高中物理人教版2第五章交變電流4變壓器 全國一等獎

課題變壓器課型新授課主備人授課人授課班級授課時間2023.教學目標知識與技能：1.了解變壓器的構造及工作原理。2.掌握理想變壓器的電壓、電流與匝數(shù)間關系。3.掌握理想變壓器工作規(guī)律并能運用解決實際問題過程與方法1．通過觀察演示實驗，培養(yǎng)學生物理觀察能力和正確讀數(shù)的習慣。2．從變壓器工作規(guī)律得出過程中培養(yǎng)學生處理實驗數(shù)據(jù)及總結概括能力。3．從理想變壓器概念引入使學生了解物理模型建立的基礎和建立的意義。情感態(tài)度與價值觀1．通過原副線圈的匝數(shù)與繞線線徑關系中體會物理學中的和諧、統(tǒng)一美。2．讓學生充分體會能量守恒定律的普遍性及辯證統(tǒng)一思想。3．培養(yǎng)學生尊重事實，實事求是的科學精神和科學態(tài)度。教學重點變壓器工作原理及工作規(guī)律。教學難點(1)理解副線圈兩端的電壓為交變電壓。(2)推導變壓器原副線圈電流與匝數(shù)關系。(3)掌握公式中各物理量所表示對象的含義教學方法(1)通過演示實驗來研究變壓器工作規(guī)律使學生能在實驗基礎上建立規(guī)律。(2)通過理想化模型建立及理論推導得出通過原副線圈電流與匝數(shù)間的關系。(3)通過運用變壓器工作規(guī)律的公式來解題使學生從實踐中理解公式各物理量的含義教學過程(一)明確目標通過實驗得出變壓器工作規(guī)律并能運用解決實際問題。(二)整體感知這節(jié)內容承上啟下，它是電磁感應知識與交變電流概念的綜合應用，體現(xiàn)出了交變電流的優(yōu)點，為電能輸送奠定了基礎。(三)重點、難點的學習與目標完成過程1．引入新課幻燈打出一組數(shù)據(jù)從以上表格可看到各類用電器額定工作電壓往往不同，可我們國家民用統(tǒng)一供電均為220V，那這些元件是如何正常工作的呢？出示已拆錄音機，指出變壓器。這就靠我們這節(jié)將要學習的變壓器來實現(xiàn)升壓、降壓，從而使我們各類用電器在供電電壓220V以下都能正常工作。出示可拆式變壓器2．講授新課我們先來了解變壓器的構造，請同學觀察實物并回答變壓器由哪些部分組成。變壓器由一個閉合鐵心和兩個繞在鐵心上的線圈組成。閉合鐵心是由極薄彼此絕緣的硅鋼片疊壓而成，(實物呈現(xiàn)，各組由前往后傳)現(xiàn)在我們用符號來表示變壓器。強調線圈必須繞在鐵心其中與電源連接叫原線圈，也叫初級線圈。另一個與負載連接叫副線圈，也叫次級線圈。接下來我們再來研究變壓器的工作原理。原副線圈都是用絕緣導線繞成，原副線圈彼此間沒有直接關系。但閉合鐵芯使原副線圈發(fā)生了聯(lián)系。原線圈輸入交變電壓，則原線圈中就有交變電流，請同學們思考鐵芯閉合與沒有閉合兩種情況的磁感線分布圖。當鐵芯閉合，原線圈產(chǎn)生的磁感線幾乎全部分布在鐵芯內部。當鐵芯不閉合副線圈通過的磁通量減少。由于原線圈中通的是交變電流，因而鐵芯中的磁通量是變化的，這樣副線圈兩端有電壓嗎？為什么[演示]因為通過副線圈的磁通量也發(fā)生變化那副線圈兩端電壓U2變化嗎？為什么？感應電動勢大小與磁通量變化快慢有關，那副線圈的磁通量變化均勻嗎？如果通過線圈的磁通量均勻變化時，線圈中產(chǎn)生的感應電動勢大小不變。副線圈中的磁通量做周期性變化，所以U2為交變電壓?？偨Y如下～U1—～l1—～Φ—～U2從能量角度看，顯然變壓器不能產(chǎn)生電能，它只是通過交變磁場傳輸電能。