實驗十五　探究變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關系-2025屆高中物理

第十三章交變電流電磁振蕩與電磁波傳感器實驗十五探究變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關系核心考點五年考情命題分析預測教材原型實驗2021：廣東T12；2020：全國ⅢT23用傳感器制作簡單的自動控制裝置是近年高考命題的熱點之一，且傳感器類型靈活多變，不斷創(chuàng)新.預計2025年高考中會結合各種傳感器元件特點，綜合考查利用傳感器制作簡單的自動控制裝置.實驗裝置創(chuàng)新2022：北京T13；2019：全國ⅡT23實驗方法創(chuàng)新2023：湖南T12；2021：山東T141.實驗目的探究變壓器原線圈電壓一定時，副線圈電壓與原、副線圈匝數(shù)的定量關系.2.實驗原理（1）實驗電路圖（如圖所示）：（2）實驗方法采用[1]控制變量法.①n1、U1一定，研究n2和U2的關系.②n2、U1一定，研究n1和U2的關系.3.實驗器材學生電源（低壓交流電源，小于12V）1個、可拆變壓器1個、多用電表1個、導線若干.4.實驗步驟（1）保持變壓器原線圈的匝數(shù)n1和電壓U1不變，改變副線圈的匝數(shù)n2，研究n2對副線圈電壓U2的影響.①估計被測電壓的大致范圍，選擇多用電表交流電壓擋適當量程，若不知道被測電壓的大致范圍，則應選擇交流電壓擋的[2]最大量程擋試測，大致確定被測電壓后再選用適當?shù)膿跷贿M行測量.②組裝可拆變壓器：把兩個線圈穿在鐵芯上，閉合鐵芯，用交流電壓擋測量輸入、輸出電壓.（2）保持變壓器副線圈的匝數(shù)n2和原線圈的電壓U1不變，改變原線圈的匝數(shù)n1，研究n1對副線圈電壓U2的影響.重復（1）中步驟.5.數(shù)據(jù)分析由數(shù)據(jù)分析變壓器原、副線圈電壓U1、U2之比與原、副線圈的[3]匝數(shù)n1、n2之比的關系.6.注意事項（1）要事先推測副線圈電壓的可能值.（2）在改變學生電源電壓、線圈匝數(shù)前均要先[4]斷開電源開關，再進行操作.（3）為了人身安全，學生電源的電壓不能超過12V，通電時不能用手接觸裸露的導線和接線柱.（4）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?shù)膿跷贿M行測量.7.誤差分析（1）由于磁漏，通過原、副線圈的每一匝的磁通量不嚴格相等造成誤差.（2）原、副線圈有電阻，原、副線圈中的焦耳熱損耗（銅損）造成誤差.（3）鐵芯中有磁損耗，造成渦流產(chǎn)生誤差.命題點1教材基礎實驗1.某同學在實驗室進行“探究變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)關系”的實驗.（1）下列實驗器材必須要用的有BCG（選填字母代號）.A.干電池組 B.學生電源C.多用電表 D.直流電壓表E.滑動變阻器 F.條形磁鐵G.可拆變壓器（鐵芯、兩個已知匝數(shù)的線圈）（2）下列說法正確的是BC（選填字母代號）.A.為確保實驗安全，實驗中要求原線圈匝數(shù)小于副線圈匝數(shù)B.要研究副線圈匝數(shù)對副線圈電壓的影響，應該保持原線圈電壓、匝數(shù)不變，改變副線圈的匝數(shù)C.測量電壓時，先用最大量程擋試測，大致確定被測電壓后再選用適當?shù)膿跷贿M行測量D.