【同步】高中物理魯科版(2019)選擇性必修2：第3章第3節(jié)科學探究變壓器課件

第3章第3節(jié)科學探究:變壓器學習目標1.了解變壓器的構造及幾種常見的變壓器。理解變壓器的工作原理及工作規(guī)律。(物理觀念)2.通過實驗探究理想變壓器的原、副線圈中電壓與匝數(shù)、電流與匝數(shù)的關系。(科學探究)3.理解理想變壓器的原、副線圈中電壓、電流與匝數(shù)的關系。(科學思維)4.理解理想變壓器原線圈的輸入功率與副線圈的輸出功率的關系。(科學思維)思維導圖基礎落實·必備知識全過關重難探究·能力素養(yǎng)全提升目錄索引

學以致用·隨堂檢測全達標基礎落實·必備知識全過關一、變壓器的工作原理

互感現(xiàn)象1.構造:由

和繞在鐵芯上的兩個或兩個以上的線圈組成,如圖所示。

(1)原線圈:與

相連的線圈,也叫

。

(2)副線圈:與

相連的線圈,也叫

。

閉合的鐵芯

電源初級線圈負載次級線圈2.原理:

現(xiàn)象是變壓器工作的基礎。原線圈中電流的大小、方向不斷變化,在鐵芯中激發(fā)的

也不斷變化,變化的磁場在副線圈中產(chǎn)生

。

3.作用:改變交變電流的

,不改變交變電流的

和

。

4.在兩繞組變壓器中,原線圈中電流的變化會在副線圈中產(chǎn)生

,這種由一個線圈中電流的變化導致相鄰線圈的

發(fā)生變化,而在該相鄰線圈中產(chǎn)生

的現(xiàn)象,稱為互感現(xiàn)象。

互感磁場感應電動勢電壓周期頻率感應電動勢磁通量感應電動勢想一想生活中的用電器一般都可以使用220

V的交流電源,與它們的額定工作電壓都不相同,用電器是如何正常工作的呢?如果把變壓器接入直流電路,變壓器能起到變壓作用嗎?提示

變壓器可以降低電壓也可以升高電壓,通過變壓器得到用電器所需的合適電壓。變壓器是依據(jù)電磁感應工作的,因此只能在交流電路中工作,如果變壓器接入直流電路,原線圈中的電流不變,在鐵芯中不會引起磁通量的變化,就沒有互感現(xiàn)象出現(xiàn),變壓器就起不到變壓作用。二、探究變壓器電壓與線圈匝數(shù)的關系定性探究變壓器電壓與匝數(shù)的關系:如圖所示為原、副線圈匝數(shù)可變的變壓器。先保持原線圈匝數(shù)不變,使副線圈的匝數(shù)依次減少,電壓表V2的示數(shù)依次

。再保持副線圈的匝數(shù)不變,使原線圈匝數(shù)依次減少,電壓表V2的示數(shù)依次

。

減小增大三、理想變壓器電壓與線圈匝數(shù)的關系1.理想變壓器:沒有

的變壓器叫理想變壓器,它是一個理想化模型。

2.電壓與匝數(shù)的關系理想變壓器原、副線圈的

等于兩個線圈的

,即

。

3.理想變壓器原、副線圈功率的關系P1

P2(選填“>”“=”或“<”)。

能量損失電壓之比匝數(shù)之比=4.兩類變壓器:副線圈的電壓比原線圈電壓低的變壓器叫

變壓器;副線圈的電壓比原線圈電壓高的變壓器叫

變壓器。

5.理想變壓器電流與線圈匝數(shù)的關系:

(適用于只有一個副線圈的變壓器)。

想一想變壓器的鐵芯為什么用薄硅鋼片疊壓而成?降壓升壓提示

為了減少損耗,變壓器的鐵芯常用涂有絕緣漆的薄硅鋼片疊壓而成。這樣,渦流被限制在狹窄的薄片之中,回路的電阻很大,渦流大為減弱,從而減少了鐵損。易錯辨析

判一判(1)變壓器工作的原理是自感。(

)(2)理想變壓器無能量損失,其輸入功率與輸出功率相等。(

)(3)變壓器的兩個線圈所用導線的粗細一樣。(

)(4)變壓器能改變交變電流的頻率。(

)×提示

電磁感應是變壓器的工作原理,即互感現(xiàn)象是變壓器工作的基礎。

√×提示

不一樣。高壓線圈匝數(shù)多而通過的電流小,用較細的導線繞制而成;低壓線圈匝數(shù)少而通過的電流大,用較粗的導線繞制而成?！撂崾?/p>

對變壓器,當加在原線圈上的交流電壓發(fā)生一個周期性變化時,原線圈中的交變電流就發(fā)生一個周期性變化,鐵芯中產(chǎn)生的磁通量也發(fā)生一個周期性變化,副線圈中產(chǎn)生的交變電動勢(電壓)也發(fā)生一個周期性變化,因此,變壓器只能改變交變電流的電壓及電流,不能改變交變電流的頻率。即學即用