電能——磁場能——電能變壓器能改變直流電壓嗎？為什么？不能。可能有部分學生難以理解，可分析若為直流情況，鐵芯中有磁感線但鐵芯中的磁通量不變。即通過副線圈的磁通量不變?！郩2＝0[演示]按圖2原線圈接直流電壓10V，則請學生觀察伏特表的讀數(shù)。我們接下來討論副線圈兩端電壓U2與原線圈兩端電壓U1有什么關系？(部分學生可能只認為與副線圈匝數(shù)n2有關)接下來，請大家來看演示實驗。拿出儀器逐個向學生介紹，并連接好電路如下。那如何來設計我們記錄的數(shù)據(jù)表格呢？在學生設計基礎上在黑板上作出表格如下請兩位學生上臺來操作，大家積極參與讀數(shù)，共同完成以上表格。在此過程注意學生讀數(shù)是否準確(估讀問題)，并及時加以糾正。學生完成后，請兩位學生手摸鐵芯。如何處理數(shù)據(jù)？引導學生觀察記錄數(shù)據(jù)，體會可能存在電壓與匝數(shù)成正比。由計算結果能得出什么結論？在實驗誤差范圍內，原副線圈的電壓與原副線圈的匝數(shù)成正比磁感線分布原副線圈完全一致嗎？有一部分磁感線從閉合鐵芯中漏失。使得副線圈磁感線分布疏于原線圈的磁感線分布。[演示]按圖4接好電路，請學生觀察鐵芯閉合時與鐵芯斷開時小電珠的亮度差別。鐵芯不閉合，燈明顯變暗。由上述可知，通過原線圈的電流不變，若副線圈通過的磁通量減少(漏磁)則副線圈兩端的電壓減少。由于漏磁使得能量有損失。同時因為原副線圈的繞線有阻值，當電流流過時也有內能產(chǎn)生，使得電能損失。∴P入＞P輸同時由于通過鐵芯的磁感線反復磁化時也產(chǎn)生焦耳熱(請加以證明)，組成變壓器鐵芯的硅鋼片不是一整塊，而是極薄的一片一片疊壓而成，就是為了減少這部分的內能損失。原副線圈有電阻通過電流時也會產(chǎn)生焦耳熱。所以P入＞P輸．一只變壓器如果磁感線沒有漏失，線圈和鐵芯都不發(fā)熱，那么這只變壓器便是無電能損耗的理想變壓器。在這種情況下，變壓器輸出電功率必然等于輸入電功率。即P入=P出理想化是科學研究中常用的重要方法，其要領是“分清主次，抓住主要矛盾”。建立理想變壓器模型，不僅有理論上的意義，而且為提高實際變壓器效率指出了方向。上臺板演，教師批改，注意規(guī)范問題。解設變壓器原副線圈匝數(shù)分別為n1n2，端電壓為U1U2，通過的電流為I1、I2則：P入＝U1I1P出=U2I2又∵理想變壓器∴P入＝P出∴U1I1＝U2I2變壓器工作時，通過原線圈和副線圈中的電流跟它們的匝數(shù)成反比當原副線圈匝數(shù)一定，原線圈電流隨副線圈電流增大怎么變化呢？我們來看以下演示實驗實驗電路出示幻燈其中n1＝1600匝，n2＝400匝A．請學生觀察隨著K閉合的增加，觀察的變化情況，并思考為什么？幾乎不變。隨著閉合的燈泡增多，副線圈所接的電阻變小，電壓不變，所以電流增大。或者B．將副線圈的匝數(shù)改為200匝，請學生觀察燈的亮度，并說明為什么？C．將原線圈的匝數(shù)改為800匝，請學生觀察燈的亮度，并說明為什么？D．若A1允許通過電流為3安培，則副線圈至多可接幾盞小電珠？E．若A1改為同規(guī)格的小電珠，則當S1、S2、S3、S4均閉合且4只小電珠正常發(fā)光，則由A1所改的小電珠會燒毀嗎？為什么？公式應用必須靈活，結合實際。一定要注意公式中各物理量的含義，不能張冠李戴。U1、U2指原副線圈兩端的電壓，I1、I2指通過原副線圈的電流強度。