3.3 变压器（教学课件）物理人教版选择性必修第二册

第三章 交变电流 人教版（2019）选择性必修 第二册 3.变压器 目录 学习目标 重点难点 课堂导入 探究新知 课堂小结 课堂练习 布置作业 1 2 3 4 5 6 7 2 01 02 03 04 物理观念 知道变压器由闭合铁芯、原线圈、副线圈组成，理解变压器依靠互感现象工作，明白变压器只能改变交变电流电压，不能改变直流电压；掌握理想变压器的功率关系、电压匝数关系、电流匝数关系；知道升压、降压变压器的区分；建立交变电路中能量传递的观念，能结合上一节交变电流有效值知识，理解变压器铭牌电压均为有效值。 科学思维 能从法拉第电磁感应定律推导电压与匝数的关系式；建立理想变压器模型，忽略漏磁、铜损、铁损；掌握变压器动态电路分析思路（电压由匝数和输入电压决定；负载决定输出电流、输出功率，输出决定输入）；能辨析 “谁决定谁” 的逻辑，区分多副线圈情景，利用能量守恒进行推理计算，提升模型建构、逻辑推理能力。 科学探究 能用可拆变压器开展实验，用控制变量法探究电压与匝数的关系；能测量原、副线圈电压，记录数据，归纳电压匝数规律；能对比有无铁芯时的输出电压，认识铁芯增强磁耦合的作用；会分析实验误差来源（漏磁、线圈电阻发热），理解理想模型是对真实实验的抽象简化。 科学态度与责任 了解变压器在电网、远距离输电、家用电器电源适配器中的广泛应用，体会变压器对电能输送的重大意义；知道高压输电、变压配电在节约能源、用电安全上的价值；认识真实变压器的损耗、绝缘安全要求，树立安全用电、节约用电的意识，体会电磁规律推动电力工程发展的价值。 学习目标 变压器的结构和工作原理 01 教学内容 理想变压器 02 理想变压器的动态分析 03 三类特殊变压器 04 教学重点 1 教学重点 2 教学难点 3 理解变压器的工作原理（互感现象）；掌握理想变压器电压与匝数、功率的关系，知道电流与匝数的关系及其适用条件。 会根据原线圈输入电压、匝数比，分析、计算副线圈电压、电流、功率；能结合交流电路规律，分析变压器的负载动态变化问题。 理解理想变压器 “谁决定谁” 的制约逻辑；多副线圈情形下功率、电流关系的推导与计算；区分变压器只能改变交变电压，不能改变恒定直流电压。 重点难点 课堂导入——观察与思考 高压输电：U > 100 KV 家庭用电：U = 220 V 手机充电：U = 5 V 输电线输送的是大于100KV的高压，而家庭用电的电压是220V，如何将高压降为220V？在我们使用的各种用电器中，所需的电源电压各不相同， 那么如何使这些额定电压不是220V的电器设备正常工作的呢？ 课堂导入——观察与思考 街头变压器 各式变压器 可拆式变压器 变电站的大型变压器 变压器是如何改变电压的呢？ 01 PART 01 第一部分 变压器的结构和工作原理 探究新知 8 探究新知——变压器的构造 原线圈 副线圈 ①铁芯：绝缘硅钢片叠合而成 ②原线圈： ③副线圈： 与交流电源相连的线圈，也叫初级线圈 与负载相连的线圈，也叫次级线圈 探究新知——变压器的示意图及电路符号 副线圈 原线圈 U2 R n1 n2 示意图 U1 铁芯 n1 n2 n1 n2 无铁芯 有铁芯 电路符号 探究新知——变压器的工作原理 问题：变压器副线圈和原线圈电路是否相通？ U1 U2　 ∽ n1 n2 ∽ 变压器原副线圈不相通，那么在给原线圈接交变电压U1后，副线圈电压U2是怎样产生的？ ------互感现象 原线圈接交变电流 原线圈中产生交变磁场 副线圈产生感应电动势 铁芯构成磁回路 若给原线圈接恒定电压U1,副线圈电压U2=? 探究新知——变压器的变压规律 若给原线圈接交变电动势 e1 =Em sinωt，则副线圈电动势e2 多大？ U2 R B1 =Bmsinωt B2 =Bmsinωt 铁芯可使绝大部分（可近似认为全部）磁感线集中在铁芯上，即： e1 =Em sinωt n1 n2 探究新知——变压器的变压规律 不考虑原副线圈的电阻的原、副线圈的电压： 变压器作用：改变交流的电压，不改变周期和频率。 n2 > n1 U2 > U1 ── 升压变压器 n2 < n1 U2 < U1 ── 降压变压器 此式无论副线圈一端是空载还是负载，都适用。 如何设计实验验证上述结论？ 探究新知——变压器的变压规律 探究新知——变压器的变压规律 以下是某个小组实验数据： 实验次数 原线圈匝数n1 副线圈匝数n2 原线圈电压U1 副线圈电压U2 n1/n2 U1/U2 1 800 400 8V 3.68V 2 2.2 2 800 100 8V 0.9V 8 8.9 3 200 100 8V 3.61V 2 2.2 4 1400 100 8V 0.5V 14 16 从实验数据来看，原副线圈电压之比是否等于它们的匝数之比？ 实验数据没有严格遵从这样的规律，是为什么？ 在误差允许的范围内，原副线圈电压之比是否等于它们的匝数。 探究新知——变压器的变压规律 误差分析： 误差产生原因：能量损耗 ①变压器线圈通过电流时会发热； ②铁芯在交变磁场的作用下也会发热； ③交变电流产生的磁场也不可能完全局限在铁芯呢。 我们把没有能量损失的变压器叫做理想变压器，那么这样的变压器有什么规律？ 探究新知——典例探究 【例1】(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.变压器不改变交变电流的频率 D.当原线圈接入恒定电流时，副线圈也有电压输出 探究新知——典例探究 【解析】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，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； 变压器原、副线圈交变电流的频率相同，故C正确； 变压器对恒定电流不起作用，故D错误。 探究新知——典例探究 【例2】(2025·儋州市高二检测)小南同学为验证变压器线圈两端电压与匝数的关系，将两个线圈套在一闭合的回形铁芯上，其连接的实验电路如图所示。 回答下列问题： (1)左边铁芯上的线圈应连到学生电源的　　　(选填“直流”或“交流”)输出端。  (2)仅减少右边铁芯上的线圈匝数，灯泡相比于减少匝数前，将　　　(选填“变亮”或“变暗”)，这说明灯泡两端的电压______(选填“变大”或“变小”)。  (3)在某次实验中，变压器原、副线圈的匝数分别为1 600和400，测得原线圈两端的电压为36 V，则副线圈两端的电压可能是　 　。 A.144 V B.101.5 V C.25.4 V D.8.8 V 探究新知——典例探究 【解析】（1）变压器利用电磁感应原理传输电能或电信号，需要采用交流电，所以线圈应连到学生电源的交流输出端上。 （2）将与灯泡相连的线圈拆掉部分，其余装置不变，由于=，解得U2= U1输出电压变小，灯泡两端电压变小，所以灯泡亮度将变暗。 （3）根据理想变压器的电压关系得=，解得U2=9 V，因为变压器存在各种损耗，所以副线圈电压应低于9 V。故选D。 02 PART 02 第二部分 理想变压器 探究新知 21 探究新知——一个副线圈的理想变压器 理想变压器 功率制约： P入 = P出 原线圈电能全部转化为副线圈电能 电压制约： 线圈两端电压之比等于匝数之比 “一原一副” 的电流制约： U1 I1 = U2 I2 原副线圈的电流跟匝数成反比 I1 I2 U2 n1 n2 R U1 此式只适用于一个副线圈的变压器 探究新知——多副线圈的理想变压器 任意两线圈两端电压之比等于匝数之比 由 P入 =P出 得 原线圈电能全部转化为两副线圈电能 I2 n2 U2 I1 n1 U1 I3 n3 U3 “一原多副”的理想变压器 探究新知——理想变压器的规律 探究新知——典例探究 【例3】(多选)(2025·云南卷)电动汽车充电桩的供电变压器(视为理想变压器)示意图如图所示。