人教版(新教材)高中物理選擇性必修2學(xué)案：3 3 第1課時(shí) 實(shí)驗(yàn)：探究變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第二冊(cè)PAGEPAGE1第3節(jié)變壓器學(xué)習(xí)目標(biāo)要求核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力1.了解變壓器的構(gòu)造及幾種常見的變壓器，理解變壓器的工作原理。2.掌握理想變壓器的基本關(guān)系，并能用它解決相關(guān)問題。3.能夠利用閉合電路歐姆定律結(jié)合理想變壓器的基本關(guān)系對(duì)電路動(dòng)態(tài)分析。1.核心素養(yǎng)(1)利用能量觀點(diǎn)分析變壓器的變壓過程。(2)知道理想變壓器是一種理想化物理模型。2.關(guān)鍵能力物理建模能力和分析推理能力。第1課時(shí)實(shí)驗(yàn)：探究變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系一、變壓器的原理1．構(gòu)造：變壓器是由閉合鐵芯和繞在鐵芯上的兩個(gè)線圈組成的。2．原線圈：與交流電源連接的線圈叫原線圈，也叫初級(jí)線圈。副線圈：與負(fù)載連接的線圈叫副線圈，也叫次級(jí)線圈。3．工作原理：利用互感現(xiàn)象?！枷胍幌搿阶儔浩髂芨淖兒愣娏鞯碾妷?jiǎn)幔俊继?示〗變壓器的變壓原理是互感現(xiàn)象。若通過原線圈的電流為恒定電流，則在鐵芯中激發(fā)的磁場(chǎng)為恒定磁場(chǎng)，副線圈中無感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，因此變壓器不能改變恒定電流的電壓。二、實(shí)驗(yàn)思路1．變壓器是由原線圈、副線圈和鐵芯組成的。電流通過原線圈時(shí)在鐵芯中產(chǎn)生磁場(chǎng)，由于電流的大小、方向在不斷變化，鐵芯中的磁場(chǎng)也不斷變化，變化的磁場(chǎng)在副線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，副線圈就存在輸出電壓。2．本實(shí)驗(yàn)通過與副線圈相連接的多用電表，觀察原線圈電壓變化時(shí)，副線圈的輸出電壓的變化；通過改變?cè)?、副線圈匝數(shù)，探究原、副線圈的電壓比與匝數(shù)比的關(guān)系。3．用控制變量法研究。三、實(shí)驗(yàn)器材兩只多用電表、學(xué)生電源(低壓交流電源)、開關(guān)、可拆變壓器(如圖甲)、導(dǎo)線若干。四、實(shí)驗(yàn)步驟1．按圖乙所示連接好電路，將兩個(gè)多用電表調(diào)到交流電壓擋，并記錄兩個(gè)線圈的匝數(shù)。2．接通學(xué)生電源，讀出電壓值，并記錄在表格中。3．保持匝數(shù)不變，多次改變輸入電壓，記錄每次改變后原、副線圈的電壓值。4．保持輸入電壓、原線圈的匝數(shù)不變，多次改變副線圈的匝數(shù)，記錄下每次的副線圈匝數(shù)和對(duì)應(yīng)的電壓值。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)論實(shí)驗(yàn)分析表明，原、副線圈的電壓之比等于兩個(gè)線圈的匝數(shù)之比，即eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)。六、注意事項(xiàng)1．在改變學(xué)生電源的電壓、線圈匝數(shù)前均要先斷開開關(guān)，再進(jìn)行操作。2．為了保證人身安全，學(xué)生電源的電壓不能超過12V，通電時(shí)不能用手接觸裸露的導(dǎo)線和接線柱。3．為了保證多用電表的安全，使用交流電壓擋測(cè)電壓時(shí)，先用最大量程擋試測(cè)，大致確定被測(cè)電壓后再用適當(dāng)?shù)膿跷贿M(jìn)行測(cè)量。七、實(shí)驗(yàn)誤差分析實(shí)驗(yàn)中的誤差主要是(1)實(shí)驗(yàn)所用變壓器存在各種損耗；(2)多用電表的讀數(shù)存在誤差?！祭?〗(2021·北京朝陽(yáng)區(qū)期末)某班物理實(shí)驗(yàn)課上，同學(xué)們用可拆變壓器探究變壓器的電壓與匝數(shù)的關(guān)系。可拆變壓器如圖甲、乙所示。