第3節(jié) 科學(xué)探究：變壓器

第3節(jié)科學(xué)探究：變壓器核心素養(yǎng)點(diǎn)擊

物理觀念(1)知道變壓器的構(gòu)造、工作原理，知道理想變壓器的概念。(2)知道理想變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系。(3)會(huì)用能量的觀點(diǎn)理解變壓器的工作原理?？茖W(xué)思維(1)會(huì)推導(dǎo)理想變壓器原、副線圈電流與匝數(shù)的關(guān)系。(2)知道理想變壓器是忽略了能量損失的一種理想模型，進(jìn)一步體會(huì)建立理想模型這種思維方法?？茖W(xué)探究經(jīng)歷探究變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系的過程，提高科學(xué)探究能力?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任在實(shí)驗(yàn)中養(yǎng)成避免觸電和安全使用電表的習(xí)慣，養(yǎng)成尊重實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)態(tài)度。一、變壓器的工作原理1．填一填(1)變壓器的結(jié)構(gòu)①如圖甲所示，變壓器由閉合的

和繞在鐵芯上的兩個(gè)或兩個(gè)以上的

組成，其中閉合鐵芯由表面涂有絕緣漆的

疊合而成，線圈一般用高強(qiáng)度的漆包線繞制。在電路中，變壓器的符號(hào)如圖乙所示。鐵芯線圈硅鋼片②原線圈：與電源相連的線圈，也叫

，其兩端電壓叫

，用符號(hào)

表示。副線圈：與

相連的線圈，也叫次級(jí)線圈，其兩端電壓叫

，用符號(hào)

表示。(2)變壓器工作原理①原線圈中有交變電流通過時(shí)，鐵芯中的

發(fā)生變化。②鐵芯中的

變化會(huì)在副線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，如果副線圈兩端連接負(fù)載構(gòu)成閉合回路就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。U1初級(jí)線圈輸入電壓負(fù)載輸出電壓U2磁通量磁通量(3)拓展一步：互感現(xiàn)象

在兩繞組變壓器中，當(dāng)一個(gè)線圈中的電流變化時(shí)，它所產(chǎn)生的變化的磁場會(huì)在另一個(gè)線圈中產(chǎn)生

的現(xiàn)象。產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢稱為互感電動(dòng)勢。(4)理想變壓器①變壓器線圈的

忽略不計(jì)，即無“銅損”。②閉合鐵芯的“

”忽略不計(jì)，即無漏磁。③閉合鐵芯中產(chǎn)生的

為零，即無“鐵損”。即沒有能量損失的變壓器稱為理想變壓器。感應(yīng)電動(dòng)勢電阻漏磁渦流2．判一判(1)變壓器所用到的最基本的原理是電磁感應(yīng)現(xiàn)象。

()(2)變壓器可以升高或降低交變電流、直流電流的電壓。

()(3)理想變壓器副線圈上每匝線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢相等。

(

)3．想一想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：變壓器是依據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的，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(huì)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?！獭痢淘褦?shù)副線圈原線圈副線圈原線圈P2＝P1××√3．選一選如圖所示，可以將電壓升高給電燈供電的變壓器是

(

)解析：變壓器只能對(duì)交變電流實(shí)現(xiàn)變壓，不能對(duì)直流變壓，故選項(xiàng)A、D錯(cuò)誤；由于電壓比與變壓器線圈匝數(shù)比成正比，副線圈匝數(shù)多于原線圈匝數(shù)的變壓器才能實(shí)現(xiàn)升壓，所以選項(xiàng)B錯(cuò)誤，選項(xiàng)C正確。答案：C

探究(一)

理想變壓器的四個(gè)基本關(guān)系[問題驅(qū)動(dòng)]如圖是變壓器的結(jié)構(gòu)圖：(1)原線圈的輸入功率與副線圈的輸出功率滿足什么關(guān)系？(2)原、副線圈的電壓與匝數(shù)的正比關(guān)系始終成立嗎？提示：(1)由能量守恒知，輸入功率等于輸出功率。(2)原、副線圈間電壓與匝數(shù)的正比關(guān)系始終成立。

[重難釋解]理想變壓器的四個(gè)基本關(guān)系項(xiàng)目規(guī)律表示依據(jù)備注功率關(guān)系P入＝P出能量守恒適用于理想變壓器頻率關(guān)系f1＝f2(多選)如圖，將額定電壓為60V的用電器，通過一理想變壓器接在正弦交變電源上。閉合開關(guān)S后，用電器正常工作，交流電壓表和交流電流表(均為理想電表)的示數(shù)分別為220V和2.2A。以下判斷正確的是

(

)A．變壓器輸入功率為484WB．通過原線圈的電流的有效值為0.6AC．通過副線圈的電流的最大值為2.2AD．變壓器原、副線圈匝數(shù)比n1∶n2＝11∶3[答案]