變壓器開始正常工作后，鐵芯導電，把電能由原線圈輸送到副線圈解析（1）實驗中，必須要有學生電源提供交流電，B需要；學生電源本身可以調節(jié)電壓，無需滑動變阻器，需要用多用電表測量電壓，C需要；本實驗不需要條形磁鐵，用可拆變壓器來進行實驗，G需要；綜上所述，需要的實驗器材為B、C、G.（2）為確保實驗安全，應該降低輸出電壓，實驗中要求原線圈匝數(shù)大于副線圈匝數(shù)，故A錯誤；要研究副線圈匝數(shù)對副線圈電壓的影響，應該保持原線圈電壓、匝數(shù)不變，改變副線圈的匝數(shù)，進而測得副線圈電壓，找出相應關系，故B正確；為了保護多用電表，測量副線圈電壓時，先用最大量程擋試測，大致確定被測電壓后再選用適當?shù)膿跷贿M行測量，故C正確；變壓器不計各種損耗，在原線圈上將電能轉化成磁場能，在副線圈上將磁場能轉化成電能，鐵芯起到傳遞磁場能的作用，不是鐵芯導電來傳輸電能，故D錯誤.命題點2創(chuàng)新設計實驗2.有一個教學用的可拆變壓器，其鐵芯粗細一致，如圖甲所示，它有兩個外觀基本相同的A、B線圈（內部導線電阻率、橫截面積相同），線圈外部還可以再繞線圈.（1）某同學用多用電表的同一歐姆擋先后測量了A、B線圈的電阻值，指針分別對應圖乙中的a、b位置，則A線圈的電阻為24Ω，由此可推斷A（選填“A”或“B”）線圈的匝數(shù)較多.（2）如果把該變壓器看作理想變壓器，現(xiàn)要測量A線圈的匝數(shù)，提供的器材有：一根足夠長絕緣導線、一只多用電表和低壓交流電源，請完成以下實驗步驟：①用絕緣導線在B線圈上繞制n匝線圈；②將A線圈與低壓交流電源相連接；③用多用電表的“交流電壓”擋分別測量A線圈的輸入電壓UA和繞制（選填“繞制”或“B”）線圈的輸出電壓U；④則A線圈的匝數(shù)為UAUn（用已知和測得量的符號表示解析（1）多用電表歐姆擋讀數(shù)＝指針指示值×倍率.a位置的讀數(shù)為24，倍率為“×1”，所以A線圈電阻為24Ω.根據(jù)電阻定律知，導線電阻率、橫截面積相同，導線越長，電阻越大，因為A線圈的電阻比B線圈的大，所以A線圈匝數(shù)多.（2）③因為要測量A線圈匝數(shù)，所以要把A線圈與低壓交流電源相連接.變壓器輸入、輸出電壓都是交流電，所以要用交流電壓擋測繞制線圈的輸出電壓U.④根據(jù)變壓器電壓比等于匝數(shù)比，有UAU＝nAn，所以nA1.[實驗組合考查/2023浙江6月]以下實驗中，說法正確的是CD（多選）.A.“觀察電容器的充、放電現(xiàn)象”實驗中，充電時電流逐漸增大，放電時電流逐漸減小B.“用油膜法估測油酸分子的大小”實驗中，滴入油酸酒精溶液后，需盡快描下油膜輪廓，測出油膜面積C.“觀察光敏電阻特性”和“觀察金屬熱電阻特性”實驗中，光照強度增加，光敏電阻阻值減?。粶囟壬?，金屬熱電阻阻值增大D.“探究變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關系”實驗中，如果可拆變壓器的“橫梁”鐵芯沒裝上，原線圈接入10V的交流電時，副線圈輸出電壓不為零解析“觀察電容器的充、放電現(xiàn)象”實驗中，充電時電流逐漸減小，放電時電流也逐漸減小，A錯誤；“用油膜法估測油酸分子的大小”實驗中，滴入油酸酒精溶液后，需要等到油膜充分擴展成單分子油膜后，才能描繪油膜輪廓，測出油膜面積，B錯誤；“觀察光敏電阻特性”實驗中，光照強度增加，光敏電阻阻值減小，“觀察金屬熱電阻特性”實驗中，溫度升高，金屬熱電阻阻值增大，C正確；“探究變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關系”實驗中，如果可拆變壓器的“橫梁”鐵芯沒有裝上，原線圈接入10V的交流電時，只是漏磁較嚴重，變壓器的效率會很低，但是在副線圈中仍能夠產(chǎn)生感應電動勢，副線圈輸出電壓不為零，D正確.2.