學(xué)案科學(xué)探究：變壓器

11/11科學(xué)探究：變壓器【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1．[物理觀念]知道變壓器的構(gòu)造及幾種常見的變壓器。2．[科學(xué)思維]理解變壓器的工作原理及工作規(guī)律。3．[科學(xué)探究]通過實驗探究變壓器的原、副線圈中電壓與匝數(shù)的關(guān)系。4．[科學(xué)思維]應(yīng)用變壓器電壓與匝數(shù)的關(guān)系求解具體問題。【學(xué)習(xí)重難點】應(yīng)用變壓器電壓與匝數(shù)的關(guān)系求解具體問題?！緦W(xué)習(xí)過程】自主預(yù)習(xí)探新知知識梳理閱讀本節(jié)教材，回答第63頁“問題”并梳理必要知識點。教材P63問題提示：變壓器是一種升高或降低電壓的裝置，因此可以利用變壓器改變電壓。一、變壓器的工作原理1．變壓器的構(gòu)造（1）變壓器：能升高或降低交變電流電壓的裝置稱為變壓器。（2）構(gòu)造：由閉合鐵芯和繞在鐵芯上的兩個或兩個以上的線圈組成，符號如圖所示。①原線圈：與交流電源連接的線圈，也叫初級線圈，符號用n1．②副線圈：與負(fù)載連接的線圈，也叫次級線圈，符號用n2．③輸入電壓：原線圈兩端的電壓，用符號U1表示。④輸出電壓：副線圈兩端的電壓，用符號U2表示。2．原理（1）如圖所示，當(dāng)原線圈兩端加上交變電壓時，就有交變電流通過原線圈，并在鐵芯中產(chǎn)生交變的磁場，鐵芯中的磁通量發(fā)生變化，這個變化的磁通量在副線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。（2）如果變壓器在傳輸電能的過程中損失的能量很小，可以忽略不計，這種變壓器就叫作理想變壓器。二、探究變壓器電壓與線圈匝數(shù)的關(guān)系1．實驗?zāi)康模禾骄孔儔浩麟妷号c線圈匝數(shù)的定量關(guān)系。2．實驗器材：可拆變壓器、低壓交流電源、交流電壓表、帶夾的導(dǎo)線。3．實驗步驟（1）要先估計被測電壓的大致范圍，再選擇恰當(dāng)?shù)牧砍?，若不知道被測電壓的大致范圍，則應(yīng)選擇交流電壓表的最大量程進(jìn)行測量。（2）把兩個線圈穿在鐵芯上，閉合鐵芯。（3）用交流電壓表測量輸入、輸出電壓。（4）改變輸入端電壓，重新測量輸入、輸出端電壓，記錄在設(shè)計好的表格內(nèi)。123456U1U2n1n2（5）改變線圈匝數(shù)，重新測量輸入、輸出端電壓，記錄在上面設(shè)計好的表格內(nèi)。4．注意事項（1）在改變低壓交流電源電壓、線圈匝數(shù)前均要先斷開開關(guān)，再進(jìn)行操作。（2）為了人身安全，低壓交流電源的電壓不能超過12V，不能用手接觸裸露的導(dǎo)線和接線柱。（3）為了多用電表的安全，使用交流電壓擋測電壓時，先用最大量程擋試測，大致確定被測電壓后再選用適當(dāng)?shù)膿跷贿M(jìn)行測量。三、理想變壓器的電壓與線圈匝數(shù)的關(guān)系1．電壓與匝數(shù)的關(guān)系：原、副線圈的電壓之比等于兩個線圈的匝數(shù)之比，即eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)。2．兩類變壓器：副線圈的電壓比原線圈電壓低的變壓器叫降壓變壓器；副線圈的電壓比原線圈電壓高的變壓器叫升壓變壓器?；A(chǔ)自測1．思考判斷（正確的打“√”，錯誤的打“×”）（1）變壓器只能改變交變電流的電壓，不能改變直流電的電壓。 （√）（2）實際生活中，不存在原線圈與副線圈匝數(shù)相等的變壓器。 （√）（3）理想變壓器不僅可以改變交變電流的電壓和電流，還可以改變交變電流的功率和頻率。 （×）（4）理想變壓器是客觀存在的。 （×）（5）eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)適用于任何理想變壓器。 （√）2．（多選）關(guān)于理想變壓器，下面各說法中正確的是（）A．它的輸出功率等于它的輸入功率B．它的輸出功率可以大于它的輸入功率C．原副線圈兩端的電壓與它們的匝數(shù)成正比D．原副線圈的電流與它們的匝數(shù)成正比AC[輸入功率的大小是由輸出功率的大小決定，并且大小相等，故A正確，B錯誤；輸出電壓是由輸入電壓和匝數(shù)比決定的，電壓與匝數(shù)成正比，故C正確；原副線圈的電流與它們的匝數(shù)成反比，故D錯誤。]3．一輸入電壓為220V，輸出電壓為36V的變壓器副線圈燒壞了，為獲知此變壓器原、副線圈匝數(shù)，某同學(xué)拆下燒壞的副線圈，用絕緣導(dǎo)線在鐵芯上新繞了5匝線圈，如圖所示，然后將原來線圈接到220V交流電源上，測得新繞線圈兩端的電壓為1V，按理想變壓器分析，該變壓器燒壞前的原、副線圈匝數(shù)分別為（）A．1100360 B．1100180C．2200180 D．2200360B[對新繞線圈的理想變壓器，根據(jù)變壓比公式得n1＝eq\f(n3U1,U3)＝eq\f(5×220,1)＝1100，同理變壓器燒壞前n2＝eq\f(n1U2,U1)＝eq\f(1100×36,220)＝180，故B正確。]合作探究攻重難考點1理想變壓器的特點及原理情境引入助學(xué)助教在課外，某同學(xué)在進(jìn)行低壓交流變壓器實驗的準(zhǔn)備工作時，發(fā)現(xiàn)缺少電源，于是就用一種摩托車的蓄電池代替，按圖所示進(jìn)行實驗。閉合電鍵后，燈泡是否發(fā)光？解釋出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因。提示：因蓄電池是直流電源，向外輸出恒定電壓，故連接到副線圈上的小燈泡不會發(fā)光。原因是：恒定電壓加在原線圈上后，線圈內(nèi)的磁通量不發(fā)生變化，因而副線圈中的磁通量也不發(fā)生變化，所以E＝nΔΦt＝0.故副線圈中無感應(yīng)電動勢。1．理想變壓器的特點（1）原、副線圈的電阻不計，不產(chǎn)生熱量。（2）變壓器的鐵芯無漏磁，原、副線圈磁通量無差別。（3）變壓器自身的能量損耗不計，原線圈的輸入功率等于副線圈的輸出功率。2．工作原理（1）原線圈上通有交變電流時，鐵芯中產(chǎn)生交變磁場，即在副線圈中產(chǎn)生交變磁通量，從而在副線圈中產(chǎn)生交變電動勢；當(dāng)副線圈接負(fù)載時，副線圈相當(dāng)于交流電源向外界負(fù)載供電。（2）從能量轉(zhuǎn)化角度看，變壓器是把電能轉(zhuǎn)化為磁場能，再將磁場能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，一般地說，經(jīng)過轉(zhuǎn)化后電壓、電流均發(fā)生了變化?！纠?】關(guān)于理想變壓器的工作原理，以下說法正確的是（）A．通有正弦交變電流的原線圈產(chǎn)生的磁通量不變B．穿過原、副線圈的磁通量在任何時候都不相等C．穿過副線圈磁通量的變化使副線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢D．原線圈中的電流通過鐵芯流到了副線圈C[通有正弦交變電流的原線圈產(chǎn)生的磁場是變化的，由于面積S不變，故磁通量Φ變化，故A錯誤；因理想變壓器無漏磁，原、副線圈的磁通量總相等，故B錯誤；由互感現(xiàn)象知C正確；原線圈中的電能轉(zhuǎn)化為磁場能又轉(zhuǎn)化為副線圈的電能，原、副線圈通過磁聯(lián)系在一起，故D錯誤。]易錯警示理想變壓器的四點注意（1）變壓器不能改變直流電壓。（2）變壓器只能改變交變電流的電壓和電流，不能改變交變電流的頻率。（3）理想變壓器本身不消耗能量。