第3节 科学探究：变压器

第3节科学探究：变压器核心素养点击

物理观念(1)知道变压器的构造、工作原理，知道理想变压器的概念。(2)知道理想变压器原、副线圈电压与匝数的关系。(3)会用能量的观点理解变压器的工作原理。科学思维(1)会推导理想变压器原、副线圈电流与匝数的关系。(2)知道理想变压器是忽略了能量损失的一种理想模型，进一步体会建立理想模型这种思维方法。科学探究经历探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系的过程，提高科学探究能力。科学态度与责任在实验中养成避免触电和安全使用电表的习惯，养成尊重实验数据的严谨科学态度。一、变压器的工作原理1．填一填(1)变压器的结构①如图甲所示，变压器由闭合的

和绕在铁芯上的两个或两个以上的

组成，其中闭合铁芯由表面涂有绝缘漆的

叠合而成，线圈一般用高强度的漆包线绕制。在电路中，变压器的符号如图乙所示。铁芯线圈硅钢片②原线圈：与电源相连的线圈，也叫

，其两端电压叫

，用符号

表示。副线圈：与

相连的线圈，也叫次级线圈，其两端电压叫

，用符号

表示。(2)变压器工作原理①原线圈中有交变电流通过时，铁芯中的

发生变化。②铁芯中的

变化会在副线圈上产生感应电动势，如果副线圈两端连接负载构成闭合回路就会产生感应电流。U1初级线圈输入电压负载输出电压U2磁通量磁通量(3)拓展一步：互感现象

在两绕组变压器中，当一个线圈中的电流变化时，它所产生的变化的磁场会在另一个线圈中产生

的现象。产生的感应电动势称为互感电动势。(4)理想变压器①变压器线圈的

忽略不计，即无“铜损”。②闭合铁芯的“

”忽略不计，即无漏磁。③闭合铁芯中产生的

为零，即无“铁损”。即没有能量损失的变压器称为理想变压器。感应电动势电阻漏磁涡流2．判一判(1)变压器所用到的最基本的原理是电磁感应现象。

()(2)变压器可以升高或降低交变电流、直流电流的电压。

()(3)理想变压器副线圈上每匝线圈产生的感应电动势相等。

(

)3．想一想如果把变压器接入直流电路，变压器能起到变压作用吗？提示：变压器是依据电磁感应原理工作的，因此只能在交流电路中工作，如果变压器接入直流电路，原线圈中的电流不变，在铁芯中不会引起磁通量的变化，就没有互感现象出现，变压器就起不到变压作用。√×√匝数副线圈原线圈副线圈原线圈P2＝P1××√3．选一选如图所示，可以将电压升高给电灯供电的变压器是

(

)解析：变压器只能对交变电流实现变压，不能对直流变压，故选项A、D错误；由于电压比与变压器线圈匝数比成正比，副线圈匝数多于原线圈匝数的变压器才能实现升压，所以选项B错误，选项C正确。答案：C

探究(一)

理想变压器的四个基本关系[问题驱动]如图是变压器的结构图：(1)原线圈的输入功率与副线圈的输出功率满足什么关系？(2)原、副线圈的电压与匝数的正比关系始终成立吗？提示：(1)由能量守恒知，输入功率等于输出功率。(2)原、副线圈间电压与匝数的正比关系始终成立。

[重难释解]理想变压器的四个基本关系项目规律表示依据备注功率关系P入＝P出能量守恒适用于理想变压器频率关系f1＝f2(多选)如图，将额定电压为60V的用电器，通过一理想变压器接在正弦交变电源上。闭合开关S后，用电器正常工作，交流电压表和交流电流表(均为理想电表)的示数分别为220V和2.2A。以下判断正确的是

(

)A．变压器输入功率为484WB．通过原线圈的电流的有效值为0.6AC．通过副线圈的电流的最大值为2.2AD．变压器原、副线圈匝数比n1∶n2＝11∶3[答案]

