1、第第 3 3 节节 科学探究：变压器科学探究：变压器 核 心 素 养 物理观念 科学思维 科学探究 1.了解变压器的构 造。 2.理解变压器的工作 原理。 3.理解理想变压器的 原、副线圈中电压、 电流与匝数的关系。 4.理解理想变压器原 线圈的输入功率与副 线圈的输出功率的关 系。 能用理想变 压器模型分 析升压降压 的问题；能 通过控制变 量法分析线 圈匝数与电 压的关系。 能分析物理现象，能提出并准确表述可探 究的物理问题，能作出有依据的假设；能 根据实验目的和实验器材设计实验方案， 能根据电路图设计实验步骤，用相关实验 器材获得数据，能主动注意安全；能分析 数据，形成与实验目的相关的结
2、论，作出 解释；能撰写规范的实验报告，在报告中 能呈现设计的实验方案、实验步骤、实验 表格，以及数据分析过程和实验结论。能 根据实验中的问题提出改进措施。注意提 升实验操作能力、分析论证能力，有主动 注意安全的行为。 知识点 变压器 观图助学 生活用电进入家庭之前，需要经过变压器将电压变为可用的 220 伏的电压，电动 车充电器也是变压器，为电动车充电时，充电器将 220 伏的电压变为 50 多伏的 充电电压，你知道变压器的内部结构和工作原理吗？ 1变压器的工作原理 (1)定义：变压器是升高或降低交变电流电压的装置。 (2)变压器的结构 如图甲所示， 变压器由闭合的铁芯和绕在铁芯上的两个或两个
3、以上的线圈组成， 其中闭合铁芯由表面涂有绝缘漆的硅钢片叠合而成， 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。 原线圈：与电源相连的线圈，也叫初级线圈，其两端电压称为输入电压，用符 号 U1表示。 副线圈：与负载相连的线圈，也叫次级线圈，其两端电压称为输出电压，用符号 U2表示。 (3)工作原理： 当原线圈两端加上交变电压 U1时， 原线圈中就有交变电流 I1通过， 并在铁芯中产生交变的磁场，铁芯中的磁通量就发生变化。由于副线圈也绕在同 一铁芯上，铁芯中磁通量的变化便会在副线圈上产生感应电动势。 (4)理想变压器 闭合铁芯的“漏磁”忽略不计。 变压器线圈的电阻忽略不计。
4、闭合铁芯中产生的涡流忽略不计。 即没有能量损失的变压器叫作理想变压器。 2理想变压器的电压与匝数的关系 U1 U2 n1 n2 (1)当 n2n1时，U2U1为升压变压器 (2)当 n2n1时，U2U1为降压变压器 3理想变压器的电流与匝数的关系 对于理想变压器， 输入功率等于输出功率， 即 U1I1U2I2， 由U1 U2 n1 n2， 可得 I1 I2 n2 n1。 思考判断 (1)变压器能改变所有电流的电压。() (2)理想变压器无能量损失，其输入功率与输出功率相等。() (3)只有一个副线圈的理想变压器一定有U1 U2 n1 n2； n1 n2 I2 I1。() (4)理想变压器原副线
5、圈的磁通量变化率相等。(), 变压器可分为升压变压器和降压变压器两种。 变压器示意图 原、副线圈是两个回路，能量通过磁场由原线圈传到副线圈。 若铁芯的“漏磁”忽略，则原副线圈的磁通量总是相同。 U1n1 t ，U2n2 t 。 核心要点 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 可拆变压器、低压交流电源、交流电压表、带夹的导线。 3实验原理 当交流电压接入原线圈时， 它所产生的交变的磁场就会在副线圈中产生感应电动 势。 4实验步骤 (1)按如图所示连接好电路图，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，读出电
6、压值，并记录在表格中。 (3)保持匝数不变多次改变输入电压，记录下每次的两个电压值。 (4)保持电压、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。 5数据记录与处理 次序 n1(匝) n2(匝) n1n2 U1(V) U2(V) U1U2 1 2 3 4 6.结论：在误差允许范围内，原、副线圈的电压比与原、副线圈的匝数比相等。 7注意事项 (1)在改变学生电源电压、线圈匝数前均要先断开开关，再进行操作。 (2)为了人身安全学生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)为了多用电表的安全，使用交流电压挡测电压时，先用最大量程挡试测