变压器原线圈的匝数为n1，输入电压U1=1.1 kV；两副线圈的匝数分别为n2和n3，输出电压U2=U3=220 V。当Ⅰ、Ⅱ区充电桩同时工作时，两副线圈的输出功率分别为7.0 kW和3.5 kW，下列说法正确的是 A.n1∶n2=5∶1 B.n1∶n3=1∶5 C.变压器的输入功率为10.5 kW D.两副线圈输出电压最大值均为220 V 探究新知——典例探究 【解析】根据理想变压器的电压比等于匝数比可得n1∶n2=U1∶U2=5∶1，n1∶n3= U1∶U3=5∶1，故A正确，B错误； 根据能量守恒可知变压器的输入功率等于总的输出功率，故P输入=P输出=7.0 kW+3.5 kW=10.5 kW，故C正确； 输出电压为交流电的有效值，根据正弦交流电的最大值与有效值的关系可知，两副线圈输出电压最大值均为Um=220 V，故D错误。 探究新知——典例探究 【例4】 (来自教材)有些机床(如图所示) 为了安全， 照明电灯用的电压是36 V， 这个电压是把380 V的电压降压后得到的。如果变压器的原线圈是1 440匝，副线圈是多少匝？ 在某次实际工作时输入电压只有220 V， 则输出电压是多少？ 【解析】根据理想变压器原、副线圈的电压关系=，可得n2=n1=(匝) ≈136(匝)。某次实际工作时输入电压为220 V，有==，则输出电压为U2'≈21 V。 探究新知——典例探究 【例5】(来自粤教教材)如图所示是一理想变压器示意图。原线圈n1=1 100匝，其中一副线圈n2=500匝，两端接阻值R=250 Ω的电阻；另一副线圈n3=150匝，两端接有额定值为“30 V　15 W”的灯泡L。原线圈接入交变电压后，灯泡L恰能正常发光。求电阻R的电功率和原线圈中的电流。 探究新知——典例探究 【解析】灯泡L正常发光，说明U3=30 V，P3=15 W。那么根据理想变压器原理 ==，可得U1=U3=×30 V=220 V，U2=U1=×220 V=100 V，P2== W=40 W。 又P3=15 W， 所以P1=P2+P3=40 W+15 W=55 W， I1== A=0.25 A。 03 PART 03 第三部分 理想变压器的动态分析 探究新知 30 探究新知——技巧总结 1．含有变压器动态电路问题的答题模型 (1)构建模型。 ①确定原线圈电压U1 原线圈电压U1为定值 ②确定副线圈电压U2 由 知，若n1、n2为定值，U2也为定值 ③确定副线圈电流I2 由 知，R增大时I2减小 ④确定副线圈电流P2 P2=I2U2知，I2减小时P2减小 ⑤确定输入功率P1 由P1=P2知，P2减小时P1也减小 ⑤确定原线圈电流I1 由P1=I1U1知，P1减小时I1也减小 探究新知——技巧总结 (2)模型突破：解答这类问题的关键是分清变量和不变量。首先确定哪些量是不变的，然后结合变压器的基本规律和欧姆定律分析相关量的变化情况。 ①理想变压器将电能由原线圈传给副线圈时总是“量出而入”，即用户消耗多少，原线圈就提供多少，因而输出功率决定输入功率。 ②可以把理想变压器的副线圈看作给用户供电的无阻电源，对负载电路进行动态分析时，可以参照直流电路动态分析的方法。 2．负载变化的两种情况 (1)负载的数目发生变化，如某些用电器的开关断开或闭合。 (2)滑动变阻器的触片移动，电路中的电阻发生变化。 