1、第3节科学探究：变压器核心素养明目标核心素养学习目标物理观念知道变压器的构造及几种常见的变压器。科学思维理解变压器的工作原理及工作规律。科学探究通过实验探究变压器的原、副线圈中电压与匝数的关系。科学态度与责任了解变压器的应用，能与他人交流探究过程和结果。知识点一变压器的工作原理1变压器的构造(1)变压器：能升高或降低交变电流电压的装置称为变压器。(2)构造：主要由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个或两个以上的线圈组成，符号如图所示。原线圈：与交流电源连接的线圈，也叫初级线圈。副线圈：与负载相连的线圈，也叫次级线圈。输入电压：原线圈两端的电压，用符号U1表示。输出电压：副线圈两端的电压，用符号U2表示。
2、2原理(1)如图所示，当原线圈两端加上交变电压时，就有交变电流通过原线圈，并在铁芯中产生交变的磁场，铁芯中的磁通量发生变化，这个变化的磁通量在副线圈两端产生感应电动势。(2)如果变压器在传输电能的过程中损失的能量很小，可以忽略不计，这种变压器就叫作理想变压器。理想变压器是一种理想化模型，实际上并不存在。1：思考辨析(正确的打“”，错误的打“”)(1)变压器只能改变交变电流的电压，不能改变直流电的电压。()(2)理想变压器不仅可以改变交变电流的电压和电流，还可以改变交变电流的功率和频率。()知识点二探究变压器电压与线圈匝数的关系1实验目的：研究变压器电压与线圈匝数的定量关系。2实验器材：可拆变压
3、器、低压交流电源、交流电压表、带夹的导线。3实验步骤(1)要先估计被测电压的大致范围，再选择恰当的量程，若不知道被测电压的大致范围，则应选择交流电压表的最大量程进行测量。(2)把两个线圈穿在铁芯上，闭合铁芯。(3)用交流电压表测量输入、输出电压。(4)改变输入端电压，重新测量输入、输出端电压，记录在设计好的表格内。123456U1U2n1n2(5)改变线圈匝数，重新测量输入、输出端电压，记录在上面设计好的表格内。4注意事项(1)在改变低压交流电源电压、线圈匝数前均要先断开开关，再进行操作。(2)为了人身安全，低压交流电源的电压不能超过12 V，不能用手接触裸露的导线和接线柱。(3)为了多用电表
4、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选用适当的挡位进行测量。实验中手能触及裸露的导线吗？提示：通电时不能用手接触裸露的导线。2：思考辨析(正确的打“”，错误的打“”)(1)在“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验中，副线圈接直流电压表。()(2)在实验探究中，一定要保障原线圈与副线圈的匝数相等。()知识点三理想变压器的电压与线圈匝数的关系1电压与匝数的关系：原、副线圈的电压之比等于两个线圈的匝数之比，即。2两类变压器：副线圈的电压比原线圈电压低的变压器叫降压变压器；副线圈的电压比原线圈电压高的变压器叫升压变压器。在理想变压器中输入功率由输出功率的大小决
5、定。3：思考辨析(正确的打“”，错误的打“”)(1)适用于任何理想变压器。()(2)适用于任何理想变压器。()4：填空一个正常工作的理想变压器的原、副线圈中相等的物理量有：交变电流的频率、电功率和磁通量的变化率。 考点1理想变压器的特点及原理在课外，某同学在进行低压交流变压器实验的准备工作时，发现缺少电源，于是就用一种摩托车的蓄电池代替，按图所示进行实验。闭合电键后，灯泡是否发光？解释出现这种现象的原因。提示：因蓄电池是直流电源，向外输出恒定电压，故连接到副线圈上的小灯泡不会发光。原因是：恒定电压加在原线圈上后，线圈内的磁通量不发生变化，因而副线圈中的磁通量也不发生变化，所以En0，副线圈中无
6、感应电动势。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，原线圈的输入功率等于副线圈的输出功率。2工作原理(1)原线圈上通有交变电流时，铁芯中产生交变磁场，即在副线圈中产生交变磁通量，从而在副线圈中产生交变电动势；当副线圈接负载时，副线圈相当于交流电源向外界负载供电。(2)从能量转化角度看，变压器是把电能转化为磁场能，再将磁场能转化为电能的装置，一般地说，经过转化后电压、电流均发生了变化。【典例1】关于理想变压器的工作原理，以下说法正确的是()A通有正弦交变电流的原线圈产生的磁通量不变B穿过原、副线圈