7、，大 致确定被测电压后再选用适当的挡位进行测量。 经典示例 例 1 某同学选用匝数可调的可拆变压器来做“探究变压器线圈两端的电压与 匝数的关系”实验，变压器原线圈两端所接的电源应是电压为 12 V 的低压 _(选填“交流电源”或“直流电源”)。先保持原线圈的匝数不变，增 加副线圈的匝数，观察到副线圈两端的电压_；然后再保持副线圈的匝 数不变，增加原线圈的匝数，观察到副线圈两端的电压_(选填“增 大”“减小”或“不变”)。上述探究副线圈两端的电压与匝数的关系中采用的 实验方法是_(选填“控制变量法”“转换法”或“类比法”)。 解析 变压器不能改变直流电的电压，故电源应为低压交流电源；由U1 U2
8、 n1 n2知， 若原线圈的匝数不变，增加副线圈的匝数 n2，则副线圈两端的电压增大，若 n2 不变，n1增大，则 U2减小。上述实验采用的方法是控制变量法。 答案 交流电源 增大 减小 控制变量法 针对训练 1 有一个教学用的可拆变压器，如图甲所示。它有两个外观基本相 同的线圈 A、B，线圈外部还可以绕线。 (1)某同学用一多用电表的同一欧姆挡先后测量了 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_线圈的匝数较多(选填“A”或“B”)。 (2)该实验中输入端所接电源最适合的是 ( ) A220 V 交流电源 B12 V 以内低压直流电源 C36 V 安全电压
9、D12 V 以内低压交流电源 解析 (1)匝数多的导线横截面积小，长度大，故电阻大，A 线圈电阻大，故 A 线圈匝数较多。 (2)为保证学生安全，应用低压 12 V 交流电源。 答案 (1)A (2)D 核心要点 变压器的工作原理及规律 问题探究 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，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)若将原线圈接在恒定的直流电源上，小灯泡会发光吗？为什么？ 答案 (1)当左边线圈加上交流电压时，左边线圈中就有交变电
10、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，在右线圈中会产生感应电 动势，右线圈作为电源给小灯泡供电，小灯泡就会发光。 (2)不发光，因为无法在副线圈中产生感应电动势。 探究归纳 1变压器能改变交变电压、交变电流，但不能改变交变电流的频率，也不能改 变恒定电压、恒定电流。 2理想变压器的三种基本关系 规律表示 依据 备注 电压关系 U1 n1 U2 n2 U3 n3 En t 适用于一个原线圈、 一个或多个副线圈的 情况 功率关系 P入P出 能量守恒 适用于理想变压器 电流 关系 I1 I2 n2 n1 U1I1U2I2 适用于一个原线圈、 一个副线圈 n1I1n2I2n3
11、I3 U1I1U2I2U3I3 适用于一个原线圈、 多个副线圈 经典示例 例 2 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得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 解析 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，A 错误；因理想变压器无漏磁，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，磁场能又转化为电能，原、副线圈通过磁场 联系在一起，故 D 错误。 答案 C 例 3 如图所示，理想变压器
12、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 u112 2sin 100t V。下列说法正确的 是( ) A电流频率为 100 Hz B.的读数为 24 V C.的读数为 0.5 A D变压器输入功率为 6 W 解析 根据 u112 2sin 100t V 及 UUm 2知 U112 V，f 250 Hz，选项 A 错误； 根据U1 U2 n1 n2得 U2 n2 n1U1 1 212 V6 V， 即 的读数为 6 V， 选项 B 错误； 又 I2U2 RL 6 6 A1 A， 即 的读数为 1 A， 选项 C 错误； 根据 P入P出及 P出U 2 2
13、RL 6 2 6 W6 W，选项 D 正确。 答案 D 针对训练 2 某理想变压器原、副线圈匝数比为 559，原线圈所接电源电压的 变化规律如图所示，副线圈接有负载。下列判断中正确的是( ) A输出电压的最大值为 36 V B原、副线圈中电流之比为 559 C变压器输入、输出功率之比为 559 D交流电源电压有效值为 220 V，频率为 50 Hz 解析 输出电压的有效值 U2n2 n1U136 V， 故输出电压的最大值 U2max36 2 V， 所以选项 A 错误；由于I1 I2 n2 n1 9 55，所以选项 B 错误；变压器输入、输出功率相 等，故选项 C 错误；由题图可知，选项 D 正