斷開電源，將變壓器拆下，問剛才是哪個為原線圈，哪個作為副線圈。降壓變壓器，所以：n2＜n1。可如何去判別匝數(shù)的多少？出示原副線圈實物。降壓變壓器由于原副線圈的電阻不為零，所以總有電能損耗P損=I2R，降壓變壓器哪個通過線圈電流大？為什么？P入=P出即U1I1＝U2I2∵U1＞U1∴I1＜I2副線圈的通過的電流大，則為了減少電能的損耗，所以必須減少線徑相對小些(經(jīng)濟，重量)。這樣高壓線圈匝數(shù)多，線徑小，低壓線圈電流大，匝數(shù)少，線徑大。將變壓器原副線圈非常和諧地繞在鐵芯上，非常美觀。反之則不符合物理規(guī)律，也不美觀?！净A知識精講】課文全解一、變壓器1．定義：用來改變交流電壓的設備，稱為變壓器．說明：變壓器不僅能改變交變電流的電壓，也能改變交變電流的電流，但是不能改變恒定電流．2．構造：變壓器由一個閉合鐵芯（是由涂有絕緣漆的硅鋼片疊合而成的）和兩個線圈（用絕緣導線繞制）組成的．原線圈：和交流電源相連接的線圈（匝數(shù)為n1）．副線圈：和負載相連接的線圈（匝數(shù)為n2）．許多情況副線圈不只一個．二、理想變壓器1．理想變壓器是一種理想模型．理想變壓器是實際變壓器的近似．理想變壓器有三個特點：（1）鐵芯封閉性好，無漏磁現(xiàn)象，即穿過原、副線圈兩繞組每匝的磁通量Φ都一樣．每匝線圈中所產(chǎn)生感應電動勢相等．（2）線圈繞組的電阻不計，無能損現(xiàn)象．（3）鐵芯中的電流不計，鐵芯不發(fā)熱，無能損現(xiàn)象．說明：大型變壓器能量損失都很小，可看作理想變壓器，本章研究的變壓器可當作理想變壓器處理．2．理想變壓器的變壓原理變壓器工作的原理是互感現(xiàn)象，互感現(xiàn)象即是變壓器變壓的成因．當變壓器原線圈上加上交變電壓，原線圈中就有交變電流，它在鐵芯中產(chǎn)生交變的磁通量，這個交變磁通量既穿過原線圈，也穿過副線圈，在原、副線圈中都要引起感應電動勢．如果副線圈電路是閉合的，在副線圈中就產(chǎn)生交變電流，它也在鐵芯中產(chǎn)生交變磁通量．這個交變磁通量既穿過副線圈，也穿過原線圈，在原、副線圈中同樣要引起感應電動勢．在原、副線圈中由于有交變電流而發(fā)生的互相感應現(xiàn)象，叫做互感現(xiàn)象．在變壓器工作時，由于原、副線圈使用同一個鐵芯，因而穿過原、副線圈（每匝）的磁通量Φ及磁通量的變化率均相同，在原、副線圈產(chǎn)生的感應電動勢與它們的匝數(shù)成正比．3．能量轉換：變壓器是把電能轉化為磁場能又把磁場能轉化為電能的裝置．4．理想變壓器的基本關系（1）輸出功率等于輸入功率P出＝P入，U1I1＝U2I2．（2）原副線圈兩端的電壓跟匝數(shù)成正比，．（3）原副線圈中的電流跟匝數(shù)成反比（僅限一個副線圈），．（4）原副線圈的交變電流的周期T和頻率f相同．5．理想變壓器的三個決定關系（1）理想變壓器輸出功率決定輸入功率．當副線圈空載時，變壓器的輸出功率為零，輸入功率也為零，并且輸入功率隨著負載的變化而變化．若同時有多組副線圈工作，則U1I1＝U2I2＋U3I3＋…＋UnIn成立．（2）理想變壓器副線圈兩端電壓由原線圈兩端電壓和匝數(shù)比所決定．無論副線圈是否有負載，是單組還是多組，每組副線圈兩端電壓與原線圈兩端電壓都滿足＝…．（3）理想變壓器副線圈中的電流決定原線圈中的電流．原線圈中的電流隨副線圈中電流的增大而增大，當有幾組副線圈時，原、副線圈中的電流關系為n1I1＝n2I2＋n3I3＋…，其中n2、n3…為工作的副線圈的匝數(shù)．