練一練1.對理想變壓器作出的判斷正確的是(

)A.高壓線圈匝數(shù)多、電流大、導線粗B.低壓線圈匝數(shù)少、電流小、導線細C.高壓線圈匝數(shù)多、電流大、導線細D.低壓線圈匝數(shù)少、電流大、導線粗D解析

電壓高的匝數(shù)多,電流小,用細線。電壓低的,匝數(shù)少,電流大,用粗線。故D正確。B重難探究·能力素養(yǎng)全提升探究一變壓器的工作原理情境探究變壓器是利用電磁感應的原理來改變交流電壓的裝置,如圖所示是一個變壓器通過降壓給用戶供電的示意圖。(1)理想變壓器實際存在嗎?為什么?(2)變壓器的原、副線圈連在一起嗎?(3)是原線圈中的電流跑到副線圈中去了嗎?要點提示

(1)理想變壓器實際不存在,因為原、副線圈中的電流產(chǎn)生電熱、變壓器鐵芯中的渦流產(chǎn)生電熱、變壓器鐵芯漏磁引起的能量損失均不可避免。(2)變壓器的原、副線圈雖然都套在同一個鐵芯上,但兩線圈是彼此絕緣的。(3)是利用互感現(xiàn)象在副線圈上感應出電流的,并不是原線圈的電流直接跑到副線圈中去了。知識歸納1.理想變壓器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)生的感應電動勢相等。(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。記住“三個特點”2.工作原理變壓器的變壓原理是電磁感應。(1)當原線圈兩端加上交變電壓U1時,就有交變電流I1通過原線圈,并在鐵芯中產(chǎn)生變化的磁場,鐵芯中就有變化的磁通量。(2)由于副線圈也繞在同一鐵芯上,這個變化的磁通量同樣穿過副線圈,并在副線圈上產(chǎn)生感應電動勢。(3)如果在副線圈兩端連接負載構成閉合回路,在副線圈中就會產(chǎn)生交變電流

I2。電磁感應的互感現(xiàn)象

閃光語錄

理想變壓器的工作原理

應用體驗典例1

(多選)關于變壓器,下列說法正確的是(

)A.變壓器的工作原理是電磁感應B.一切變壓器的工作基礎都是互感現(xiàn)象C.各種電流接入變壓器的輸入端,變壓器都能持續(xù)正常工作D.只有交變電流接入變壓器的原線圈中,變壓器才能持續(xù)正常工作AD解析

變壓器的原線圈接交流電源時,有交變電流流過,引起穿過原、副線圈的磁通量發(fā)生變化,在原、副線圈中都產(chǎn)生了感應電動勢,所以變壓器的工作原理是電磁感應,A項正確;有一種變壓器叫自耦變壓器,它只有一個線圈繞在鐵芯上,但有三個抽頭,可升壓、也可降壓,這種變壓器的工作基礎是自感,B項錯誤;變壓器要想持續(xù)正常工作,原線圈必須接交變電流,若接直流,原、副線圈中不可能出現(xiàn)持續(xù)的感應電動勢,變壓器不能持續(xù)正常工作,C項錯誤,D項正確。規(guī)律方法

互感現(xiàn)象是變壓器工作的基礎(1)在原、副線圈中由交變電流而引發(fā)的相互感應現(xiàn)象,叫互感現(xiàn)象。(2)互感現(xiàn)象是變壓器工作的基礎:變壓器通過閉合鐵芯,利用互感現(xiàn)象實現(xiàn)了電能向磁場能再到電能的轉化。(3)變壓器是依據(jù)電磁感應來工作的,因此只能在交流電路中工作,如果變壓器接入直流電路,原線圈中的電流不變,在鐵芯中不能引起磁通量的變化,沒有互感現(xiàn)象出現(xiàn),變壓器起不到變壓作用。針對訓練1關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得副線圈產(chǎn)生感應電動勢D.原線圈中的電流通過鐵芯流到了副線圈C解析

