圈都只取该线圈的某部分。一升压式自耦调压变压器的电路如图所示，其副线圈匝数可调。已知变压器副线圈匝数为1 900匝，原线圈为1 100匝，接在有效值为220 V的交流电源上。当变压器输出电压调至最大时，负载R上的功率为2.0 kW。设此时原线圈中电流有效值为I1，负载两端电压的有效值为U2，且变压器是理想的，则U2和I1分别约为(　　) A．380 V　5.3 A B．380 V　9.1 A C．240 V　5.3 A D．240 V　9.1 A [解析]　根据理想变压器电压比关系＝，代入数据解得副线圈两端的电压U2＝380 V，因理想变压器原、副线圈输入和输出的功率相等，即P入＝P出＝U1I1，得I1＝ A≈9.1 A，B正确，A、C、D错误。 [答案]　B 　(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。已知甲图中原、副线圈匝数比为 100∶1，乙图中原、副线圈匝数比为1∶10，则(　　) A．甲图中的电表是电压表，输电电压为22 000 V B．甲图是电流互感器，输电电流是100 A C．乙图中的电表是电压表，输电电压为22 000 V D．乙图是电流互感器，输电电流是100 A [解析]　题图甲是电压互感器，题图甲中的电表是电压表，根据电压与匝数成正比可知输电电压U1＝U2＝×220 V＝22 000 V，故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，根据电流与匝数成反比可得输电电流I1＝I2＝×10 A＝100 A，故C错误，D正确。 [答案]　AD 1．(变压器的基本关系)(2026·河南周口市期中)如图甲所示，理想变压器原线圈接在正弦式交流电源上，输入电压u随时间t变化的图像如图乙所示，副线圈接规格为“3 V，3 W”的灯泡。若灯泡正常发光，下列说法正确的是(　　) A．原线圈两端电压的有效值为24 V B．副线圈中电流的有效值为 A C．原、副线圈匝数之比为8∶1 D．原线圈的输入功率为24 W 解析：选C。由题图乙知，原线圈电压最大值Um＝24 V，则原线圈两端电压的有效值U1＝＝24 V，故A错误；灯泡正常发光，则副线圈中电流有效值I＝＝1 A，故B错误；由理想变压器电压与匝数关系可知＝＝，故C正确；理想变压器没有能量损失，原线圈的输入功率等于副线圈的输出功率，则原线圈的输入功率P1＝PL＝3 W，故D错误。 2．(变压器的基本关系)如图所示，变压器原、副线圈匝数比n1∶n2＝2∶1，灯泡电阻RL＝6 Ω，AB两端电压u1＝12sin (200πt)V。下列说法正确的是(　　) A.电流频率为100 Hz B．电压表的读数为8 V C．电流表的读数为0.5 A D．变压器输入功率为5 W 解析：选A。根据题意可知，电流的频率f＝＝＝ Hz＝100 Hz，故A正确；根据题意可知，原线圈输入电压的有效值U1＝＝ V＝12 V，由变压器电压与匝数关系可知，副线圈的输出电压U2＝U1＝×12 V＝6 V，可知电压表的读数为6 V，故B错误；由欧姆定律可得，电流表的读数I2＝＝ A＝1 A，故C错误；由变压器电流与匝数关系可知，穿过原线圈的电流I1＝I2＝×1 A＝0.5 A，变压器输入功率P＝U1I1＝12×0.5 W＝6 W，故D错误。 3．(变压器的基本关系)(多选)低压卤素灯在家庭电路中使用时需要变压器降压。若将“10 V　40 W”的交流卤素灯直接通过变压器(视为理想变压器)接入电压为220 V的交流电后能正常工作，则(　　) A．变压器原、副线圈的匝数比为1∶22 B．原线圈的输入功率为40 W C．卤素灯的瞬时功率最大值为80 W D．变压器原、副线圈交流电的频率比为22∶1 解析：选BC。由＝知，＝，故A错误；卤素灯正常工作，对理想变压器有P入＝P＝40 W，故B正确；流过卤素灯的电流I＝＝ A＝4 A，卤素灯两端电压的最大值Um＝U＝10 V，此时流过卤素灯的电流也最大，Im＝I＝4 A，卤素灯的瞬时功率最大值Pm＝UmIm＝80 W，故C正确；变压器不改变交流电的频率，故变压器原、副线圈交流电的频率比为1∶1，故D错误。 4．(探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系)有一个教学用的可拆变压器，其铁芯粗细一致，如图甲所示，它有两个外观基本相同的线圈A、B(内部导线电阻率、横截面积相同)，线圈外部还可以再绕线圈。 (1)某同学用多用电表的同一电阻挡先后测量了A、B线圈的电阻值，指针分别对应图乙中的a、b位置，由此可推断________(选填“A”或“B”)线圈的匝数较多。 (2)如果把它看作理想变压器，现要测量A线圈的匝数，提供的器材有：一根足够长绝缘导 线、一只多用电表和低压交流电源，请完成实验的步骤填空： ①用绝缘导线在线圈B上绕制n匝线圈； ②将A线圈与低压交流电源相连接； ③用多用电表的“交流电压挡”分别测量A线圈的输入电压UA和________(选填“绕制”或“B”)线圈的输出电压U； ④A线圈的匝数为________(用已知量和测量量的符号表示)。 解析：(1)根据电阻表的读数规律可知，线圈A的电阻大于线圈B的电阻，线圈A、B内部导线电阻率、横截面积相同，根据R＝ρ，表明线圈A的总长度比线圈B的长，则可推断A线圈的匝数较多。 (2)③根据电压匝数关系有＝，因为要测量A线圈的匝数，则应选取匝数已知的绕制线圈测量，所以要用多用电表的“交流电压挡”测量绕制线圈的输出电压U。 ④根据理想变压器电压比等于匝数比有＝，解得nA＝。 答案：(1)A　(2)③绕制　④ 学科网（北京）股份有限公司 $