BD[素养训练]答案：

B

2．

(多选)在图(a)所示的交流电路中，电源电压的有效值为220V，理想变压器原、副线圈的匝数比为10∶1，R1、R2、R3均为固定电阻，R2＝10Ω，R3＝20Ω，各电表均为理想电表。已知电阻R2中电流i2随时间t变化的正弦曲线如图(b)所示。下列说法正确的是

(

)A．所用交流电的频率为50HzB．电压表的示数为100VC．电流表的示数为1.0AD．变压器传输的电功率为15.0W答案：AD

答案：A

探究(二)

变压器工作时的制约关系及动态分析[问题驱动]为保证用户电压稳定在220V，变压器需要适时进行调压，如图为调压变压器示意图。保持输入电压U1不变，当滑动接头P上下移动时可改变输出电压。(1)若用户两端电压减小，为使用户电压稳定在220V，滑动接头P应向哪移动？(2)用户两端电压不变时，变压器的输入功率不变吗？2．理想变压器动态问题的处理方法(1)抓住三个决定原则：输入电压U1决定输出电压U2；输出电流I2决定输入电流I1；输出功率P2决定输入功率P1。(2)把副线圈当作电源，研究副线圈电路电阻变化。(3)根据闭合电路的欧姆定律，判定副线圈电流的变化、功率的变化。(4)根据理想变压器的变压规律、变流规律和功率规律判定原线圈电流的变化及输入功率的变化。图示电路中，变压器为理想变压器，a、b接在电压有效值不变的交流电源两端，R0为定值电阻，R为滑动变阻器。现将变阻器的滑片从一个位置滑动到另一位置，观察到电流表A1的示数增大了0.2A，电流表A2的示数增大了0.8A，则下列说法正确的是

(

)A．电压表V1示数增大B．电压表V2、V3示数均增大C．该变压器起升压作用D．变阻器滑片是沿c→d的方向滑动[答案]

D变压器动态分析解题技巧(1)电压的制约关系反映了感应电动势的因果关系。(2)功率和电流的制约关系，体现了能量守恒的特点。(3)含有理想变压器的动态电路分析，变压器的副线圈可以看成负载的无阻电源，与副线圈组成的电路可以参照直流电路动态分析的方法。[素养训练]1．对于理想变压器，下列说法正确的是

(

)A．原线圈的输入电流随副线圈输出电流的减小而增大B．原线圈的输入功率随副线圈输出功率的减小而减小C．原线圈中的电流不随副线圈输出电流的变化而变化D．当副线圈中电流为零时，原线圈两端电压为零答案：B

2．

如图所示，一理想变压器接在电压为U的交流电源上，原线圈接入电路的匝数可以通过调节滑片P来改变。副线圈连接交流电流表、定值电阻R0和可变电阻R，则

(

)A．保持P的位置不动，将R的阻值增大，电流表的读数变小B．保持P的位置不动，将R的阻值增大，R0的电功率变大C．保持R的阻值不变，将P向上滑动，电流表的读数变大D．保持R的阻值不变，将P向上滑动，R0的电功率变大答案：A

探究(三)

实验：探究变压器电压与线圈匝数的关系[重难释解][实验目的]研究变压器电压与线圈匝数间的定量关系。[实验器材]可拆变压器(如图甲)、低压交流电源、交流电压表、带夹的导线。[实验原理与设计]当交流电压接入原线圈时，它所产生的变化的磁场就会在副线圈中产生感应电动势。请根据实验目的和实验器材，设计实验方案。[实验步骤]图乙是某同学设计的实验电路图。可以根据这个电路图，设计实验步骤。(1)将可拆变压器组装好。(2)按实验电路图连接好电路，记下电压表V1的读数。(3)将夹子接在200匝、800匝、1600匝的位置。分别记下电压表V2的读数。[数据分析]请将实验数据填入自己设计的表格中，并根据数据分析比值和之间的关系。[注意事项]只能使用低压交流电源，所用电压不超过12V。检查电路连接正确后再接通电路。接通后不能用手接触裸露的导线、接线柱，以避免触电。测电压时，先用最大量程挡试测，避免损坏交流电压表。