(1)下列說法正確的是________。A．為確保實(shí)驗(yàn)安全，實(shí)驗(yàn)中要求原線圈匝數(shù)小于副線圈匝數(shù)B．變壓器的原線圈接低壓交變電流，測(cè)量副線圈電壓時(shí)應(yīng)當(dāng)用多用電表的“直流電壓擋”C．可以先保持原線圈電壓、匝數(shù)不變，改變副線圈的匝數(shù)，研究副線圈匝數(shù)對(duì)副線圈電壓的影響D．測(cè)量副線圈電壓時(shí)，先用最大量程擋試測(cè)，大致確定被測(cè)電壓后再選用適當(dāng)?shù)膿跷贿M(jìn)行測(cè)量E．變壓器開始正常工作后，鐵芯導(dǎo)電，把電能由原線圈輸送到副線圈F．變壓器開始正常工作后，若不計(jì)各種損耗，在原線圈上將電能轉(zhuǎn)化成磁場(chǎng)能，在副線圈上將磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化成電能，鐵芯起到“傳遞”磁場(chǎng)能的作用(2)如圖丙所示，某同學(xué)自己繞制了兩個(gè)線圈套在可拆變壓器的鐵芯上。原線圈接學(xué)生電源的交流輸出端，副線圈接小燈泡。下列說法正確的是________。A．與變壓器未通電時(shí)相比較，此時(shí)若將可拆變壓器上端的橫條鐵芯取下將更費(fèi)力B．若僅增加原線圈繞制的圈數(shù)，小燈泡的亮度將保持不變C．若僅增加副線圈繞制的圈數(shù)，學(xué)生電源的過載指示燈可能會(huì)亮起(3)理想變壓器是一種理想化模型。請(qǐng)分析說明該模型應(yīng)忽略哪些次要因素；并證明：理想變壓器原、副線圈的電壓之比等于兩個(gè)線圈的匝數(shù)之比，即eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)?！即鸢浮?1)CDF(2)AC(3)見〖解析〗〖解析〗(1)為確保實(shí)驗(yàn)安全，應(yīng)該降低輸出電壓，實(shí)驗(yàn)中要求原線圈匝數(shù)大于副線圈匝數(shù)，故A錯(cuò)誤；變壓器只能改變交變電流的電壓，原線圈輸入交流電壓，副線圈輸出交流電壓，應(yīng)用多用電表的“交流電壓擋”測(cè)量，故B錯(cuò)誤；研究變壓器線圈兩端電壓和匝數(shù)的關(guān)系時(shí)，用到了控制變量法，可以先保持原線圈電壓、匝數(shù)不變，改變副線圈的匝數(shù)，研究副線圈匝數(shù)對(duì)副線圈電壓的影響，故C正確；為了保護(hù)電表，測(cè)量副線圈電壓時(shí)，先用最大量程擋試測(cè)，大致確定被測(cè)電壓后再選用適當(dāng)?shù)膿跷贿M(jìn)行測(cè)量，故D正確；變壓器的工作原理是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，即不計(jì)各種損耗時(shí)，在原線圈上將電能轉(zhuǎn)化成磁場(chǎng)能，在副線圈上將磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化成電能，鐵芯起到“傳遞”磁場(chǎng)能的作用，而不是鐵芯直接導(dǎo)電，傳輸電能，故E錯(cuò)誤，F(xiàn)正確。(2)與變壓器未通電時(shí)相比較，通電時(shí)，線圈產(chǎn)生磁性，對(duì)橫條鐵芯具有吸引力，若將可拆變壓器上端的橫條鐵芯取下將更費(fèi)力，故A正確；增加原線圈繞制的圈數(shù)，根據(jù)原、副線圈的電壓比等于匝數(shù)比可知，輸出電壓減小，燈泡的亮度降低，故B錯(cuò)誤；增加副線圈繞制的圈數(shù)，根據(jù)原、副線圈的電壓比等于匝數(shù)比可知，輸出電壓增大，根據(jù)歐姆定律可知，輸出電流增大，根據(jù)變流比可知，輸入電流增大，學(xué)生電源的過載指示燈可能會(huì)亮起，故C正確。(3)理想變壓器模型應(yīng)忽略的次要因素如下：①不計(jì)漏磁，即通過原、副線圈每匝線圈的磁通量都相等，因而不計(jì)磁場(chǎng)能損失；②不計(jì)原、副線圈的電阻，因而不計(jì)線圈的熱能損失；③不計(jì)鐵芯中產(chǎn)生的渦流，因而不計(jì)鐵芯的熱能損失。綜上，理想變壓器在傳輸能量時(shí)沒有能量損失。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，原、副線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分別為E1＝n1eq\f(ΔΦ,Δt)，E2＝n2eq\f(ΔΦ,Δt)。