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（人教版·新教材）

第3节　变压器 1．探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系。　2.了解变压器的构造及几种常见的变压器。　3.理解互感现象和变压器的工作原理。　4.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、变压器的原理 1．构造：变压器是由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成的，与交流电源连接的线圈叫作原线圈；与负载连接的线圈叫作副线圈。 2．原理：互感现象是变压器工作的基础。电流通过原线圈时在铁芯中激发磁场，由于原线圈中电流的大小、方向在不断变化，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。 二、电压与匝数的关系 1．理想变压器：忽略漏磁，忽略涡流，不计线圈导线电阻，这样的没有能量损失的变压器可以认为是理想变压器。 2．电压与匝数的关系：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：＝。 3．两类变压器：副线圈的电压比原线圈电压低的变压器叫作降压变压器；副线圈的电压比原线圈电压高的变压器叫作升压变压器。 4．理想变压器中的能量转化 原线圈中电场的能量转变成磁场的能量，通过铁芯使变化的磁场几乎全部穿过了副线圈，在副线圈中产生了感应电流，磁场的能量转化成了电场的能量。 (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)电流通过铁芯从原线圈流到副线圈。(　　) 提示：(1)√　(2)×　(3)√　(4)√　(5)× 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？ (3)将原线圈接在恒定的直流电源上时小灯泡发光吗？为什么？ [提示]　(1)当左侧线圈加上交流电压时，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，若左侧匝数为n1，则U1＝E1＝n1；若右侧匝数为n2，则U2＝E2＝n2，故有＝；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。 　(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，有效地传递电能 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．变压器不改变交变电流的频率，只改变电压大小 D．当原线圈接入恒定电流时，副线圈也有电压输出 [解析]　根据变压器的工作原理知，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，B错误；变压器只改变电压大小，不改变电流的频率，C正确；变压器对恒定电流不起作用，D错误。 [答案]　AC 　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 (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　实验：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、副线圈的电压与匝数的关系。 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)按如图所示的原理图连接好电路图，将两个多用电表调到交流电压挡，并记录两个线圈的匝数。 (2)打开学生电源，读出两个电表的电压值，并记录在表格中。 (3)保持输入电压、原线圈的匝数不变，多次改变副线圈的匝数，记录下每次的副线圈匝数和对应的电压值。 (4)保持输入电压、副线圈的匝数不变，多次改变原线圈的匝数，记录下每次的原线圈匝数与对应的电压值。 4．数据处理 (1)将不同的原、副线圈接入电路测出线圈两端的电压填入下表。 原线圈 匝数n1 副线圈 匝数n2 原线圈 电压U1 副线圈 电压U2 100 300 2 V 100 400 2 V 300 400 4 V 400 400 4 V 400 100 8 V 400 100 4 V (2)由表格数据得出结论： ①当原线圈匝数和输入电压不变时，随着副线圈匝数增加，输出电压增大。进一步研究可知，副线圈电压与副线圈匝数成正比。 ②当副线圈匝数和输入电压不变时，随着原线圈匝数增加，副线圈输出电压变小。进一步研究可知，副线圈电压与原线圈匝数成反比。 5．实验结论 实验分析表明，原、副线圈的电压之比等于两个线圈的匝数之比，即＝。 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　理想变压器的基本关系 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＋…。 　