在“探究变压器电压与线圈匝数的关系”的实验中，小型可拆变压器的原、副线圈匝数分别为n1＝120匝、n2＝240匝，某实验小组在原线圈两端依次加上不同的电压，用多用电表的交流电压挡分别测量原、副线圈两端的电压，数据如表所示。(1)实验小组根据测得的数据在表格中算出U1、U2的比值，还有一组U1、U2的比值没有算出，把求出的结果填在表格中。(2)本实验可得出结论：变压器线圈两端电压与匝数关系为__________(用题目中给出的字母表示)。(3)该变压器是________变压器(选填“升压”或“降压”)。[答案]

(1)1∶1.9

(2)＝(3)升压[素养训练]1．在“探究变压器电压与线圈匝数的关系”的实验中，原线圈和副线圈中接入的是

(

)A．原线圈中接入220V交流电B．原线圈中接入学生电源12V以下直流输出C．副线圈接直流电压表D．副线圈接交流电压表解析：变压器的工作原理是互感现象，因此原线圈要接交流电，但为保证实验安全，所用电压应在12V以下，输出电压是交流电压，故副线圈接交流电压表，不能接直流电压表，故A、B、C错误，D正确。答案：D

2．(1)在“探究变压器电压与线圈匝数的关系”的实验中，下列器材在实验中不必用到的有________。(2)若在实验中用匝数N1＝400匝和N2＝800匝的变压器，对应的电压测量数据如表所示。根据测量数据，下列说法正确的是________。A.N1一定是原线圈 B．N2一定是原线圈实验次数1234U1/V0.901.401.902.40U2/V2.003.014.025.02答案：(1)AC

(2)B一、培养创新意识和创新思维1．当变压器的一个线圈的匝数已知时，可以用下面的方法测量其他线圈的匝数：把被测线圈作为原线圈，用匝数已知的线圈作为副线圈，通入交变电流，测出两线圈的电压，就可以求出被测线圈的匝数。已知副线圈有400匝，把原线圈接到220V的交流电路中，测得副线圈的电压是55V，求原线圈的匝数。答案：1600匝二、注重学以致用和思维建模2．变压器上的原、副线圈之间并没有导线直接连接，却将电能从原线圈的电路输送到副线圈的电路。在无线充电技术中，其中一种技术就是基于变压器的原理产生的。如图所示，无线充电器正在对手机进行无线充电。下列说法合理的是(

)A．在变压器原、副线圈上不存在能量的转化B．在变压器原线圈上电场能转化成磁场能C．手机必须与无线充电器贴合才能进行无线充电D．用无线充电器给手机充电的过程中没有能量损耗解析：在变压器原、副线圈上存在能量的转化，在变压器原线圈上，电场能转化成磁场能，在副线圈上，磁场能转化成电场能，故A错误，B正确；给手机充电时手机不必与无线充电器贴合，只要手机在无线充电器磁场范围内即可，故C错误；用无线充电器给手机充电过程中有能量损耗，故D错误。答案：B3．如图所示为汽车的点火装置，此装置的核心是一个变压器，该变压器的原线圈通过开关连接到12V的蓄电池上，副线圈连接到火花塞的两端，开关由机械控制，当开关由闭合变为断开时，副线圈中产生10000V以上的电压，火花塞中产生火花。下列说法正确的是

(

)A．该变压器的原线圈要用粗导线绕制，而副线圈可以用细导线绕制B．若该点火装置的开关始终闭合，火花塞的两端会持续产生高压C．变压器原线圈输入的12V电压必须是交流电，否则就不能在副线圈中产生高压D．该