【讲与练】高中物理人教版(2019)选择性必修2：3.3 变压器第2课时探究变压器原副线圈电压与匝数的关系学案

第2课时探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系1．实验目的探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系。2．实验原理(1)如图所示，变压器是由原线圈、副线圈和铁芯组成的。电流通过原线圈时在铁芯中产生磁场，由于电流的大小、方向在不断变化，铁芯中的磁场也不断变化，变化的磁场在副线圈中产生感应电动势，副线圈就存在输出电压。(2)本实验通过与副线圈相连接的多用电表，观察原线圈电压变化时，副线圈输出电压的变化；通过改变原、副线圈匝数，探究原、副线圈的电压比与匝数比的关系。3．实验器材可拆变压器(铁芯、两个已知匝数的线圈)、多用电表、低压交流电源、导线若干。4．实验过程(1)保持原线圈的匝数n1＝400匝和电压U1＝5V不变，改变副线圈的匝数n2，研究n2对副线圈电压U2的影响。①选择原线圈的匝数n1＝400匝，用导线将变压器原线圈接在学生电源的交流输出接线柱上，将选择开关调至使原线圈两端电压为5V。将多用电表与原线圈n1＝400匝的接线柱相连接，检查原线圈的电压是否为5V，如图甲。表格一U1＝5V，n1＝400匝实验次数123n2/匝U2/V②将多用电表与副线圈n2＝200匝的接线柱相连接，如图乙，读出副线圈两端的电压U2。将n2、U2的数值记录在表格一中。③将多用电表与副线圈n2＝800匝的接线柱相连接，如图丙，读出副线圈两端的电压U2。将n2、U2的数值记录在表格一中。④将多用电表与副线圈n2＝1400匝的接线柱相连接，如图丁，读出副线圈两端的电压U2。将n2、U2的数值记录在表格一中。(2)保持副线圈的匝数n2和原线圈两端的电压U1不变，研究原线圈的匝数对副线圈电压的影响。表格二U1＝5V，n2＝400匝实验次数123n1/匝U2/V①将1中的原线圈作为副线圈，副线圈作为原线圈。选择n2＝400匝，用导线将变压器原线圈接在学生电源的交流输出接线柱上。②将选择开关拨至5V挡。③将多用电表与原线圈n1＝200匝的接线柱相连接，读出副线圈两端的电压U2。将n1、U2的数值记录在表格二中。④保持n2＝400匝，U1＝5V不变，将连接电源的两根导线与原线圈n1＝800匝的接线柱相连接，读出副线圈两端的电压U2。将n1、U2的数值记录在表格二中。⑤保持n2＝400匝，U1＝5V不变，将连接电源的两根导线与原线圈n1＝1400匝的接线柱相连接，读出副线圈两端的电压U2。将n1、U2的数值记录在表格二中。⑥拆除实验线路，整理好实验器材。5．数据处理分析表格一和表格二数据可知，理想变压器原、副线圈两端电压U1、U2之比等于两个线圈的匝数n1、n2之比。6．误差分析(1)由于漏磁，通过原、副线圈的每一匝的磁通量不严格相等造成误差。(2)原、副线圈有电阻，原、副线圈中的焦耳热损耗(铜损)，造成误差。(3)铁芯中有磁损耗，产生涡流，造成误差。(4)多用电表的读数存在误差。7．注意事项(1)要事先推测副线圈两端电压的可能值。(2)为了人身安全，只能使用低压交流电源，所用电压不要超过12V，即使这样，通电时不要用手接触裸露的导线、接线柱。(3)为了多用电表的安全，使用交流电压挡测电压时，先用最大量程挡测试，大致确定电压后再选择适当的挡位进行测量。(4)连接电路后要由同组的几位同学分别独立检查，然后请老师确认，只有这样才能接通电源。(5)在改变学生电源、线圈匝数前均要先断开开关，再进行操作。