(多选)(2026·河北唐山市期中)如图(a)所示，理想变压器原、副线圈的匝数比为4∶1，R为10 Ω的定值电阻，电压表和电流表均为理想交流电表。若原线圈接如图(b)所示的正弦交流电，下列说法正确的是(　　) A．副线圈两端电压的瞬时值表达式为u′＝3sin (100πt) V B．t＝0.02 s时，电压表 V1的示数为0 C．t＝0.02 s时，电压表 V2的示数为3 V D．t＝0.02 s时，电流表A的示数为0.3 A [解析]　根据理想变压器原理可得＝，由于交流电的频率不变，周期不变，即T＝2×10－2 s，角频率ω＝＝100π rad/s，则副线圈两端电压的瞬时值表达式为u′＝3sin (100πt) V，故A正确；电压表测量的是交流电的有效值，不是交流电的瞬时值，t＝0.02 s时，电压表 V1的示数为12 V，电压表 V2的示数为3 V，故B、C错误；电流表测量的也是有效值，则t＝0.02 s时，根据欧姆定律可知，电流表A的示数I＝＝0.3 A，故D正确。 [答案]　AD 　如图所示，一理想变压器的原、副线圈的匝数比为8∶1，原线圈输入的交流电压瞬时值的表达式为e＝48sin (100πt)V，副线圈接定值电阻R0＝6 Ω，滑动变阻器的最大阻值为18 Ω，电压表内阻不计，则(　　) A．t＝0.01 s时，电压表示数为零 B．原、副线圈的电流之比为8∶1 C．原、副线圈的磁通量变化率之比为8∶1 D．滑动变阻器的滑片从a端向b端滑动过程中，副线圈输出的最大功率P＝6 W [解析]　电压表的示数为有效值，不是瞬时值，因此t＝0.01 s时，电压表示数不为零，故A错误；理想变压器的原、副线圈的匝数比为8∶1，由＝，可知原、副线圈的电流之比为1∶8，故B错误；理想变压器没有漏磁，相等时间内通过原、副线圈的磁通量相同，则原、副线圈的磁通量变化率之比为1∶1，故C错误；原线圈电压有效值U1＝ V＝48 V，根据电压匝数关系有＝，解得U2＝6 V，则副线圈输出功率P＝，当滑片下滑至b端时有R＝0，解得输出功率最大值P＝6 W，故D正确。 [答案]　D 知识点四　几种常见的变压器及应用 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：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。 　普通的交流电表不能直接接在高压输电线路上进行直接测量，通过互感原理可实现普通电表测量输电线路上的“高电压”或“强电流”。图2中互感器ab一侧线圈的匝数较少。将1、2两图正确连接后(　　) A．可测“强电流”，图1中未知电表是交流电流表；ab接MN、cd接PQ B．可测“强电流”，图1中未知电表是交流电流表；ab接PQ、cd接MN C．可测“高电压”，图1中未知电表是交流电压表；ab接PQ、cd接MN D．可测“高电压”，图1中未知电表是交流电压表；ab接MN、cd接PQ [解析]　ab接MN、cd接PQ串联在电线上测量电流，是电流互感器，题图1中未知电表是交流电流表，因ab一侧线圈的匝数较少，根据变压器电流与匝数关系可知，ab一侧线圈电流大于cd一侧线圈电流，所以可测强电流，故A正确，D错误；ab接PQ、cd接MN串联在电线上测量电流，是电流互感器，题图1中未知电表是交流电流表，因cd一侧线圈的匝数较多，根据变压器电流与匝数关系可知，ab一侧线圈电流大于cd一侧线圈电流，所以不可测强电流，故B、C错误。 [答案]　A 　如图，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2 200 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]　根据变压器原、副线圈的电压比等于匝数比，电流比等于匝数比的反比，可知题图甲是电压互感器，题图乙是电流互感器，则题图甲中的电表是电压表，题图乙中的电表是电流表；对题图甲有＝，可得输电电压U1＝22 000 V，对题图乙有＝，可得输电电流I1＝100 A。 [答案]　D 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)一起重机的电路示意图如图甲所示，理想变压器的原线圈中接入图乙所示的正弦交流电，照明灯的规格为“22 V，11 W”，电动机线圈的内阻r＝1 Ω，装置工作时，重物以v＝0.5 m/s的速率匀速上升，照明灯正常工作，电表均为理想交流电表，电动机的输入功率PM＝209 W。电动机的输出功率全部用来提升重物，重力加速度大小g取10 m/s2，下列说法正确的是(　　) A．原、副线圈的匝数比为10∶1 B．原、副线圈的匝数比为20∶1 C．重物的质量为23.75 kg D．重物的质量为47.5 kg 解析：选C。原线圈电压的最大值为220 V，有效值U1＝＝220 V，照明灯正常工作时副线圈电压有效值U2＝22 V，由变压器原理得原、副线圈匝数比＝＝10∶1，故A、B错误；通过电动机的电流有效值I＝＝ A＝9.5 A，电动机的输出功率等于输入功率减去其发热功率，即PM－I2r＝mgv，解得m＝23.75 kg，故C正确，D错误。 3．(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 $