[傳感器實驗在選擇題中考查/2022北京]某同學利用壓力傳感器設計水庫水位預警系統(tǒng).如圖所示，電路中的R1和R2，其中一個是定值電阻，另一個是壓力傳感器（可等效為可變電阻）.水位越高，對壓力傳感器的壓力越大，壓力傳感器的電阻值越小.當a、b兩端的電壓大于U1時，控制開關自動開啟低水位預警；當a、b兩端的電壓小于U2（U1、U2為定值）時，控制開關自動開啟高水位預警.下列說法正確的是（C）A.U1＜U2B.R2為壓力傳感器C.定值電阻的阻值越大，開啟高水位預警時的水位越低D.定值電阻的阻值越大，開啟低水位預警時的水位越高解析水位越高，對壓力傳感器的壓力越大，壓力傳感器的電阻值越小.控制開關自動開啟低水位預警時水位越低，壓力傳感器的電阻值越大，壓力傳感器兩端電壓越大，定值電阻兩端電壓越小，由于a、b兩端此時的電壓大于U1，根據(jù)串聯(lián)電路分壓特點可知，R1為壓力傳感器，高水位時壓力傳感器的電阻值較小，壓力傳感器R1兩端電壓較小，U1＞U2，AB錯誤.若定值電阻的阻值越大，壓力傳感器分得的電壓越小，水位升高時，壓力傳感器的電阻減小，分得的電壓減小，很容易達到U2，即開啟高水位預警時的水位越低，C正確；水位降低時，壓力傳感器的電阻增大，分得的電壓增大，水位要降得更低，壓力傳感器阻值更大，分得的電壓才能達到U1，即開啟低水位預警的水位越低，D錯誤.3.[創(chuàng)新實驗設計/2023湖南]某探究小組利用半導體薄膜壓力傳感器等元件設計了一個測量微小壓力的裝置，其電路如圖（a）所示，R1、R2、R3為電阻箱，RF為半導體薄膜壓力傳感器，C、D間連接電壓傳感器（內阻無窮大）.（1）先用歐姆表“×100”擋粗測RF的阻值，示數(shù)如圖（b）所示，對應的讀數(shù)是1000Ω；（2）適當調節(jié)R1、R2、R3，使電壓傳感器示數(shù)為0，此時，RF的阻值為R1R2R3（用R1、R2、R3（3）依次將0.5g的標準砝碼加載到壓力傳感器上（壓力傳感器上所受壓力大小等于砝碼重力大?。x出電壓傳感器示數(shù)U，所測數(shù)據(jù)如下表所示：次數(shù)123456砝碼質量m/g0.00.51.01.52.02.5電壓U/mV057115168220280根據(jù)表中數(shù)據(jù)在圖（c）上描點，繪制U－m關系圖線；圖（c）（4）完成前面三步的實驗工作后，該測量微小壓力的裝置即可投入使用.在半導體薄膜壓力傳感器上施加微小壓力F0，電壓傳感器示數(shù)為200mV，則F0大小是0.018N（重力加速度取9.8m/s2，保留2位有效數(shù)字）；（5）若在步驟（4）中換用非理想毫伏表測量C、D間電壓，在半導體薄膜壓力傳感器上施加微小壓力F1，此時非理想毫伏表讀數(shù)為200mV，則F1＞F0（填“＞”“＝”或“＜”）.解析（1）由圖（b）可知，對應的讀數(shù)為10×100Ω＝1000Ω.