因理想變壓器不計(jì)原、副線圈的電阻，則線圈兩端的電壓等于它產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，即U1＝E1，U2＝E2，聯(lián)立解得eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)。〖例2〗某同學(xué)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行“探究變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)。(1)下列實(shí)驗(yàn)器材必須要用的有________(選填字母代號(hào))。A．干電池組B．學(xué)生電源C．多用電表D．直流電壓表E．滑動(dòng)電阻器F．條形磁體G．可拆變壓器(鐵芯、兩個(gè)已知匝數(shù)的線圈)(2)該同學(xué)通過實(shí)驗(yàn)得到了如下表所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，表中n1、n2分別為原、副線圈的匝數(shù)，U1、U2分別為原、副線圈的電壓，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是：___________________________________________________________。實(shí)驗(yàn)次數(shù)n1/匝n2/匝U1/VU2/V1160040012.12.90280040010.24.95340020011.95.92〖答案〗(1)BCG(2)在誤差允許的范圍內(nèi)，原、副線圈的電壓之比等于原、副線圈的匝數(shù)之比，即eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)〖解析〗(1)實(shí)驗(yàn)中，必須要有學(xué)生電源提供交流電，B需要；學(xué)生電源本身可以調(diào)節(jié)電壓，無需滑動(dòng)變阻器，需要用多用表測(cè)量電壓，C需要；本實(shí)驗(yàn)不需要條形磁體，用可拆變壓器來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，G需要；綜上所述，需要的實(shí)驗(yàn)器材為BCG。(2)通過數(shù)據(jù)計(jì)算可得，在誤差允許的范圍內(nèi)，原、副線圈的電壓之比等于原、副線圈的匝數(shù)之比，即eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)。〖針對(duì)訓(xùn)練〗理想變壓器是指在變壓器變壓的過程中，線圈和鐵芯不損耗能量、磁場(chǎng)被束縛在鐵芯內(nèi)不外漏的變壓器。現(xiàn)有一個(gè)理想變壓器、一個(gè)原線圈(匝數(shù)為n1)和一個(gè)副線圈(匝數(shù)為n2)。甲、乙兩位同學(xué)想探究這個(gè)理想變壓器的原、副線圈兩端的電壓與線圈匝數(shù)的關(guān)系。(1)甲同學(xué)的猜想是U1∶U2＝n1∶n2；乙同學(xué)的猜想是U1∶U2＝n2∶n1。你認(rèn)為猜想合理的同學(xué)是________，你做出上述判斷所依據(jù)的物理規(guī)律是___________________________________________________________________。(2)為了驗(yàn)證理論推導(dǎo)的正確性，可以通過實(shí)驗(yàn)來探究。為保證實(shí)驗(yàn)安全、有效地進(jìn)行，應(yīng)選用____________電源。(3)在實(shí)驗(yàn)時(shí)，若采用多用電表進(jìn)行測(cè)量，應(yīng)先將選擇開關(guān)置于____________擋，并選用________量程進(jìn)行試測(cè)，大致確定被測(cè)數(shù)據(jù)后，再用適當(dāng)?shù)牧砍踢M(jìn)行測(cè)量?！即鸢浮?1)甲法拉第電磁感應(yīng)定律(2)低壓(一般低于12V)交流(3)交流電壓最大〖解析〗(1)由變壓器的工作原理可知，猜想合理的同學(xué)是甲同學(xué)。