BD[素養(yǎng)訓(xùn)練]答案：

B

2．

(多選)在圖(a)所示的交流電路中，電源電壓的有效值為220V，理想變壓器原、副線圈的匝數(shù)比為10∶1，R1、R2、R3均為固定電阻，R2＝10Ω，R3＝20Ω，各電表均為理想電表。已知電阻R2中電流i2隨時(shí)間t變化的正弦曲線如圖(b)所示。下列說法正確的是

(

)A．所用交流電的頻率為50HzB．電壓表的示數(shù)為100VC．電流表的示數(shù)為1.0AD．變壓器傳輸?shù)碾姽β蕿?5.0W答案：AD

答案：A

探究(二)

變壓器工作時(shí)的制約關(guān)系及動(dòng)態(tài)分析[問題驅(qū)動(dòng)]為保證用戶電壓穩(wěn)定在220V，變壓器需要適時(shí)進(jìn)行調(diào)壓，如圖為調(diào)壓變壓器示意圖。保持輸入電壓U1不變，當(dāng)滑動(dòng)接頭P上下移動(dòng)時(shí)可改變輸出電壓。(1)若用戶兩端電壓減小，為使用戶電壓穩(wěn)定在220V，滑動(dòng)接頭P應(yīng)向哪移動(dòng)？(2)用戶兩端電壓不變時(shí)，變壓器的輸入功率不變嗎？2．理想變壓器動(dòng)態(tài)問題的處理方法(1)抓住三個(gè)決定原則：輸入電壓U1決定輸出電壓U2；輸出電流I2決定輸入電流I1；輸出功率P2決定輸入功率P1。(2)把副線圈當(dāng)作電源，研究副線圈電路電阻變化。(3)根據(jù)閉合電路的歐姆定律，判定副線圈電流的變化、功率的變化。(4)根據(jù)理想變壓器的變壓規(guī)律、變流規(guī)律和功率規(guī)律判定原線圈電流的變化及輸入功率的變化。圖示電路中，變壓器為理想變壓器，a、b接在電壓有效值不變的交流電源兩端，R0為定值電阻，R為滑動(dòng)變阻器?，F(xiàn)將變阻器的滑片從一個(gè)位置滑動(dòng)到另一位置，觀察到電流表A1的示數(shù)增大了0.2A，電流表A2的示數(shù)增大了0.8A，則下列說法正確的是

(

)A．電壓表V1示數(shù)增大B．電壓表V2、V3示數(shù)均增大C．該變壓器起升壓作用D．變阻器滑片是沿c→d的方向滑動(dòng)[答案]

D變壓器動(dòng)態(tài)分析解題技巧(1)電壓的制約關(guān)系反映了感應(yīng)電動(dòng)勢的因果關(guān)系。(2)功率和電流的制約關(guān)系，體現(xiàn)了能量守恒的特點(diǎn)。(3)含有理想變壓器的動(dòng)態(tài)電路分析，變壓器的副線圈可以看成負(fù)載的無阻電源，與副線圈組成的電路可以參照直流電路動(dòng)態(tài)分析的方法。[素養(yǎng)訓(xùn)練]1．對(duì)于理想變壓器，下列說法正確的是

(

)A．原線圈的輸入電流隨副線圈輸出電流的減小而增大B．原線圈的輸入功率隨副線圈輸出功率的減小而減小C．原線圈中的電流不隨副線圈輸出電流的變化而變化D．當(dāng)副線圈中電流為零時(shí)，原線圈兩端電壓為零答案：B

2．

如圖所示，一理想變壓器接在電壓為U的交流電源上，原線圈接入電路的匝數(shù)可以通過調(diào)節(jié)滑片P來改變。副線圈連接交流電流表、定值電阻R0和可變電阻R，則

(

)A．保持P的位置不動(dòng)，將R的阻值增大，電流表的讀數(shù)變小B．保持P的位置不動(dòng)，將R的阻值增大，R0的電功率變大C．保持R的阻值不變，將P向上滑動(dòng)，電流表的讀數(shù)變大D．保持R的阻值不變，將P向上滑動(dòng)，R0的電功率變大答案：A

探究(三)