探究新知——典例探究 【例6】(2025·天津市红桥区高二期末)如图所示，T为理想变压器，A1、A2为交流电流表，R1、R2为定值电阻，R3为滑动变阻器，原线圈两端接恒压交流电源，当滑动变阻器的滑片向下滑动时 A.A1的读数不变，A2的读数变大 B.A1的读数变大，A2的读数变大 C.A1的读数不变，A2的读数变小 D.A1的读数变小，A2的读数变小 探究新知——典例探究 【解析】由题图可知交流电的周期为0.02 s，则频率为f==50 Hz，故A错误；根据题图可知电压的峰值为10 V， 根据欧姆定律，电流的峰值Im===0.2 A，故B错误； 电流的有效值为I==0.2 A 所以电阻在1秒内消耗的电能W=I2Rt=0.22×50×1 J=2 J，故C错误； 根据题图可知电阻两端电压表达式为 u=Umsin ωt=Umsin(t)=10sin (100πt) V，故D正确。 探究新知——典例探究 【例5】(来自鲁科教材)图(a)为风力发电的简易模型，在风力的作用下，风叶带动与其固定在一起的永磁体转动，转速与风速成正比。某一风速时，线圈中产生的正弦式交变电流如图(b)所示，则 A.电流的表达式为i=0.6sin 10πt A B.磁铁的转速为10 r/s C.风速加倍时，电流的表达式为 　i=1.2sin 10πt A D.风速加倍时，线圈中电流的有效值为1.2 A 探究新知——典例探究 【解析】原线圈两端接恒压交流电源，则原线圈输入电压保持不变，根据理想变压器的原、副线圈电压比等于匝数比可知，副线圈输出电压不变；当滑动变阻器的滑片向下滑动时，R3接入电路的电阻减小，则副线圈电路总电阻减小，根据欧姆定律可知，副线圈电流I2增大，则R1分压增大，R2分压减小，通过R2的电流减小，电流表A2的读数变大；根据理想变压器原、副线圈电流比等于匝数比的倒数可得=，可知原线圈电流增大，则电流表A1的读数变大。故选B。 探究新知——典例探究 【例6】(2024·吉林市高二期末)某住宅小区变压器给住户供电的电路示意图如图所示，变压器可视为理想变压器，所有电表视为理想电表，原线圈输入有效值恒定的交流电压，图中R为输电线的总电阻。在用电高峰期，住户使用的用电器增加时，下列说法正确的是 A.电流表A示数不变 B.电压表V1示数增大 C.电压表V2示数增大 D.发电机的输出功率增大 探究新知——典例探究 【解析】变压器原线圈的输入电压不变﹐根据=可知，变压器副线圈的输出电压不变，电压表V1示数不变；当住户使用的用电器增加时，即用户的总电阻R灯变小，由I1=，可知，副线圈的电流I1变大，根据=可知原线圈电流变大，电流表A示数变大，故A、B错误； 而由U2=U1-I1R，可知电压表V2示数减小，故C错误； 发电机输出功率P0=U0I0，发电机的输出功率变大，故D正确。 04 PART 04 第三部分 三类特殊变压器 探究新知 39 探究新知——自耦变压器 如图所示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。 U2 U1 A B P 自耦变压器 U1 U2 n1 n2 升压变压器 n1 n2 U1 U2 降压变压器 探究新知——典例探究 【例7】(来自鲁科教材)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，就可调节输出电压。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。 (1)保持P的位置不动，将Q向下移动时，电流表的读数 如何变化？为什么？ (2)保持Q的位置不动，将P沿逆时针方向移动时，电流表的读数如何变化？为什么？ 探究新知——典例探究 【解析】（1）电流表的读数变小。