14、确。 答案 D 核心要点 理想变压器电路的动态分析 问题探究 如图所示，将原线圈接到电压有效值不变的正弦交流电源上，副线圈连接相同的 灯泡 L1、 L2， 电路中分别接了理想交流电压表、和理想交流电流表、， 导线电阻不计。 (1)当开关 S 闭合后，电压表的示数如何变化？ (2)当开关 S 闭合后，电流表的示数如何变化？ 答案 (1)电压表的示数不变 (2)电流表的示数增大 探究归纳 理想变压器工作时的制约关系 电压 制约 当变压器原、副线圈的匝数比n1 n2一定时，输入电压 U1 决定输出电压 U2，即 U2n2U1 n1 电流制约 当变压器原、 副线圈的匝数比n1 n2一定时， 输出电流
15、I2 决定输入电流 I1， 即 I1n2I2 n1 功率制约 输出功率 P2决定输入功率 P1，P2增大，则 P1增大；P2减小，则 P1 减小；P2为 0，则 P1为 0 经典示例 例 4 (多选)如图所示，理想变压器的原线圈连接一只理想交流电流表，副线圈 匝数可以通过滑动触头 Q 来调节，在副线圈两端连接了定值电阻 R0和滑动变阻 器 R，P 为滑动变阻器的滑动触头。在原线圈上加一电压为 U 的正弦交流电，则 ( ) A保持 Q 的位置不动， 将 P 向上滑动时，电流表读数变大 B保持 Q 的位置不动，将 P 向上滑动时，电流表读数变小 C保持 P 的位置不动，将 Q 向上滑动时，电流表读
16、数变大 D保持 P 的位置不动，将 Q 向上滑动时，电流表读数变小 解析 保持 Q 的位置不动，则副线圈的输出电压不变，当 P 向上滑动时，副线 圈电路中的总电阻变大，副线圈中的电流减小，根据变流比可知，原线圈中的电 流减小，因此电流表的读数变小，A 项错误，B 项正确；保持 P 的位置不动，副 线圈电路中的总电阻不变，当 Q 向上滑动时，副线圈的匝数增多，由变压比可 知，副线圈的输出电压增大，副线圈中的电流增大，由变流比可知，原线圈中的 电流增大，电流表读数变大，C 项正确，D 项错误。 答案 BC 规律总结 理想变压器动态变化的两种情况 (1)原、副线圈的匝数比不变，分析各物理量随负载电阻
17、的变化而变化的情况， 进行动态分析的顺序是 RI2P2P1I1。 (2)负载电阻不变，分析各物理量随原、副线圈的匝数比的变化而变化的情况， 进行动态分析的顺序是 n1、n2U2I2P2P1I1。 针对训练 3 如图所示，理想变压器原线圈接在交流电源上，图中各电表均为理 想电表。下列说法正确的是( ) A当滑动变阻器的滑动触头 P 向上滑动时，R1消耗的功率变大 B当滑动变阻器的滑动触头 P 向上滑动时，电压表示数变大 C当滑动变阻器的滑动触头 P 向上滑动时，电流表示数变大 D若闭合开关 S，则电流表示数变大，示数变大 解析 当滑动变阻器的滑动触头 P 向上滑动时，接入电路的阻值变大，变压器
18、副线圈两端电压不变，副线圈中的电流减小，则 R1消耗的功率及其两端电压均 变小，故电压表的示数变大，选项 A 错误，B 正确；当滑动变阻器的滑动触头 P 向上滑动时，副线圈中的电流减小，则原线圈中的电流也减小，电流表示数变 小，选项 C 错误；若闭合开关 S，副线圈电路中总电阻减小，副线圈中的电流变 大，R1两端电压变大，R2两端电压减小，电流表示数减小；原线圈中的电流 变大，电流表示数变大，选项 D 错误。 答案 B 核心要点 几种常见的变压器 要点归纳 1自耦变压器 图甲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
19、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。 调压变压器就是一种自耦变压器，它的构造如图乙所示。线圈 AB 绕在一个圆环 形的铁芯上，AB 之间加上输入电压 U1，移动滑动触头 P 的位置就可以调节输出 电压 U2。 2互感器 (1)电压互感器：如图甲所示，原线圈并联在高压电路中，副线圈接电压表。互 感器将高电压变为低电压，通过电压表测低电压，结合匝数比可计算出高压电路 的电压。 (2)电流互感器：如图乙所示，原线圈串联在待测大电流电路中，副线圈接电流 表。互感器将大电流变成小电流，通过电流表测出小电流，结合匝数比可计算出 大电流电路的电流。 经典示例 例 5
