实验十五　探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系-2025届高中物理

第十三章交变电流电磁振荡与电磁波传感器实验十五探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系核心考点五年考情命题分析预测教材原型实验2021：广东T12；2020：全国ⅢT23用传感器制作简单的自动控制装置是近年高考命题的热点之一，且传感器类型灵活多变，不断创新.预计2025年高考中会结合各种传感器元件特点，综合考查利用传感器制作简单的自动控制装置.实验装置创新2022：北京T13；2019：全国ⅡT23实验方法创新2023：湖南T12；2021：山东T141.实验目的探究变压器原线圈电压一定时，副线圈电压与原、副线圈匝数的定量关系.2.实验原理（1）实验电路图（如图所示）：（2）实验方法采用[1]控制变量法.①n1、U1一定，研究n2和U2的关系.②n2、U1一定，研究n1和U2的关系.3.实验器材学生电源（低压交流电源，小于12V）1个、可拆变压器1个、多用电表1个、导线若干.4.实验步骤（1）保持变压器原线圈的匝数n1和电压U1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估计被测电压的大致范围，选择多用电表交流电压挡适当量程，若不知道被测电压的大致范围，则应选择交流电压挡的[2]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.②组装可拆变压器：把两个线圈穿在铁芯上，闭合铁芯，用交流电压挡测量输入、输出电压.（2）保持变压器副线圈的匝数n2和原线圈的电压U1不变，改变原线圈的匝数n1，研究n1对副线圈电压U2的影响.重复（1）中步骤.5.数据分析由数据分析变压器原、副线圈电压U1、U2之比与原、副线圈的[3]匝数n1、n2之比的关系.6.注意事项（1）要事先推测副线圈电压的可能值.（2）在改变学生电源电压、线圈匝数前均要先[4]断开电源开关，再进行操作.（3）为了人身安全，学生电源的电压不能超过12V，通电时不能用手接触裸露的导线和接线柱.（4）为了多用电表的安全，使用交流电压挡测电压时，先用最大量程挡试测，大致确定被测电压后再选用适当的挡位进行测量.7.误差分析（1）由于磁漏，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，造成涡流产生误差.命题点1教材基础实验1.某同学在实验室进行“探究变压器原、副线圈电压与匝数关系”的实验.（1）下列实验器材必须要用的有BCG（选填字母代号）.A.干电池组 B.学生电源C.多用电表 D.直流电压表E.滑动变阻器 F.条形磁铁G.可拆变压器（铁芯、两个已知匝数的线圈）（2）下列说法正确的是BC（选填字母代号）.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.要研究副线圈匝数对副线圈电压的影响，应该保持原线圈电压、匝数不变，改变副线圈的匝数C.测量电压时，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，必须要有学生电源提供交流电，B需要；学生电源本身可以调节电压，无需滑动变阻器，需要用多用电表测量电压，C需要；本实验不需要条形磁铁，用可拆变压器来进行实验，G需要；综上所述，需要的实验器材为B、C、G.（2）为确保实验安全，应该降低输出电压，实验中要求原线圈匝数大于副线圈匝数，故A错误；要研究副线圈匝数对副线圈电压的影响，应该保持原线圈电压、匝数不变，改变副线圈的匝数，进而测得副线圈电压，找出相应关系，故B正确；为了保护多用电表，测量副线圈电压时，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，故C正确；变压器不计各种损耗，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，铁芯起到传递磁场能的作用，不是铁芯导电来传输电能，故D错误.