（2）根據(jù)電壓傳感器示數(shù)為0可得I1R1＝I2R2，I1RF＝I2R3，解得RF＝R1R2（3）把表格中的數(shù)據(jù)在圖（c）上進行描點，然后用一條直線擬合，使盡可能多的點落在直線上，不在直線上的點均勻分布在直線的兩側，離直線較遠的點舍棄，如圖（c）所示.（4）根據(jù)U－m圖像可知，當U＝200mV時，m＝1.80g，故F0＝mg＝0.018N.（5）可將C、D以外的電路等效為新的電源，C、D兩點電壓視為路端電壓，因為換用非理想毫伏表后，當讀數(shù)為200mV時，實際上C、D間斷路（接理想毫伏表時）時的電壓大于200mV，則在壓力傳感器上施加微小壓力F1時C、D間的電壓大于在壓力傳感器上施加微小壓力F0時C、D間的電壓，結合U－m關系圖線可知，F(xiàn)1＞F0.4.[實驗方法創(chuàng)新/2021山東]熱敏電阻是傳感器中經(jīng)常使用的元件，某學習小組要探究一熱敏電阻的阻值隨溫度變化的規(guī)律.可供選擇的器材有：待測熱敏電阻RT（實驗溫度范圍內，阻值約幾百歐到幾千歐）；電源E（電動勢1.5V，內阻r約0.5Ω）；電阻箱R（阻值范圍0～9999.99Ω）；滑動變阻器R1（最大阻值20Ω）；滑動變阻器R2（最大阻值2000Ω）；微安表（量程100μA，內阻等于2500Ω）；開關兩個，溫控裝置一套，導線若干.同學們設計了如圖甲所示的測量電路，主要實驗步驟如下：①按圖示連接電路；②閉合S1、S2，調節(jié)滑動變阻器滑片P的位置，使微安表指針滿偏；③保持滑動變阻器滑片P的位置不變，斷開S2，調節(jié)電阻箱，使微安表指針半偏；④記錄此時的溫度和電阻箱的阻值.回答下列問題：（1）為了更準確地測量熱敏電阻的阻值，滑動變阻器應選用R1（填“R1”或“R2”）.（2）請用筆畫線代替導線，將圖乙中實物圖（不含溫控裝置）連接成完整電路.圖甲圖乙（3）某溫度下微安表半偏時，電阻箱的讀數(shù)為6000.00Ω，該溫度下熱敏電阻的測量值為3500Ω（結果保留到個位），該測量值大于（填“大于”或“小于”）真實值.（4）多次實驗后，學習小組繪制了如圖丙所示的圖像.由圖像可知，該熱敏電阻的阻值隨溫度的升高逐漸減小（填“增大”或“減小”）.圖丙答案（2）如圖所示.解析（1）用半偏法測量熱敏電阻的阻值，應盡可能讓該電路的電壓在S2閉合前、后保持不變，由于該支路與滑動變阻器左半部分并聯(lián)，滑動變阻器的阻值越小，S2閉合前、后該部分電阻變化越小，從而電壓的值變化越小，故滑動變阻器應選用最大值較小的R1才能更準確地進行實驗.（3）微安表半偏時，該支路的總電阻為原來的2倍，即RT＋RμA＝6000Ω，由RμA＝2500Ω易得RT＝3500Ω.當斷開S2，微安表半偏時，由于該支路的電阻增加，電壓略有升高，根據(jù)歐姆定律可知，總電阻比原來2倍略大，也就是電阻箱的阻值略大于熱敏電阻與微安表的總電阻，而實驗中認為電阻箱的阻值等于熱敏電阻與微安表的總電阻，因此熱敏電阻的測量值比真實值偏大.（4）由于是lnRT－1T圖像，當溫度T升高時，1T減小，從圖中可以看出lnRT減小，從而RT1.[2024哈師大附中校考]某同學在做“探究變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關系”實驗.（1）實驗室中有下列器材：A.可拆變壓器（鐵芯、兩個已知匝數(shù)的線圈）；B.條形磁鐵；C.開關、導線若干；D.交流電壓表.在本實驗中，上述器材不需要用到的是B（器材序號字母），還需用到的器材有低壓交流電源（選填“直流電源”或“低壓交流電源”）.