說明：（1）理想變壓器工作時，若增加負載，相當于負載電阻減小，從而副線圈中的電流增大，此時原線圈中電流也增大；若減少負載，相當于負載電阻增大，從而副線圈中的電流減小，此時原線圈中的電流減??；若副線圈空載時，副線圈中的電流為零，那么原線圈中的電流也為零．（2）原副線圈如果分別采用雙線繞制，使原副線圈都是由兩個線圈組合而成，當電流通過時，要根據(jù)在線圈中形成的磁通量方向確定其等效匝數(shù)．（3）接在原、副線圈回路中的電表均視為理想電表，其內阻的影響忽略不計．三、幾種常用的變壓器1．自耦變壓器（1）自耦變壓器的示意圖如圖17－4－2所示．圖17－4－2（2）特點：鐵芯上只繞有一個線圈．（3）用途：可升高電壓，也可降低電壓．如果把整個線圈作原線圈，副線圈只取線圈的一部分，就可以降低電壓（圖17－4－2甲）；如果把線圈的一部分作原線圈，整個線圈作副線圈，就可以升高電壓（圖17－4－2乙）．2．調壓變壓器（1）構造：線圈AB繞在一個圓環(huán)形的鐵芯上，如圖17－4－3所示．圖17－4－3（2）變壓方法：AB之間加上輸入電壓U1，移動滑動觸頭P的位置就可以調節(jié)輸出電壓U2．3．互感器（1）用途：把高電壓變成低電壓，或把大電流變成小電流．（2）分類：①電壓互感器如圖17－4－4所示，用來把高電壓變成低電壓．它的原線圈并聯(lián)在高壓電路中，副線圈上接入交流電壓表．根據(jù)電壓表測得的電壓U2和銘牌上注明的變壓比（U1/U2），可以算出高壓電路中的電壓．為了工作安全，電壓互感器的鐵殼和副線圈應該接地．圖17－4－4圖17－4－5②電流互感器如圖17－4－5所示，用來把大電流變成小電流．它的原線圈串聯(lián)在被測電路中，副線圈上接入交流電流表．根據(jù)電流表測得的電流I2和銘牌上注明的變流比（I1/I2）可以算出被測電路中的電流．如果被測電路是高壓電路，為了工作安全，同樣要把電流互感器的外殼和副線圈接地．問題全解問題1：變壓比、變流比公式的適用范圍．理想變壓器各線圈兩端電壓與匝數(shù)成正比的關系式，不僅適用于原、副線圈只有一個的情況．而且適用于有多個副線圈的情況．這是因為理想變壓器的磁通量是全部集中在鐵芯內的，因此穿過每組線圈的磁通量的變化率是相同的，因而每組線圈中產(chǎn)生的電動勢和匝數(shù)成正比．在線圈內阻不計的情況下，線圈兩端的電壓就等于線圈中產(chǎn)生的電動勢，故每組線圈兩端電壓都與匝數(shù)成正比．可見公式是普遍適用的關系式，既適用于原、副線圈間電壓的計算．也適用于任意的兩個副線圈間電壓的計算，但理想變壓器原、副線圈中電流與匝數(shù)成反比的關系式只適用于原、副線圈各有一個的情況，一旦有兩個或多個副線圈時，該關系式便不適用．這種情況下，可應用理想變壓器輸入功率和輸出功率相等的關系列出關系式U1I1＝U2I2＋U3I3＋…＋UnIn來確定電流間的關系．問題2：變壓器能否改變直流電壓？變壓器是利用電磁感應原理來改變電壓的裝置．要產(chǎn)生感應電動勢，必有磁通量發(fā)生變化．當原線圈加上交流電時，原線圈產(chǎn)生的交變的磁通量通過副線圈時就產(chǎn)生感應電動勢；若原線圈中通以恒定電流，則在鐵芯中產(chǎn)生恒定的磁通量，副線圈中雖有磁通量通過，但磁通量不變化，因此副線圈中不能產(chǎn)生感應電動勢，當然就不能變壓了．但是，若在原線圈中通以方向不變而大小變化的脈沖電流，同樣也可以達到變壓的目的．