命题点2创新设计实验2.有一个教学用的可拆变压器，其铁芯粗细一致，如图甲所示，它有两个外观基本相同的A、B线圈（内部导线电阻率、横截面积相同），线圈外部还可以再绕线圈.（1）某同学用多用电表的同一欧姆挡先后测量了A、B线圈的电阻值，指针分别对应图乙中的a、b位置，则A线圈的电阻为24Ω，由此可推断A（选填“A”或“B”）线圈的匝数较多.（2）如果把该变压器看作理想变压器，现要测量A线圈的匝数，提供的器材有：一根足够长绝缘导线、一只多用电表和低压交流电源，请完成以下实验步骤：①用绝缘导线在B线圈上绕制n匝线圈；②将A线圈与低压交流电源相连接；③用多用电表的“交流电压”挡分别测量A线圈的输入电压UA和绕制（选填“绕制”或“B”）线圈的输出电压U；④则A线圈的匝数为UAUn（用已知和测得量的符号表示解析（1）多用电表欧姆挡读数＝指针指示值×倍率.a位置的读数为24，倍率为“×1”，所以A线圈电阻为24Ω.根据电阻定律知，导线电阻率、横截面积相同，导线越长，电阻越大，因为A线圈的电阻比B线圈的大，所以A线圈匝数多.（2）③因为要测量A线圈匝数，所以要把A线圈与低压交流电源相连接.变压器输入、输出电压都是交流电，所以要用交流电压挡测绕制线圈的输出电压U.④根据变压器电压比等于匝数比，有UAU＝nAn，所以nA1.[实验组合考查/2023浙江6月]以下实验中，说法正确的是CD（多选）.A.“观察电容器的充、放电现象”实验中，充电时电流逐渐增大，放电时电流逐渐减小B.“用油膜法估测油酸分子的大小”实验中，滴入油酸酒精溶液后，需尽快描下油膜轮廓，测出油膜面积C.“观察光敏电阻特性”和“观察金属热电阻特性”实验中，光照强度增加，光敏电阻阻值减小；温度升高，金属热电阻阻值增大D.“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验中，如果可拆变压器的“横梁”铁芯没装上，原线圈接入10V的交流电时，副线圈输出电压不为零解析“观察电容器的充、放电现象”实验中，充电时电流逐渐减小，放电时电流也逐渐减小，A错误；“用油膜法估测油酸分子的大小”实验中，滴入油酸酒精溶液后，需要等到油膜充分扩展成单分子油膜后，才能描绘油膜轮廓，测出油膜面积，B错误；“观察光敏电阻特性”实验中，光照强度增加，光敏电阻阻值减小，“观察金属热电阻特性”实验中，温度升高，金属热电阻阻值增大，C正确；“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验中，如果可拆变压器的“横梁”铁芯没有装上，原线圈接入10V的交流电时，只是漏磁较严重，变压器的效率会很低，但是在副线圈中仍能够产生感应电动势，副线圈输出电压不为零，D正确.2.[传感器实验在选择题中考查/2022北京]某同学利用压力传感器设计水库水位预警系统.如图所示，电路中的R1和R2，其中一个是定值电阻，另一个是压力传感器（可等效为可变电阻）.水位越高，对压力传感器的压力越大，压力传感器的电阻值越小.当a、b两端的电压大于U1时，控制开关自动开启低水位预警；当a、b两端的电压小于U2（U1、U2为定值）时，控制开关自动开启高水位预警.下列说法正确的是（C）A.U1＜U2B.R2为压力传感器C.定值电阻的阻值越大，开启高水位预警时的水位越低D.定值电阻的阻值越大，开启低水位预警时的水位越高解析水位越高，对压力传感器的压力越大，压力传感器的电阻值越小.控制开关自动开启低水位预警时水位越低，压力传感器的电阻值越大，压力传感器两端电压越大，定值电阻两端电压越小，由于a、b两端此时的电压大于U1，根据串联电路分压特点可知，R1为压力传感器，高水位时压力传感器的电阻值较小，压力传感器R1两端电压较小，U1＞U2，AB错误.