（2）該學生做實驗時，先保持原線圈的匝數(shù)不變，增加副線圈的匝數(shù)，觀察到副線圈兩端的電壓增大（選填“增大”“減小”或“不變”）；然后再保持副線圈的匝數(shù)不變，增加原線圈的匝數(shù)，觀察到副線圈兩端的電壓減?。ㄟx填“增大”“減小”或“不變”）；上述探究過程采用的實驗方法是控制變量法.（3）若實驗電路圖如圖所示，實驗時n1＝800匝，n2＝400匝，斷開S，接通電源，觀察到電壓表的讀數(shù)為6V，若可拆變壓器可視為理想變壓器，則：①變壓器的輸入電壓有效值為C；A.3V B.62V C.12V D.15V②若燈泡的額定電壓為6V，閉合S，燈泡能否正常發(fā)光？能（填“能”或“不能”）.解析（1）“探究變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關系”實驗中不需要條形磁鐵，故選B.題中還需用到的器材是低壓交流電源.（2）做實驗時，先保持原線圈的匝數(shù)不變，增加副線圈的匝數(shù)，因原、副線圈電壓和匝數(shù)成正比，即U1U2＝n1n2，則會觀察到副線圈兩端的電壓增大；然后再保持副線圈的匝數(shù)不變，增加原線圈的匝數(shù)，根據(jù)U（3）①根據(jù)變壓器原理可得U1＝n1n2U2＝800400×6V＝12V，故選C.②燈泡的額定電壓也為6V2.為了探究理想變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關系，某實驗小組做了下列實驗.一個可變變壓器原線圈接入220V正弦交流電，副線圈接有一個理想電壓表.副線圈有三個抽頭a、b、c.變壓器總匝數(shù)為1000匝，測得S分別接a、b時電壓表示數(shù)為176V、110V，已知b為線圈中點，實驗初步探究得到原、副線圈電壓與匝數(shù)的關系是成正比；已知抽頭c與線圈下端間匝數(shù)為總匝數(shù)的四分之一，則S接c時，電壓表示數(shù)為55V，抽頭a、b間匝數(shù)為300匝.解析根據(jù)nb∶n1＝1∶2，Ub∶U1＝1∶2，可以得出UbU1＝nbn1，故原、副線圈電壓與匝數(shù)成正比，又nc＝14n1，故Uc＝14U1＝55V，而Ua＝176V，故na＝UaU1·n1＝800匝，又nb＝12·n1＝500匝，則a、b間匝數(shù)Δnab3.某實驗小組用可拆變壓器探究“變壓器的電壓與匝數(shù)的關系”，可拆變壓器如圖甲、圖乙所示.（1）以下給出的器材中，本實驗需要用到的是BD.A.干電池B.學生電源C.實驗室用電壓表D.多用電表（2）關于本實驗，下列說法正確的是C.A.為確保實驗安全，實驗中要求原線圈匝數(shù)小于副線圈匝數(shù)B.因為使用的電壓較低，通電時可直接用手接觸裸露的導線進行連接C.實驗時可以保持原線圈電壓、匝數(shù)不變，改變副線圈的匝數(shù)，探究副線圈匝數(shù)對副線圈電壓的影響D.變壓器開始正常工作后，通過鐵芯導電將電能從原線圈傳遞到副線圈（3）某次實驗中，用匝數(shù)na＝400匝和nb＝800匝的線圈實驗，測量的數(shù)據(jù)如下表所示，下列說法正確的是C.Ua/V1.802.803.804.90Ub/V4.006.018.029.98A.原線圈的匝數(shù)為na，用較粗導線繞制B.副線圈的匝數(shù)為na，用較細導線繞制C.原線圈的匝數(shù)為nb，用較細導線繞制D.副線圈的匝數(shù)為nb，用較粗導線繞制（4）為了