7、的磁通量在任何时候都不相等C穿过副线圈磁通量的变化使副线圈产生感应电动势D原线圈中的电流通过铁芯流到了副线圈C通有正弦交变电流的原线圈产生的磁场是变化的，由于面积S不变，故磁通量变化，故A错误；因理想变压器无漏磁，原、副线圈的磁通量总是相等的，故B错误；由互感现象知C正确；原线圈中的电能转化为磁场能又转化为副线圈的电能，原、副线圈通过磁场联系在一起，故D错误。理想变压器的四点注意(1)变压器不能改变直流电压。(2)变压器只能改变交变电流的电压和电流，不能改变交变电流的频率。(3)理想变压器本身不消耗能量。(4)理想变压器基本关系中的U1、U2、I1、I2均为有效值。跟进训练1(多选)理想变压器
8、的原、副线圈中一定相同的物理量有()A交流电的频率B磁通量的变化率C功率 D交流电的峰值ABC理想变压器没有漏磁，没有能量损失，所以原、副线圈中磁通量变化率相同，原、副线圈中功率相同，B、C正确；变压器能改变交流电的峰值但不改变交流电频率，A正确，D错误。 考点2探究变压器电压与线圈匝数的关系原线圈通过电流时，铁芯中产生磁场，由于交变电流的大小和方向都在不断变化，铁芯中的磁场也在不断地变化，变化的磁场在副线圈中产生感应电动势，副线圈中就存在输出电压。本实验中如何得到电压与匝数的关系？提示：本实验通过改变原、副线圈匝数，探究原、副线圈的电压与匝数的关系。1数据处理 根据实验中记录的数据分析完成表
9、格：123456U1U2n1n2U1/U2n1/n22实验结论：在误差允许的范围内，变压器线圈两端的电压与匝数成正比，数学表达式为：。3误差分析(1)由于漏磁，通过原、副线圈的每一匝的磁通量不严格相等造成误差。(2)原、副线圈有电阻，原、副线圈中的焦耳热损耗，造成误差。(3)铁芯中有磁损耗，产生涡流造成误差。【典例2】在“探究变压器线圈两端电压与匝数关系”的实验中，小型可拆变压器的原、副线圈匝数分别为n1120匝、n2240匝，某实验小组在原线圈两端依次加上不同的电压，用多用电表的交流电压挡分别测量原、副线圈两端的电压，数据如表所示。实验序号原线圈两端的电压U1(V)副线圈两端的电压U2(V)
10、13.98.212.125.911.812.037.815.2(1)实验小组根据测得的数据在表格中算出U1、U2的比值，还有一组U1、U2的比值没有算出，把求出的结果填在表格中。(2)本实验可得出结论：变压器线圈两端电压与匝数关系为_(用题目中给出的字母表示)。(3)该变压器是_变压器(选填“升压”或“降压”)。解析(1)第三组数据为：。(2)线圈匝数之比，结合表格中的数据知，在误差允许的范围内线圈两端电压与匝数的关系是。(3)从表格中的数据可知副线圈匝数多、电压高，所以该变压器是升压变压器。答案(1)11.9(2)(3)升压跟进训练2在“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”的实验中，操作步
11、骤如下：将两个线圈套到可拆变压器的铁芯上；闭合电源开关，用多用电表的交流电压挡分别测量原线圈和副线圈两端的电压；将匝数较多的一组线圈接到交流电源输出端上，另一组作为副线圈，接上小灯泡；将原线圈与副线圈对调，重复以上步骤。(1)以上操作的合理顺序是_(只填步骤前数字序号)。(2)如图所示，在实验中，两线圈的匝数n11 600，n2400，当将n1作为原线圈时，U116 V，副线圈两端电压U24 V；原线圈与副线圈对调后，当U18 V时，U232 V，那么可初步确定，变压器两个线圈的电压U1、U2与线圈匝数n1、n2的关系是_。解析(1)在“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验中，首先将两个
12、线圈套到可拆变压器的铁芯上；再将匝数较多的一组线圈接到交流电源输出端上，另一组作为副线圈，接上小灯泡；闭合电源开关，用多用电表的交流电压挡分别测量原线圈和副线圈两端的电压；最后将原线圈与副线圈对调，重复以上步骤。故合理的顺序是。(2)两线圈的匝数n11 600，n2400，当将n1作原线圈时，U116 V，副线圈两端电压U24 V；当原线圈与副线圈对调后，U18 V时，U232 V，此时U2为原线圈的电压，而U1为副线圈的电压；由以上数据可得。答案(1)(2) 考点3理想变压器的基本关系应用学生电源(低压交流12 V)，可拆变压器，多用表(交流电压挡)，电路图如图所示。对于理想变压器，只有一组
13、副线圈的情况下，原线圈和副线圈的电流跟它们的匝数的关系是怎样的？提示：。因为P1P2，即I1U1I2U2，又，所以推导出。1理想变压器的变压(变流)规律规律表示依据备注变压规律En适于一个原线圈及多个副线圈的情况功率关系P入P出能量守恒适于理想变压器变流规律U1I1U2I2适于一个原线圈一个副线圈n1I1n2I2n3I3U1I1U2I2U3I3适于一个原线圈，多个副线圈2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U2U1。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出P入。(3)负载决定输出电流：当U1一定时，U2