若定值电阻的阻值越大，压力传感器分得的电压越小，水位升高时，压力传感器的电阻减小，分得的电压减小，很容易达到U2，即开启高水位预警时的水位越低，C正确；水位降低时，压力传感器的电阻增大，分得的电压增大，水位要降得更低，压力传感器阻值更大，分得的电压才能达到U1，即开启低水位预警的水位越低，D错误.3.[创新实验设计/2023湖南]某探究小组利用半导体薄膜压力传感器等元件设计了一个测量微小压力的装置，其电路如图（a）所示，R1、R2、R3为电阻箱，RF为半导体薄膜压力传感器，C、D间连接电压传感器（内阻无穷大）.（1）先用欧姆表“×100”挡粗测RF的阻值，示数如图（b）所示，对应的读数是1000Ω；（2）适当调节R1、R2、R3，使电压传感器示数为0，此时，RF的阻值为R1R2R3（用R1、R2、R3（3）依次将0.5g的标准砝码加载到压力传感器上（压力传感器上所受压力大小等于砝码重力大小），读出电压传感器示数U，所测数据如下表所示：次数123456砝码质量m/g0.00.51.01.52.02.5电压U/mV057115168220280根据表中数据在图（c）上描点，绘制U－m关系图线；图（c）（4）完成前面三步的实验工作后，该测量微小压力的装置即可投入使用.在半导体薄膜压力传感器上施加微小压力F0，电压传感器示数为200mV，则F0大小是0.018N（重力加速度取9.8m/s2，保留2位有效数字）；（5）若在步骤（4）中换用非理想毫伏表测量C、D间电压，在半导体薄膜压力传感器上施加微小压力F1，此时非理想毫伏表读数为200mV，则F1＞F0（填“＞”“＝”或“＜”）.解析（1）由图（b）可知，对应的读数为10×100Ω＝1000Ω.（2）根据电压传感器示数为0可得I1R1＝I2R2，I1RF＝I2R3，解得RF＝R1R2（3）把表格中的数据在图（c）上进行描点，然后用一条直线拟合，使尽可能多的点落在直线上，不在直线上的点均匀分布在直线的两侧，离直线较远的点舍弃，如图（c）所示.（4）根据U－m图像可知，当U＝200mV时，m＝1.80g，故F0＝mg＝0.018N.（5）可将C、D以外的电路等效为新的电源，C、D两点电压视为路端电压，因为换用非理想毫伏表后，当读数为200mV时，实际上C、D间断路（接理想毫伏表时）时的电压大于200mV，则在压力传感器上施加微小压力F1时C、D间的电压大于在压力传感器上施加微小压力F0时C、D间的电压，结合U－m关系图线可知，F1＞F0.4.[实验方法创新/2021山东]热敏电阻是传感器中经常使用的元件，某学习小组要探究一热敏电阻的阻值随温度变化的规律.可供选择的器材有：待测热敏电阻RT（实验温度范围内，阻值约几百欧到几千欧）；电源E（电动势1.5V，内阻r约0.5Ω）；电阻箱R（阻值范围0～9999.99Ω）；滑动变阻器R1（最大阻值20Ω）；滑动变阻器R2（最大阻值2000Ω）；微安表（量程100μA，内阻等于2500Ω）；开关两个，温控装置一套，导线若干.同学们设计了如图甲所示的测量电路，主要实验步骤如下：①按图示连接电路；②闭合S1、S2，调节滑动变阻器滑片P的位置，使微安表指针满偏；③保持滑动变阻器滑片P的位置不变，断开S2，调节电阻箱，使微安表指针半偏；④记录此时的温度和电阻箱的阻值.回答下列问题：（1）为了更准确地测量热敏电阻的阻值，滑动变阻器应选用R1（填“R1”或“R2”）.（2）请用笔画线代替导线，将图乙中实物图（不含温控装置）连接成完整电路.图甲图乙（3）某温度下微安表半偏时，电阻箱的读数为6000.00Ω，该温度下热敏电阻的测量值为3500Ω（结果保留到个位），该测量值大于（填“大于”或“小于”）真实值.（4）多次实验后，学习小组绘制了如图丙所示的图像.由图像可知，该热敏电阻的阻值随温度的升高逐渐减小（填“增大”或“减小”）.图丙答案（2）如图所示.解析（1）用半偏法测量热敏电阻的阻值，应尽可能让该电路的电压在S2闭合前、后保持不变，由于该支路与滑动变阻器左半部分并联，滑动变阻器的阻值越小，S2闭合前、后该部分电阻变化越小，从而电压的值变化越小，故滑动变阻器应选用最大值较小的R1才能更准确地进行实验.