保持P的位置不动，即保持变压器的原、副线圈的匝数比不变，则滑动变阻器R两端的电压不变，将Q向下移动时，连入电路的电阻的阻值变大，输出电路中的电流减小，故电流表的读数变小。 （2）电流表的读数变大。保持Q的位置不动，即保持滑动变阻器R连入电路的阻值不变，将P沿逆时针方向移动时，变压器的原线圈的匝数不变，副线圈的匝数增多，滑动变阻器R两端的电压将增大，输出电路中的电流增大，故电流表的读数变大。 探究新知——电压互感器 交流电压表的有一定的量度范围，不能直接并联到高压电测量其电压值。那么如何用交流电压表间接地测量出高压电的电压值？ V 地线 火线 n2 n1 U1 U2 电压互感器 探究新知——电流互感器 交流电流表的有一定的量度范围，不能直接串联到在大电流电路中的电流值。那么如何用交流电流表间接地测量出大电流电路中的电流值？ 电流互感器 地线 火线 A n2 n1 I2 I1 钳形电流表是一种电流互感器 探究新知——典例探究 【例7】(来自鲁科教材)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，就可调节输出电压。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。 (1)保持P的位置不动，将Q向下移动时，电流表的读数 如何变化？为什么？ (2)保持Q的位置不动，将P沿逆时针方向移动时，电流表的读数如何变化？为什么？ 探究新知——典例探究 【解析】（1）电流表的读数变小。保持P的位置不动，即保持变压器的原、副线圈的匝数比不变，则滑动变阻器R两端的电压不变，将Q向下移动时，连入电路的电阻的阻值变大，输出电路中的电流减小，故电流表的读数变小。 （2）电流表的读数变大。保持Q的位置不动，即保持滑动变阻器R连入电路的阻值不变，将P沿逆时针方向移动时，变压器的原线圈的匝数不变，副线圈的匝数增多，滑动变阻器R两端的电压将增大，输出电路中的电流增大，故电流表的读数变大。 探究新知——典例探究 【例8】(多选)互感器主要与交流测量仪表配合使用，它也是一种变压器，常用的有电压互感器和电流互感器。如图，在电路中接入互感器A、B，原、副线圈的匝数比分别为kA、kB，甲、乙为交流电表。下列说法正确的是 A.kA<kB B.甲为电流表 C.B为电流互感器 D.互感器可以用来测量直流电路的电流和电压 探究新知——典例探究 【解析】A与电路串联，为电流互感器，原线圈匝数小于副线圈匝数；B与电路并联，为电压互感器，原线圈匝数大于副线圈匝数，即kA<kB，选项A、B正确，C错误； 互感器只能测量交流电路的电压和电流，不可以用来测量直流电路的电流和电压，选项D错误。 课堂小结 变压器 变压器的结构和工作原理 理想变压器的动态分析 理想变压器 三类特殊变压器 一个副线圈 多个副线圈 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 布置作业 1.认真阅读课本本节内容，并完成课后“练习与应用”； 2.完成分层作业。 谢谢聆听 鼎力物理制作，盗版必究 谢谢聆听 Lavf58.20.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 理想变压器 ①无铜损 　②无铁损 ③无磁损 基 本 关 系 功率关系 原线圈的输入功率等于副线圈的输出功率，P入＝P出 电压关系 ①只有一个副线圈时：eq \f(U1,U2)＝eq \f(n1,n2) ②有多个副线圈时：eq \f(U1,n1)＝eq \f(U2,n2)＝eq \f(U3,n3)＝… 电流关系 ①只有一个副线圈时：eq \f(I1,I2)＝eq \f(n2,n1) ②有多个副线圈时：由P入＝P出得n1I1＝n2I2＋n3I3＋… 频率关系 f1＝f2(变压器不改变交变电流的频率) $