探究一教材原型实验典例剖析典例1(2022·江苏省高二期中)某班物理实验课上，同学们用可拆变压器探究“变压器原、副线圈电压与匝数的关系”。可拆变压器如图甲、乙所示。(1)实验中可以先保持原线圈电压、匝数不变，改变副线圈的匝数，研究_副线圈__(选填“原线圈”或“副线圈”)匝数对副线圈电压的影响。(2)变压器的原线圈接低压交流电，为了保证人身安全，电源电压不要超过_12__V。(3)测量副线圈电压时应当用多用电表的“_交流__电压挡”(选填“直流”或“交流”)，先用_最大__量程挡试测(选填“最大”或“最小”)，大致确定被测电压后再选用适当的挡位进行测量。(4)若变压器原、副线圈匝数分别选择n1＝800匝，n2＝400匝，原线圈与10V正弦式交流电源相连，用理想电压表测得输出电压U2＝4.5V，输出电压测量值明显小于理论值，可能的原因是_D__。A．原线圈匝数n1少于800匝B．副线圈匝数n2多于400匝C．副线圈阻值较大D．铁芯B没有安装在铁芯A上(5)(多选)如图丙所示，某同学自己绕制了两个线圈套在可拆变压器的铁芯上。原线圈接学生电源的交流输出端，副线圈接小灯泡。下列说法正确的是_AC__。A．与变压器未通电时相比较，此时若将可拆变压器上端的横条铁芯取下将更费力B．若仅增加原线圈绕制的圈数，小灯泡的亮度将增加C．若仅增加副线圈绕制的圈数，学生电源的过载指示灯可能会亮起D．变压器开始正常工作后，铁芯导电，把电能由原线圈输送到副线圈解析：(1)实验中可以先保持原线圈电压、匝数不变，改变副线圈的匝数，研究副线圈匝数对副线圈电压的影响。(2)变压器的原线圈接低压交流电，为了保证人身安全，电源电压不要超过12V。(3)测量副线圈电压时应当用多用电表的交流电压挡，先用最大量程挡试测，大致确定被测电压后再选用适当的挡位进行测量。(4)由变压器电压与匝数关系知eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)，即U2＝eq\f(n2,n1)U1因为输出电压测量值小于理论值，则可能是n2偏小或n1偏大，故A、B错误；副线圈阻值不影响输出电压，故C错误；若铁芯B没有安装在铁芯A上，则可能导致漏磁，使得输出电压偏小，故D正确。(5)变压器线圈通电后会产生磁场，从而对变压器上端的横条铁芯有吸引作用，则与变压器未通电时相比较，此时若将可拆变压器上端的横条铁芯取下将更费力，选项A正确；若仅增加原线圈绕制的圈数，则次级电压减小，小灯泡的亮度将变暗，选项B错误；若仅增加副线圈绕制的圈数，则次级电压变大，输出功率变大，学生电源的过载指示灯可能会亮起，选项C正确；变压器的工作原理是电磁感应现象，在原线圈上将电能转化为磁场能，在副线圈上将磁场能转化为电能，铁芯起到传递能量的作用，而不是导电，故D错误。对点训练❶(多选)(2023·安徽高二期中)某班物理实验课上，同学们用可拆变压器探究“变压器的电压与匝数的关系”。可拆变压器如图甲、乙所示。(1)下列说法正确的是_CD__。A．为确保实验安全，实验中要求原线圈匝数小于副线圈匝数B．变压器原线圈接低压交流电，测量副线圈电压时可以选用多用电表的“直流电压挡”C．可以先保持原线圈电压、匝数不变，改变副线圈的匝数，研究副线圈匝数对副线圈电压的影响D．变压器铁芯是由相互绝缘的薄硅钢片平行叠压而成的，而不是采用一整块硅钢(2)小明同学把交流电源接在原线圈两端，调节学生电源使输出电压为30V，用多用电表交流电压10V挡测量副线圈两端电压，测量结果如图丙所示，则示数为_4.4__V，原、副线圈匝数比最有可能的值是_C__。(填选项前字母)A．4∶1 B．5∶1C．6∶1 D．