（3）微安表半偏时，该支路的总电阻为原来的2倍，即RT＋RμA＝6000Ω，由RμA＝2500Ω易得RT＝3500Ω.当断开S2，微安表半偏时，由于该支路的电阻增加，电压略有升高，根据欧姆定律可知，总电阻比原来2倍略大，也就是电阻箱的阻值略大于热敏电阻与微安表的总电阻，而实验中认为电阻箱的阻值等于热敏电阻与微安表的总电阻，因此热敏电阻的测量值比真实值偏大.（4）由于是lnRT－1T图像，当温度T升高时，1T减小，从图中可以看出lnRT减小，从而RT1.[2024哈师大附中校考]某同学在做“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验.（1）实验室中有下列器材：A.可拆变压器（铁芯、两个已知匝数的线圈）；B.条形磁铁；C.开关、导线若干；D.交流电压表.在本实验中，上述器材不需要用到的是B（器材序号字母），还需用到的器材有低压交流电源（选填“直流电源”或“低压交流电源”）.（2）该学生做实验时，先保持原线圈的匝数不变，增加副线圈的匝数，观察到副线圈两端的电压增大（选填“增大”“减小”或“不变”）；然后再保持副线圈的匝数不变，增加原线圈的匝数，观察到副线圈两端的电压减小（选填“增大”“减小”或“不变”）；上述探究过程采用的实验方法是控制变量法.（3）若实验电路图如图所示，实验时n1＝800匝，n2＝400匝，断开S，接通电源，观察到电压表的读数为6V，若可拆变压器可视为理想变压器，则：①变压器的输入电压有效值为C；A.3V B.62V C.12V D.15V②若灯泡的额定电压为6V，闭合S，灯泡能否正常发光？能（填“能”或“不能”）.解析（1）“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验中不需要条形磁铁，故选B.题中还需用到的器材是低压交流电源.（2）做实验时，先保持原线圈的匝数不变，增加副线圈的匝数，因原、副线圈电压和匝数成正比，即U1U2＝n1n2，则会观察到副线圈两端的电压增大；然后再保持副线圈的匝数不变，增加原线圈的匝数，根据U（3）①根据变压器原理可得U1＝n1n2U2＝800400×6V＝12V，故选C.②灯泡的额定电压也为6V2.为了探究理想变压器原、副线圈电压与匝数的关系，某实验小组做了下列实验.一个可变变压器原线圈接入220V正弦交流电，副线圈接有一个理想电压表.副线圈有三个抽头a、b、c.变压器总匝数为1000匝，测得S分别接a、b时电压表示数为176V、110V，已知b为线圈中点，实验初步探究得到原、副线圈电压与匝数的关系是成正比；已知抽头c与线圈下端间匝数为总匝数的四分之一，则S接c时，电压表示数为55V，抽头a、b间匝数为300匝.解析根据nb∶n1＝1∶2，Ub∶U1＝1∶2，可以得出UbU1＝nbn1，故原、副线圈电压与匝数成正比，又nc＝14n1，故Uc＝14U1＝55V，而Ua＝176V，故na＝UaU1·n1＝800匝，又nb＝12·n1＝500匝，则a、b间匝数Δnab3.某实验小组用可拆变压器探究“变压器的电压与匝数的关系”，可拆变压器如图甲、图乙所示.（1）以下给出的器材中，本实验需要用到的是BD.A.干电池B.学生电源C.实验室用电压表D.多用电表（2）关于本实验，下列说法正确的是C.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.因为使用的电压较低，通电时可直接用手接触裸露的导线进行连接C.实验时可以保持原线圈电压、匝数不变，改变副线圈的匝数，探究副线圈匝数对副线圈电压的影响D.变压器开始正常工作后，通过铁芯导电将电能从原线圈传递到副线圈（3）某次实验中，用匝数na＝400匝和nb＝800匝的线圈实验，测量的数据如下表所示，下列说法正确的是C.Ua/V1.802.803.804.90Ub/V4.006.018.029.98A.原线圈的匝数为na，用较粗导线绕制B.副线圈的匝数为na，用较细导线绕制C.原线圈的匝数为nb，用较细导线绕制D.副线圈的匝数为nb，用较粗导线绕制（4）为了