實(shí)驗(yàn)：探究變壓器電壓與線圈匝數(shù)的關(guān)系[重難釋解][實(shí)驗(yàn)?zāi)康腯研究變壓器電壓與線圈匝數(shù)間的定量關(guān)系。[實(shí)驗(yàn)器材]可拆變壓器(如圖甲)、低壓交流電源、交流電壓表、帶夾的導(dǎo)線。[實(shí)驗(yàn)原理與設(shè)計(jì)]當(dāng)交流電壓接入原線圈時(shí)，它所產(chǎn)生的變化的磁場就會(huì)在副線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。請根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)器材，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。[實(shí)驗(yàn)步驟]圖乙是某同學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)電路圖?？梢愿鶕?jù)這個(gè)電路圖，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟。(1)將可拆變壓器組裝好。(2)按實(shí)驗(yàn)電路圖連接好電路，記下電壓表V1的讀數(shù)。(3)將夾子接在200匝、800匝、1600匝的位置。分別記下電壓表V2的讀數(shù)。[數(shù)據(jù)分析]請將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入自己設(shè)計(jì)的表格中，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析比值和之間的關(guān)系。[注意事項(xiàng)]只能使用低壓交流電源，所用電壓不超過12V。檢查電路連接正確后再接通電路。接通后不能用手接觸裸露的導(dǎo)線、接線柱，以避免觸電。測電壓時(shí)，先用最大量程擋試測，避免損壞交流電壓表。

在“探究變壓器電壓與線圈匝數(shù)的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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。(1)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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”)。[答案]

(1)1∶1.9

(2)＝(3)升壓[素養(yǎng)訓(xùn)練]1．在“探究變壓器電壓與線圈匝數(shù)的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中，原線圈和副線圈中接入的是

(

)A．原線圈中接入220V交流電B．原線圈中接入學(xué)生電源12V以下直流輸出C．副線圈接直流電壓表D．副線圈接交流電壓表解析：變壓器的工作原理是互感現(xiàn)象，因此原線圈要接交流電，但為保證實(shí)驗(yàn)安全，所用電壓應(yīng)在12V以下，輸出電壓是交流電壓，故副線圈接交流電壓表，不能接直流電壓表，故A、B、C錯(cuò)誤，D正確。答案：D

2．(1)在“探究變壓器電壓與線圈匝數(shù)的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中，下列器材在實(shí)驗(yàn)中不必用到的有________。(2)若在實(shí)驗(yàn)中用匝數(shù)N1＝400匝和N2＝800匝的變壓器，對(duì)應(yīng)的電壓測量數(shù)據(jù)如表所示。根據(jù)測量數(shù)據(jù)，下列說法正確的是________。A.N1一定是原線圈 B．N2一定是原線圈實(shí)驗(yàn)次數(shù)1234U1/V0.901.401.902.40U2/V2.003.014.025.02答案：(1)AC

(2)B一、培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維1．當(dāng)變壓器的一個(gè)線圈的匝數(shù)已知時(shí)，可以用下面的方法測量其他線圈的匝數(shù)：把被測線圈作為原線圈，用匝數(shù)已知的線圈作為副線圈，通入交變電流，測出兩線圈的電壓，就可以求出被測線圈的匝數(shù)。已知副線圈有400匝，把原線圈接到220V的交流電路中，測得副線圈的電壓是55V，求原線圈的匝數(shù)。答案：1600匝二、注重學(xué)以致用和思維建模2．變壓器上的原、副線圈之間并沒有導(dǎo)線直接連接，卻將電能從原線圈的電路輸送到副線圈的電路。在無線充電技術(shù)中，其中一種技術(shù)就是基于變壓器的原理產(chǎn)生的。如圖所示，無線充電器正在對(duì)手機(jī)進(jìn)行無線充電。下列說法合理的是(

)A．在變壓器原、副線圈上不存在能量的轉(zhuǎn)化B．在變壓器原線圈上電場能轉(zhuǎn)化成磁場能C．手機(jī)必須與無線充電器貼合才能進(jìn)行無線充電D．用無線充電器給手機(jī)充電的過程中沒有能量損耗解析：在變壓器原、副線圈上存在能量的轉(zhuǎn)化，在變壓器原線圈上，電場能轉(zhuǎn)化成磁場能，在副線圈上，磁場能轉(zhuǎn)化成電場能，故A錯(cuò)誤，B正確；給手機(jī)充電時(shí)手機(jī)不必與無線充電器貼合，只要手機(jī)在無線充電器磁場范圍內(nèi)即可，故C錯(cuò)誤；用無線充電器給手機(jī)充電過程中有能量損耗，故D錯(cuò)誤。答案：B3．如圖所示為汽車的點(diǎn)火裝置，此裝置的核心是一個(gè)變壓器，該變壓器的原線圈通過開關(guān)連接到12V的蓄電池上，副線圈連接到火花塞的兩端，開關(guān)由機(jī)械控制，當(dāng)開關(guān)由閉合變?yōu)閿嚅_時(shí)，副線圈中產(chǎn)生10000V以上的電壓，火花塞中產(chǎn)生火花。下列說法正確的是

(

)A．該變壓器的原線圈要用粗導(dǎo)線繞制，而副線圈可以用細(xì)導(dǎo)線繞制B．若該點(diǎn)火裝置的開關(guān)始終閉合，火花塞的兩端會(huì)持續(xù)產(chǎn)生高壓C．變壓器原線圈輸入的12V電壓必須是交流電，否則就不能在副線圈中產(chǎn)生高壓D．該