14、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n1I1n2I2得I1I2，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。【典例3】如图所示，理想变压器原、副线圈匝数比n1n221，和均为理想电表，灯泡电阻RL6 ，AB两端电压u112sin 100t(V)。下列说法正确的是()A电流频率为100 HzB的读数为24 VC的读数为0.5 AD变压器输入功率为6 WD根据u112sin 100t(V)及U知U112 V，f50 Hz，选项A错误；根据得U2U112 V6 V，即的读数为6
15、V，选项B错误；又I2 A1 A，即的读数为1 A，选项C错误；根据P1P2及P2 W6 W，选项D正确。理想变压器的电压关系和电流关系(1)理想变压器的电压关系对有一个或多个副线圈的情况都成立。(2)电流关系只适用于有一个副线圈的情况，若有多个副线圈，则电流关系应根据功率关系P入P出求出。跟进训练3如图所示，理想变压器原、副线圈匝数之比为201，原线圈接正弦交流电源，副线圈接入“220 V 60 W”灯泡一只，且灯泡正常发光，则()A电流表的示数为 AB电源输出功率为1 200 WC电流表的示数为 A D原线圈端电压为11 VC由灯泡正常发光，可知副线圈电压为220 V，由可知，原线圈电压U
16、120220 V4 400 V，故D错误；又因输入功率等于输出功率，P1P260 W，故B错误；电流表读数为有效值，原线圈中电流I1 A A，故A错误，C正确。1如图所示，理想变压器原、副线圈匝数之比n1n241，当导线在平行导轨上匀速切割磁感线时，电流表A1的示数是12 mA，则副线圈中电流表A2的示数是()A3 mA B48 mA C0 D与R的阻值有关C当导线在平行导轨上匀速运动时，产生的电流是恒定的电流，不会使副线圈的磁通量变化，因而副线圈中无感应电流，选项C正确。2如图所示四个电路，能够实现升压的是()ABCDD变压器只能对交流电变压，不能对直流电变压，故A、B错误；由于电压与线圈匝
17、数成正比，所以D能实现升压。3如图所示，一理想变压器原、副线圈的匝数比为12，副线圈电路中接有灯泡，灯泡的额定电压为220 V，额定功率为22 W，原线圈电路中接有电压表和电流表。现闭合开关，灯泡正常发光。若用U和I分别表示此时电压表和电流表的读数，则()AU110 V，I0.2 ABU110 V，I0.05 ACU110 V，I0.2 ADU110 V，I0.2 AA交流电压表、电流表测得的是交变电流的有效值，由灯泡正常发光可知，变压器的输出电压为220 V，而变压器的输入电压与输出电压之比等于原、副线圈的匝数比，故变压器的输入电压为110 V，电压表的示数为110 V；又因为变压器的输入功
18、率等于输出功率，因此可知变压器的输入电流为0.2 A，A正确。4(新情境题，以“发电机”为背景，考查理想变压器)如图甲是交流发电机，其发电机的发电原理是矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴OO匀速转动。若一小型发电机的线圈共220匝，线圈面积S0.05 m2，线圈转动的频率为50 Hz，线圈内阻不计，磁场的磁感应强度BT。为了用此发电机所发出的交流电带动两个标有“220 V,11 kW”的电机正常工作，需在发电机的输出端a、b与电机之间接一个理想变压器，电路如图乙所示。甲乙问题：(1)能否计算输出电压有效值？若能，怎样计算。(2)与变压器原线圈串联的交流电流表的示数为多大？解析(1)可以。线圈
19、转动的角速度：2f250 rad/s100 rad/s线圈转动产生的感应电动势最大值为：EmNBS2200.05100 V2 200 V由于线圈内阻不计，则输出电压就等于感应电动势，所以输出电压的有效值为：U12 200 V。(2)根据输入功率等于输出功率得：P入P出111032 W2.2104W再根据P入U1I1解得I110 A。答案(1)见解析(2)10 A回归本节知识，自我完成以下问题：1变压器的构造和工作原理分别是什么？提示：构造：铁芯和线圈；工作原理：互感现象。2试写出理想变压器的电压、电流、功率关系？提示：，(适用于只有一个副线圈的情况)，P输入P输出。3在实验中使用的科学方法是什么？结论是什么？提示：控制变量法；原副线圈的电压之比等于两个线圈的匝数之比，即。