（4）理想變壓器基本關(guān)系中的U1、U2、I1、I2均為有效值。eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])1．（多選）理想變壓器的原、副線圈中一定相同的物理量有（）A．交流電的頻率 B．磁通量的變化率C．功率 D．交流電的峰值A(chǔ)BC[理想變壓器沒有漏磁，沒有能量損失，所以原、副線圈中磁通量變化率相同，原、副線圈中功率相同，B、C正確；變壓器能改變交流電的峰值但不改變交流電頻率，A正確，D錯誤。]考點2探究變壓器電壓與線圈匝數(shù)的關(guān)系情境引入助學(xué)助教原線圈通過電流時，鐵芯中產(chǎn)生磁場，由于交變電流的大小和方向都在不斷變化，鐵芯中的磁場也在不斷地變化，變化的磁場在副線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，副線圈中就存在輸出電壓。本實驗中要解決電壓與匝數(shù)的關(guān)系常用什么方法？提示：本實驗通過改變原、副線圈匝數(shù)，探究原、副線圈的電壓與匝數(shù)的關(guān)系。1．?dāng)?shù)據(jù)處理根據(jù)實驗中記錄的數(shù)據(jù)分析完成表格：123456U1U2n1n2U1/U2n1/n22．實驗結(jié)論：在誤差允許的范圍內(nèi)，變壓器線圈兩端的電壓與匝數(shù)成正比，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)。3．誤差分析（1）由于漏磁，通過原、副線圈的每一匝的磁通量不嚴(yán)格相等造成誤差。（2）原、副線圈有電阻，原、副線圈中的焦耳熱損耗，造成誤差。（3）鐵芯中有磁損耗，產(chǎn)生渦流造成誤差?！纠?】在“探究變壓器線圈兩端電壓與匝數(shù)關(guān)系”的實驗中，小型可拆變壓器的原、副線圈匝數(shù)分別為n1＝120匝、n2＝240匝，某實驗小組在原線圈兩端依次加上不同的電壓，用多用電表的交流電壓擋分別測量原、副線圈兩端的電壓，數(shù)據(jù)如表所示。實驗序號原線圈兩端的電壓U1（V）副線圈兩端的電壓U2（V）eq\f(U1,U2)13.98.21∶2.125.911.81∶2.037.815.2（1）實驗小組根據(jù)測得的數(shù)據(jù)在表格中算出U1、U2的比值，還有一組U1、U2的比值沒有算出，把求出的結(jié)果填在表格中。（2）本實驗可得出結(jié)論：變壓器線圈兩端電壓與匝數(shù)關(guān)系為________（用題目中給出的字母表示）。（3）該變壓器是________變壓器（選填“升壓”或“降壓”）。[解析]（1）第三組數(shù)據(jù)為：eq\f(U1,U2)＝eq\f(7.8,15.2)＝eq\f(1,1.9)。（2）線圈匝數(shù)之比eq\f(n1,n2)＝eq\f(120,240)＝eq\f(1,2)，結(jié)合表格中的數(shù)據(jù)知，在誤差允許的范圍內(nèi)線圈兩端電壓與匝數(shù)的關(guān)系是eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)。（3）從表格中的數(shù)據(jù)可知副線圈匝數(shù)多、電壓高，所以該變壓器是升壓變壓器。[答案]（1）1∶1.9（2）eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)（3）升壓eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])2．在“探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數(shù)的關(guān)系”的實驗中，操作步驟如下：①將兩個線圈套到可拆變壓器的鐵芯上；②閉合電源開關(guān)，用多用電表的交流電壓擋分別測量原線圈和副線圈兩端的電壓；③將匝數(shù)較多的一組線圈接到交流電源輸出端上，另一組作為副線圈，接上小燈泡；④將原線圈與副線圈對調(diào)，重復(fù)以上步驟。