9∶1解析：(1)为确保实验安全，实验中要求原线圈匝数大于副线圈匝数，让副线圈上得到较低的电压，故A错误；变压器原线圈接低压交流电，测量副线圈电压时应当用多用电表的“交流电压挡”，故B错误；可以先保持原线圈电压、匝数不变，改变副线圈的匝数，研究副线圈匝数对副线圈电压的影响，故C正确；变压器铁芯是利用由相互绝缘的薄硅钢片平行叠压而成的，而不是采用一整块硅钢，这样设计的原因是减小涡流，提高变压器的效率，故D正确。(2)由图丙可知，电压挡10V的量程精度为0.2V，则读数估读到0.1V，故示数为U2＝4.4V。根据理想变压器的电压比等于匝数比，有eq\f(n1,n2)＝eq\f(U1,U2)＝eq\f(30,4.4)，考虑变压器有一定的电能损失，则最接近的匝数比为6∶1，故A、B、D错误，C正确。探究二创新拓展实验本实验的创新有两个视角：视角一：不改变实验原理，改变实验目的，在原线圈两端电压和匝数一定时，用多用电表测出副线圈两端电压就可以求出副线圈的匝数。视角二：不改变实验装置和实验目的，还可以探究变压器是否是理想变压器。典例剖析典例2如果把一个可拆变压器看成理想变压器，两个线圈分别为A、B，现要测量A线圈的匝数，提供的器材有：一根足够长的绝缘导线、一只多用电表和低压交流电源。(1)请简要叙述实验步骤(写出要测的物理量，并用字母表示)。答案：见解析(2)A线圈的匝数为nA＝eq\f(UA,U)n。(用所测物理量符号表示)解析：(1)①用长导线绕一个n匝线圈，作为副线圈替代A线圈。②把低压交流电源接B线圈，用多用电表交流电压挡测得绕制的线圈的输出电压U。③用A线圈换下绕制的线圈用多用电表交流电压挡测得A线圈的输出电压UA。(2)nA＝eq\f(UA,U)n。对点训练❷(2022·山东菏泽高二期中)在“探究变压器线圈两端的电压和匝数的关系”实验中，可拆变压器结构如图所示。(1)原线圈中接入的电源是_C__；A．接入电压为220V交流电源B．接入学生电源12V以下直流输出端C．接入学生电源12V以下交流输出端(2)用匝数na＝400匝和nb＝800匝的变压器，实验测量数据如表：Ua/V2.803.804.905.90Ub/V6.008.029.9812.00根据测量数据可判断原线圈匝数为_800__匝。(填“400”或“800”)(3)一次实验中，变压器原、副线圈的匝数分别为400匝和200匝，测得的电压分别为8.00V和3.90V，据此可知电压比与匝数比并不相等，主要原因是_有漏磁、铁芯发热__(至少说出两个原因)。解析：(1)在“探究变压器线圈两端的电压和匝数的关系”实验中，为了人身安全，原线圈两端只能使用低压交流电源，所用电源电压不超过12V，故A、B错误，C正确，故选C。(2)由于变压器不是理想变压器，存在电能损耗，当原线圈是na、副线圈为nb，则eq\f(Ua,Ub)>eq\f(1,2)，当原线圈是nb、副线圈为na，则eq\f(Ua,Ub)<eq\f(1,2)，由表格中数据可知，eq\f(Ua,Ub)<eq\f(1,2)，则原线圈为nb，即原线圈为800匝。(3)根据题意可知，电压比与线圈匝数比不相等，主要原因是变压器不是理想变压器，即有漏磁、铁芯发热等影响。1．(2023·北京房山高二期中)利用如图所示的装置可以探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系：(1)(多选)除图中所示器材外，还需要的器材有_BD__。A．干电池 B．低压交流电源C．直流电压表 D．交流电压表(2)(多选)下列说法正确的是_BC__。A．变压器工作时，通过铁芯导电把电能由原线圈输送到副线圈B．