汽車、摩托車就是內設一個特殊開關，產(chǎn)生脈沖電流送入變壓器中，獲得高電壓來提供汽油機的點火電壓的．問題3：變壓器與滑動變阻器變壓的不同．變壓器的工作原理是電磁感應，一般應接交流，能使交流電壓升高或降低．滑動變阻器工作原理是串聯(lián)電阻分壓，可接交流或直流，但只能使電壓降低．問題4：原、副線圈用粗細不同導線繞制的原因．變壓器由兩個線圈組成：一個為原線圈，另一個為副線圈．這兩個線圈的電壓不同．作為高壓線圈的匝數(shù)多、通過的電流小，根據(jù)焦耳定律和節(jié)材原則，應用較細的導線繞制；作為低壓線圈的匝數(shù)少、通過的電流大，根據(jù)焦耳定律和節(jié)能原則，應當用較粗的導線繞制．因此，我們打開變壓器時看到兩個線圈粗細不同，用粗導線繞制的線圈為低壓線圈，用細導線繞制的線圈為高壓線圈．問題5：變壓器能否改變交流電的頻率？對變壓器，當加在原線圈上的交變電壓發(fā)生一個周期變化時，原線圈中的交變電流就發(fā)生一個周期變化，鐵芯中產(chǎn)生的交變磁通量也發(fā)生一個周期變化，副線圈中產(chǎn)生的交變電動勢（電壓）也發(fā)生一個周期變化，因此，變壓器只能改變交流電的電壓及電流，不能改變交流電的頻率．問題6：變壓器是否一定能改變交流電的電壓？變壓器要工作，必須穿過副線圈的磁通量發(fā)生變化．如果穿過副線圈的磁通量不變，則變壓器不能工作（變壓）．如圖17－4－6所示，原線圈導線采用“雙線繞法”．（1）若b、d相接，a、c作為電壓輸入端，兩線圈中形成的磁通量任何時刻方向相反，若彼此作用互相抵消，穿過的磁通量為零，沒有電磁感應現(xiàn)象，此時，“交流不變壓”．（2）b、c相接，a、b作為輸入端，兩線圈中形成的磁通量方向相同，作用相互加強，此時兩線圈的效果相當于一個匝數(shù)為兩線圈匝數(shù)之和的單個線圈，能變壓．（3）若a、c相接，b、d相接后分別接上交流電源，相當于兩匝數(shù)相等（僅討論此情況）的線圈并聯(lián)，電壓跟匝數(shù)的關系與單個線圈相同（對副線圈同理可討論）．圖17－4－6綜上分析：變壓器不一定都能改變交流電的電壓．

【學習方法指導】［例1］（1998年全國）一理想變壓器，原線圈匝數(shù)n1＝1100，接在電壓為220V的交流電源上，當它對11只并聯(lián)的“36V，60W”燈泡供電時，燈泡正常發(fā)光，由此可知該變壓器副線圈的匝數(shù)n2＝________，通過原線圈的電流I1＝________A．解題方法：公式法變壓器的規(guī)律用公式表示為:①變壓比公式:（對幾個副線圈的情況也成立）；②變流比公式:（只適用于原、副線圈各一個的情況）．對多個副線圈的情況，利用理想變壓器輸入功率和輸出功率相等的關系列關系式．解析:因為11只并聯(lián)的“36V，60W”燈泡正常發(fā)光，所以副線圈輸出的電壓必為36V．由U1/U2＝n1/n2，得n2＝n1＝匝＝180匝．每只燈泡正常發(fā)光時的電流由P2′＝I2′U2′得I2′＝P2′/U2′＝A＝A副線圈中的電流I2＝11×I2′＝A因I1/I2＝n2/n1，故I1＝A＝3A點評：解本題用到的知識，就是理想變壓器的電壓比和電流比這兩個基本公式．只要是處理變壓器的問題一般都離不開這兩個公式，除此之外，還常用“P入＝P出”這一關系．本題的原線圈電流也可用“P入＝P出”求解．本題的輸出功率P出＝11×60W＝660W，P入＝I1U1＝I1220，故I1＝A＝3A．