（1）以上操作的合理順序是________（只填步驟前數(shù)字序號）。（2）如圖所示，在實驗中，兩線圈的匝數(shù)n1＝1600，n2＝400，當(dāng)將n1作為原線圈時，U1＝16V，副線圈兩端電壓U2＝4V；原線圈與副線圈對調(diào)后，當(dāng)U′1＝8V時，U′2＝32V，那么可初步確定，變壓器兩個線圈的電壓U1、U2與線圈匝數(shù)n1、n2的關(guān)系是________。[解析]（1）在“探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數(shù)的關(guān)系”實驗中，首先將兩個線圈套到可拆變壓器的鐵芯上；再將匝數(shù)較多的一組線圈接到交流電源輸出端上，另一組作為副線圈，接上小燈泡；閉合電源開關(guān)，用多用電表的交流電壓擋分別測量原線圈和副線圈兩端的電壓；最后將原線圈與副線圈對調(diào)，重復(fù)以上步驟。故合理的順序是①③②④。（2）兩線圈的匝數(shù)n1＝1600，n2＝400，當(dāng)將n1做原線圈時，U1＝16V，副線圈兩端電壓U2＝4V；當(dāng)原線圈與副線圈對調(diào)后，U′1＝8V時，U′2＝32V，此時U′2為原線圈的電壓，而U′1為副線圈的電壓；由以上數(shù)據(jù)可得eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)。[答案]（1）①③②④（2）eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)考點3理想變壓器的基本關(guān)系應(yīng)用情境引入助學(xué)助教學(xué)生電源（低壓交流12V），可拆變壓器，多用表（交流電壓擋），電路圖如圖所示。對于理想變壓器，只有一組副線圈的情況下，原線圈和副線圈的電流跟它們的匝數(shù)的關(guān)系。提示：eq\f(I1,I2)＝eq\f(n2,n1)。因為P1＝P2，即I1U1＝I2U2，又eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)，所以推導(dǎo)出eq\f(I1,I2)＝eq\f(n2,n1)。1．理想變壓器的變壓（變流）規(guī)律規(guī)律表示依據(jù)備注變壓規(guī)律eq\f(U1,n1)＝eq\f(U2,n2)＝eq\f(U3,n3)…E＝neq\f(ΔΦ,Δt)適于一個原線圈及多個副線圈的情況功率關(guān)系P入＝P出能量守恒適于理想變壓器變流規(guī)律eq\f(I1,I2)＝eq\f(n2,n1)U1I1＝U2I2適于一個原線圈一個副線圈n1I1＝n2I2＋n3I3…U1I1＝U2I2＋U3I3…適于一個原線圈，多個副線圈eq\f(I1,I2)＝eq\f(n2,n1)U1I1＝U2I2適于一個原線圈一個副線圈2．理想變壓器各物理量間的制約關(guān)系（1）輸入電壓決定輸出電壓：由eq\f(U1,n1)＝eq\f(U2,n2)，得U2＝eq\f(n2,n1)U1．當(dāng)U1不變時，U2也不會變，與負(fù)載電阻R多大及是否變化無關(guān)。（2）輸出功率決定輸入功率：對理想變壓器P出＝P入。（3）負(fù)載決定輸出電流：當(dāng)U1一定時，U2也一定，對副線圈有I2＝eq\f(U2,R)，所以當(dāng)R變化時，I2也隨之變化，即R變大，I2變??；R變小，I2變大。（4）輸出電流決定輸入電流：由n1I1＝n2I2得I1＝eq\f(n2,n1)I2，所以當(dāng)I2變化時，I1也隨之變化。即I2變大，I1變大；I2變小，I1也變小。