做出上述判斷依據(jù)的物理規(guī)律是法拉第電磁感應(yīng)定律。(2)為了保證實(shí)驗(yàn)安全、有效地進(jìn)行，應(yīng)選用低壓(一般低于12V)交流電源。(3)使用多用電表時(shí)，應(yīng)先將選擇開關(guān)置于交流電壓擋，并選用最大量程進(jìn)行試測(cè)。1．在“探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數(shù)的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)室中備有下列可供選擇的器材：A．可拆變壓器(鐵芯、兩個(gè)已知匝數(shù)的線圈)B．條形磁體C．直流電源D．多用電表E．開關(guān)、導(dǎo)線若干(1)上述器材在本實(shí)驗(yàn)中不必用到的是________________(填器材前的序號(hào))。(2)本實(shí)驗(yàn)中還需用到的器材_______________________________________________________________________________________________________________。〖答案〗(1)B、C(2)(低壓)交流電源〖解析〗(1)由本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理可知，本實(shí)驗(yàn)不必用到的器材是B.條形磁體和C.直流電源。(2)為使實(shí)驗(yàn)安全，本實(shí)驗(yàn)用到的電源是學(xué)生電源，且利用低壓交流擋。2．在“探究變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中。(1)為了確保實(shí)驗(yàn)的安全，下列做法正確的是________。A．為了保證人身安全，只能使用低壓直流電源，所用電壓不要超過12VB．連接好電路后，可不經(jīng)檢查電路是否正確，直接接通電源C．因?yàn)槭褂秒妷狠^低，通電時(shí)可用手直接接觸裸露的導(dǎo)線和接線柱D．為了保證多用表的安全，使用交流電壓擋測(cè)電壓時(shí)，先用最大量程擋試測(cè)(2)某實(shí)驗(yàn)小組通過實(shí)驗(yàn)，記錄的數(shù)據(jù)如下表：原線圈匝數(shù)n1(匝)100200400400副線圈匝數(shù)n2(匝)400400200800原線圈兩端的電壓U1(V)1.964.908.004.86副線圈兩端的電壓U2(V)7.809.763.909.64通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是_______________________________________________________________________________________________________?！即鸢浮?1)D(2)在誤差允許范圍內(nèi)，變壓器原、副線圈的電壓比等于匝數(shù)比〖解析〗(1)變壓器改變的是交流電壓，因此為了保證人身安全，原線圈兩端只能使用低壓交流電源，所用電壓不超過12V，A錯(cuò)誤；實(shí)驗(yàn)通電前必須要先檢查電路是否正確，通電時(shí)用手接觸裸露的導(dǎo)線、接線柱等，會(huì)將人體并聯(lián)入電路中，導(dǎo)致所測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，同時(shí)也有安全隱患，B、C錯(cuò)誤；使用多用電表測(cè)電壓時(shí)，先用最高量程擋試測(cè)，再選用恰當(dāng)?shù)膿跷贿M(jìn)行測(cè)量，故D正確。(2)分析每組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可知eq\f(U1,U2)與eq\f(n1,n2)的值近似相等，可得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是，在誤差允許范圍內(nèi)，變壓器原、副線圈的電壓比等于匝數(shù)比。3．如果把一個(gè)可拆變壓器看成理想變壓器，兩個(gè)線圈分別為A、B，現(xiàn)要測(cè)量A線圈的匝數(shù)，提供的器材有：一根足夠長(zhǎng)的絕緣導(dǎo)線、一只多用電表