［例2］如圖17－4－7所示，理想變壓器原副線圈的匝數(shù)比為1∶2，電源電壓為220V，A是額定電流為I0＝1A的保險絲，R為可調電阻，為不使原線圈中電流超過I1，R的阻值最低不小于多少歐?圖17－4－7解題方法：公式法．解析:由于保險絲的額定電流為I0＝1A，所以原線圈中允許輸入的最大電流I1＝I0＝1A（有效值），則變壓器的最大輸入功率為P1＝U1I1＝220×1W＝220W由，得電阻R兩端電壓為U2＝×220V＝440V由于P入＝P出，則變壓器最大輸出功率P2＝P1＝220W由P2＝，知P2最大時，R最小，則R的最小值為R＝Ω＝880Ω點評:保險絲熔斷屬于電流的熱效應，額定電流I0為有效值．【知識拓展】遷移［例3］（1997年全國）如圖17－4－8所示的甲、乙兩電路中，當a、b兩端與e、f兩端分別加上220V的交流電壓時，測得c、d間與g、h間的電壓均為110V．若分別在c、d兩端及g、h兩端加上110V的交流電壓，則a、b間及e、f間的電壓分別為圖17－4－8A．220V、220VB．220V、110VC．110V、110VD．220V、0V解析:當a、b間接220V電壓時，c、d間電壓為110V，說明c、d間線圈的匝數(shù)為原線圈匝數(shù)的一半；反過來當c、d間接110V電壓時，a、b間電壓應為220V．當e、f間接220V電壓時，g、h間電壓為110V，說明g、h間電阻為e、f間電阻的一半；當g、h間接110V電壓時，e、g間沒有電流，e、g間電壓為零，所以e、f間電壓與g、h間電壓相等，均為110V．點評:變壓器既可升壓，也可降壓，但滑動變阻器變壓時，只能降壓，不能升壓．求解此題常見的錯誤是不少人受變壓器變壓的影響，認為g、h間接110V電壓時，e、f間電壓也為220V而錯選A．這是沒有搞清楚變壓器變壓與變阻器分壓的區(qū)別所致．［例4］汽車等交通工具中用電火花點燃汽油混合氣，如圖17－4－9所示．已知汽車蓄電池電壓為12V，變壓器匝數(shù)之比為1∶100，當開關S閉合后，火花塞上電壓為多少？當開關S從閉合到突然斷開，可為火花塞提供瞬時高電壓，產(chǎn)生電火花．蓄電池提供的是直流電，為什么變壓器的副線圈也能得到高電壓呢？圖17－4－9解析：當開關S閉合后，變壓器的原線圈中是恒定電流，鐵芯中的磁通量不變，副線圈中沒有感應電動勢，火花塞上電壓為零．當開關從閉合到突然斷開，鐵芯中磁通量突然變小，在副線圈會產(chǎn)生一個瞬時高電壓（脈沖高電壓可達104V左右），使火花塞產(chǎn)生電火花．點評：（1）解題中很容易出現(xiàn)套用電壓公式求出U2＝1200V的錯誤結果．排除失誤方法：掌握變壓器的工作原理，副線圈中沒有磁通量變化，不能產(chǎn)生感應電動勢．（2）當開關突然打開時，副線圈中磁通量突然變?yōu)榱悖う?Δt很大，可產(chǎn)生高電壓，與原線圈上電壓是交流還是直流無關．發(fā)散在變壓器問題中，副線圈上一般都有負載接入，要注意負載變化對電路的影響．如果說負載增大，要知道是指負載的電阻變大；如果說負載增多，因各負載在副線圈上一般為并聯(lián)接入，并聯(lián)負載越多，總電阻越小，故提到負載增多時，要知道是副線圈上所接的總電阻變?。就竭_綱訓練】1．在正常工作的理想變壓器的原副線圈中，數(shù)值上不一定相等的物理量為A．交流電的頻率B．端電壓的最大值C．電流的有效值D．電功率2．對于理想變壓器