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,A錯誤;因理想變壓器無漏磁,故B錯誤;由互感現(xiàn)象知C正確;線圈中的電能轉化為磁場能又轉化為電能,原、副線圈通過磁場聯(lián)系在一起,故D錯誤。探究二理想變壓器電壓、電流、功率與匝數(shù)的關系情境探究如圖所示,把兩個沒有導線相連的線圈套在同一個閉合鐵芯上,一個線圈(原線圈)通過開關連接到交流電源的兩端,另一個線圈(副線圈)連到小燈泡兩端。連接電路,接通電源,小燈泡能發(fā)光。(1)兩個線圈并沒有連接,小燈泡為什么會發(fā)光?(2)此變壓器的變壓原理是什么?原、副線圈的電壓和電流與線圈的匝數(shù)有什么關系?(3)小燈泡兩端的電壓與學生電源的輸出電壓相等嗎?如果不相等,與什么因素有關?(4)若將原線圈接在恒定的直流電源上小燈泡發(fā)光嗎?為什么?要點提示

(1)當左邊線圈接上交流電源時,左邊線圈中就有交變電流,它在鐵芯中產(chǎn)生周期性變化的磁場,根據(jù)法拉第電磁感應定律知,在右邊線圈中會產(chǎn)生感應電動勢,右邊線圈作為電源給小燈泡供電,小燈泡就會發(fā)光。(2)此變壓器的變壓原理是電磁感應現(xiàn)象中的互感現(xiàn)象。原、副線圈的電壓、電流與匝數(shù)的關系:。線圈的電阻,則有U1=U電源,這樣看來只要n1≠n2,小燈泡兩端的電壓與學生電源的輸出電壓就不相等。小燈泡兩端的電壓,即副線圈兩端的電壓與原線圈兩端的電壓及原、副線圈匝數(shù)比有關。(4)不發(fā)光,因為無法在副線圈中產(chǎn)生感應電動勢。知識歸納3.功率關系:輸入功率等于輸出功率,即P入=P出,U1I1=U2I2。

4.電流關系:(1)由功率關系可知,當只有一個副線圈時,;(2)當有多個副線圈時,I1U1=I2U2+I3U3+…,I1n1=I2n2+I3n3+…U1、U2、I1、I2均為有效值

閃光語錄

電壓、電流、功率的制約關系(1)電壓制約:輸入電壓U1決定輸出電壓U2。(2)功率制約:P出決定P入,這體現(xiàn)了能量守恒的特點。(3)電流制約:輸出電流I2決定輸入電流I1。應用體驗典例2

用理想變壓器給負載電阻R供電,變壓器輸入電壓一定時,在下列四個方法中,可以使變壓器輸入功率增加的是(

)A.增加變壓器原線圈匝數(shù),而副線圈匝數(shù)及負載電阻的阻值保持不變B.減小負載電阻的阻值,而變壓器原、副線圈匝數(shù)不變C.增加負載電阻的阻值,而變壓器原、副線圈匝數(shù)不變D.減小變壓器副線圈匝數(shù),而原線圈匝數(shù)和負載電阻的阻值保持不變B規(guī)律方法

變壓器的特點(1)理想變壓器沒有能量損失,所以輸入功率和輸出功率相等。任何實際的變壓器都會有能量損失,所以理想變壓器是不存在的。(2)根據(jù)變壓器的電流與匝數(shù)關系,電流大的線圈匝數(shù)少,為了減小導線上的電阻發(fā)熱,要求用較粗的導線繞制;電流小的線圈匝數(shù)多,要求用較細的導線繞制,故可利用導線的粗細判斷線圈匝數(shù)的多少。(3)變壓器的輸出電壓由輸入電壓和原、副線圈的匝數(shù)比決定,與交變電流的頻率無關。針對訓練2(2023山東濱州期末)理想變壓器與三個阻值相同的定值電阻R1、R2、R3組成如圖所示的電路,變壓器原、副線圈的匝數(shù)比為1∶2。在a、b間接入正弦式交變電流,則下列說法正確的是(

)A.R1、R2、R3兩端的電壓之比為2∶1∶2B.R1、R2、R3消耗的功率之比為4∶1∶4C.a、b間輸入功率與變壓器輸入功率之比為15∶2D.a、b間輸入電壓與變壓器輸入電壓之比為3∶1C學以致用·隨堂檢測全達標12341.理想變壓器原、副線圈匝數(shù)比為10∶1,下列說法正確的是(

)A.穿過原、副線圈每一匝磁通量之比是10∶1B.穿過原、副線圈每一匝磁通量的變化率相等,但穿過每匝線圈的磁通量并不相等C.原、副線圈每一匝產(chǎn)生的電動勢瞬時值之比為10∶1D.正常工作時,原、副線圈的輸入、輸出功率之比為1∶1D解析

對理想變壓器,無磁通量損失,因而穿過兩個線圈的磁通量相同,磁通量變化率相同,因而每匝線圈產(chǎn)生的感應電動勢相等,才導致電壓與匝數(shù)成正比,選項A、B、C錯誤;理想變