20、在变电所，经常要用交流电表去监测电网上的强电流，使用的仪器是电流 互感器。如图所示的四个图中，能正确反映其工作原理的是( ) 解析 电流互感器是测电流的，应串联在火线上，故 B、D 错误；由变压器电流 关系 n1I1n2I2，要使 I2n1，故选项 A 正确。 答案 A 规律总结 互感器的区分技巧 (1)电压互感器是降压变压器，据U1 U2 n1 n2，知 n1n2。 电流互感器是升压变压器，据I1 I2 n2 n1，知 n1n2。 (2)区分电压互感器与电流互感器的三个标志 测量仪器不同，前者电压表后者电流表。 原副线圈匝数关系不同。 原线圈接线方式不同，前者接在火线和零线间，后者接在火线上
21、。 针对训练 4 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 压器线圈总匝数为 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( ) A380 V 和 5.3 A B380 V 和 9.1 A C240 V 和 5.3 A D240 V 和 9.1 A 解析 对于理想变压器， 原、 副线圈功率相同，
22、故通过原线圈的电流I1 P U1 2 000 220 A9.1 A，负载两端电压即为副线圈电压，由U1 n1 U2 n2，即 220 V 1 100 U2 1 900，可得 U2380 V，故选项 B 正确。 答案 B 1(变压器的工作原理)一个正常工作的理想变压器的原、副线圈中，下列物理 量不一定相等的是( ) A交流的频率 B电流的有效值 C电功率 D磁通量的变化率 解析 变压器可以改变原、副线圈中的电流，因此原、副线圈中的电流不一定有 相同的有效值；由于穿过原线圈的磁通量全部穿过副线圈，因而原、副线圈的磁 通量变化率一定相同；变压器的工作基础是互感现象，副线圈中感应的交流频率 与原线圈中
23、交流频率一定是相同的；理想变压器中 P入P出，故选项 B 正确。 答案 B 2(变压器的构造及工作原理)如图所示是“探究变压器两个线圈的电压关系” 的实验装置，下列说法正确的是( ) A与灯泡连接的线圈叫原线圈 B测量变压器输出电压要用直流电压表 C若只增加副线圈的匝数，变压器的输出电压变大 D若只增加副线圈的匝数，变压器的输出电压变小 解析 与电源相连的线圈叫原线圈，A 错误；测量变压器输出电压要用交流电压 表，B 错误；由U1 U2 n1 n2可知，U1 不变，增加 n2，则 U2增大，故 C 正确，D 错误。 答案 C 3 (理想变压器基本关系的应用) (多选)如图所示， 将额定电压为
24、60 V 的用电器， 通过一理想变压器接在正弦交变电源上。闭合开关 S 后，用电器正常工作，交流 电压表和交流电流表(均为理想电表)的示数分别为 220 V 和 2.2 A。 以下判断正确 的是( ) A变压器输入功率为 484 W B通过原线圈的电流的有效值为 0.6 A C通过副线圈的电流的最大值为 2.2 A D变压器原、副线圈匝数比 n1n2113 解析 变压器的输入功率等于输出功率 P1P2I2U22.260 W132 W， 选项 A 错误； 由U1 U2 n1 n2得 n1 n2 U1 U2 220 60 11 3 ， 选项 D 正确； 由I1 I2 n2 n1得 I1 n2 n1
25、I2 3 112.2 A0.6 A， 选项 B 正确； 根据 I Im 2得通过副线圈的电流的最大值 I2m 2I2 11 5 2 A3.1 A，选项 C 错误。 答案 BD 4 (理想变压器的动态分析)如图所示， 理想变压器原线圈输入电压 uUmsin t， 副线圈电路中 R0为定值电阻，R 是滑动变阻器。和是理想交流电压表，示 数分别用 U1和 U2表示；和是理想交流电流表，示数分别用 I1和 I2表示。 下列说法正确的是( ) AI1和 I2表示电流的平均值 BU1和 U2表示电压的最大值 C滑片 P 向下滑动过程中，U2不变、I1变大 D滑片 P 向下滑动过程中，U2变小、I2变大 解
26、析 电路中的电压表和电流表表示的都是有效值，选项 A、B 错误；根据U1 U2 n1 n2得 U2 n2 n1U1，U1 不变，则 U2不变，滑片 P 向下滑动过程中，滑动变阻器接入 电路中的电阻变小，由闭合电路欧姆定律知 I2变大，根据I1 I2 n2 n1得 I1 n2 n1I2，I1 变 大，故 C 正确，D 错误。 答案 C 5(自耦变压器)一自耦变压器如图所示，环形铁芯上只绕有一个线圈，将其接 在 a、b 间作为原线圈。通过滑动触头取该线圈的一部分，接在 c、d 间作为副线 圈，在 a、b 间输入电压为 U1的交变电流时，c、d 间的输出电压为 U2，在将滑 动触头从 M 点顺时针转到 N 点的过程中( ) AU2U1，U2降低 BU2U1，U2升高 CU2U1，U2降低 DU2U1，U2升高 解析 由U1 U2 n1 n2，n1n2 知 U2U1；滑动触头从 M 点顺时针旋转至 N 点过程， n2减小，则 U2降低，选项 C 正确。 答案 C