【例3】如圖所示，理想變壓器原、副線圈匝數(shù)比n1∶n2＝2∶1，和均為理想電表，燈泡電阻RL＝6Ω，AB兩端電壓u1＝12eq\r(2)sin100πt（V）。下列說法正確的是（）A．電流頻率為100HzB．的讀數(shù)為24VC．的讀數(shù)為0.5AD．變壓器輸入功率為6WD[根據(jù)u1＝12eq\r(2)sin100πt（V）及U＝eq\f(Um,\r(2))知U1＝12V，f＝eq\f(ω,2π)＝50Hz，選項A錯誤；根據(jù)eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)得U2＝eq\f(n2,n1)U1＝eq\f(1,2)×12V＝6V，即的讀數(shù)為6V，選項B錯誤；又I2＝eq\f(U2,RL)＝eq\f(6,6)A＝1A，即的讀數(shù)為1A，選項C錯誤；根據(jù)P1＝P2及P2＝eq\f(U\o\al(2,2),RL)＝eq\f(62,6)W＝6W，選項D正確。]規(guī)律方法理想變壓器的電壓關(guān)系和電流關(guān)系（1）理想變壓器的電壓關(guān)系對有一個或多個副線圈的情況都成立。（2）電流關(guān)系只適用于有一個副線圈的情況，若有多個副線圈，則電流關(guān)系應(yīng)根據(jù)功率關(guān)系P入＝P出求出。eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])3．如圖所示，理想變壓器原、副線圈匝數(shù)之比為20∶1，原線圈接正弦交流電源，副線圈接入“220V60W”燈泡一只，且燈泡正常發(fā)光，則（）A．電流表的示數(shù)為eq\f(3\r(2),220)AB．電源輸出功率為1200WC．電流表的示數(shù)為eq\f(3,220)AD．原線圈端電壓為11VC[由燈泡正常發(fā)光，可知副線圈電壓為220V，由eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)可知，原線圈電壓U1＝20×220V＝4400V，故D錯；又因輸入功率等于輸出功率，P1＝P2＝60W，故B錯；電流表讀數(shù)為有效值，原線圈中電流I1＝eq\f(P1,U1)＝eq\f(60,4400)A＝eq\f(3,220)A，故A錯，C正確。]課堂小結(jié)我的收獲1．物理觀念：原線圈、副線圈、輸入電壓、輸出電壓等概念。2．科學(xué)思維：變壓器的原、副線圈中電壓與匝數(shù)的關(guān)系的應(yīng)用。3．科學(xué)探究：探究變壓器的原、副線圈中電壓與匝數(shù)的關(guān)系。當(dāng)堂達(dá)標(biāo)固雙基1．如圖所示，理想變壓器原、副線圈匝數(shù)之比n1∶n2＝4∶1，當(dāng)導(dǎo)線在平行導(dǎo)軌上勻速切割磁感線時，電流表A1的示數(shù)是12mA，則副線圈中電流表A2的示數(shù)是（）A．3mA B．48mAC．0 D．與R的阻值有關(guān)C[當(dāng)導(dǎo)線在平行導(dǎo)軌上勻速運(yùn)動時，產(chǎn)生的電流是恒定的電流，不會使副線圈的磁通量變化，因而副線圈中無感應(yīng)電流，選項C正確。]2．如圖所示四個電路，能夠?qū)崿F(xiàn)升壓的是（）D[變壓器只能對交流電變壓，不能對直流電變壓，故A、B錯誤；由于電壓與線圈匝數(shù)成正比，所以D能實現(xiàn)升壓。]3．如圖所示，一理想變壓器原、副線圈的匝數(shù)比為1∶2，副線圈電路中接有燈泡，燈泡的額定電壓為220V，額定功率為22W，原線圈電路中接有電壓表和電流表?，F(xiàn)閉合開關(guān)，燈泡正常發(fā)光。若用U和I分別表示此時電壓表和電流表的讀數(shù)，則（）A．U＝110V，I＝0.2AB．U＝110V，I＝0.05AC．U＝110eq\r(2)V，I＝0.2AD．U＝110eq\r(2)V，I＝0.2eq\r(2)AA