变压器工作时在原线圈上将电能转化为磁场能，在副线圈上将磁场能转化为电能C．理想变压器输入功率等于输出功率，没有能量损失D．变压器副线圈上不接负载时，原线圈两端电压为零(3)实验中，图中变压器的原线圈接“0,800匝”接线柱，所接电源电压为交流10.0V，副线圈接“0,400匝”接线柱，则副线圈两端电压是_D__。A．20.0V B．15.0VC．5.0V D．2.5V(4)由于变压器工作时有能量损失，实验测得的原、副线圈的电压比应当eq\f(U1,U2)_>__(选填“>”“＝”或者“<”)原、副线圈的匝数比eq\f(n1,n2)。解析：(1)变压器只能改变交流电的电压，必须要有低压交流电源提供交流电，故B正确，A错误；原线圈输入交流电压，副线圈输出交流电压，故应用交流电压表测量输入和输出电压，故D正确，C错误。(2)变压器的工作原理是电磁感应现象，而不是通过铁芯导电把电能由原线圈输送到副线圈的，故A错误；变压器工作时在原线圈上将电能转化成磁场能，在副线圈上将磁场能转化成电能，故B正确；理想变压器不漏磁、无能量损失，输入功率和输出功率相等，故C正确；变压器的原线圈两端电压由发电机提供，副线圈上不接负载时，原线圈两端的电压不变，故D错误。(3)如果是理想变压器，电压与匝数成正比eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)＝eq\f(800,400)故U1＝10.0V时解得U2＝eq\f(U1,2)＝5.0V但是本题中变压器不是理想变压器，故副线圈输出电压应小于5V，故选D。(4)根据理想变压器原理可知，原副线圈两端电压之比等于原副线圈匝数之比，即变压器原、副线圈电压应与其匝数成正比，实验中由于变压器的铜损、磁损和铁损，导致变压器的铁芯损失一部分能量，所以副线圈上的电压的实际值一般略小于理论值，所以实验测得的原、副线圈的电压比应当大于原、副线圈的匝数比。2．(2022·山东济宁高二期中)某班物理实验课上，同学们用可拆变压器探究“变压器的电压与匝数的关系”。可拆变压器如图甲、乙所示。(1)一位同学实验时，观察两个线圈的导线，发现粗细不同，他选择的原线圈为800匝，副线圈为400匝，原线圈接学生电源的正弦交流输出端，所接电源为“8V”挡位，测得副线圈的电压为4.2V。则下列叙述中可能符合实际情况的一项是_B__。A．原线圈导线比副线圈导线粗B．学生电源实际输出电压大于标注的“8V”C．原线圈实际匝数与标注“800”不符，应大于800匝D．副线圈实际匝数与标注“400”不符，应小于400匝(2)变压器铁芯是利用由相互绝缘的薄硅钢片平行叠压而成的，而不是采用一整块硅钢，如图所示。图中，硅钢片应平行于_D__。A．平面abcd B．平面abfeC．平面abgh D．平面aehd解析：(1)原线圈800匝，副线圈400匝，副线圈匝数少电流大，因此副线圈比较粗，减小热损，故A错误；因为原副线圈匝数比为2∶1，副线圈实际电压为4.2V，因此学生电源实际电压可能大于标注的“8V”，故B正确；根据eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)可知，若原线圈实际匝数与标注“800”不符，应小于800匝，若副线圈实际匝数与标注“400”不符，应大于400匝，故C、D错误。(2)磁感线环绕方向应该沿闭合铁芯，产生的涡流应沿abcd平面，为了减小涡流影响，硅钢片应平行于平面aehd，故A、B、C错误，D正确。3．(2023·山西河津市高二期中)功放内部的变压器一般为环状，简称环牛(环牛效率极高，可看成理想变压器)，如图所示，某同学探究变压器