人教版(新教材)高中物理选择性必修2学案：3 3 第1课时 实验：探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系

人教版(新教材)高中物理选择性必修第二册PAGEPAGE1第3节变压器学习目标要求核心素养和关键能力1.了解变压器的构造及几种常见的变压器，理解变压器的工作原理。2.掌握理想变压器的基本关系，并能用它解决相关问题。3.能够利用闭合电路欧姆定律结合理想变压器的基本关系对电路动态分析。1.核心素养(1)利用能量观点分析变压器的变压过程。(2)知道理想变压器是一种理想化物理模型。2.关键能力物理建模能力和分析推理能力。第1课时实验：探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系一、变压器的原理1．构造：变压器是由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成的。2．原线圈：与交流电源连接的线圈叫原线圈，也叫初级线圈。副线圈：与负载连接的线圈叫副线圈，也叫次级线圈。3．工作原理：利用互感现象。〖想一想〗变压器能改变恒定电流的电压吗？〖提*示〗变压器的变压原理是互感现象。若通过原线圈的电流为恒定电流，则在铁芯中激发的磁场为恒定磁场，副线圈中无感应电动势产生，因此变压器不能改变恒定电流的电压。二、实验思路1．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，副线圈的输出电压的变化；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．用控制变量法研究。三、实验器材两只多用电表、学生电源(低压交流电源)、开关、可拆变压器(如图甲)、导线若干。四、实验步骤1．按图乙所示连接好电路，将两个多用电表调到交流电压挡，并记录两个线圈的匝数。2．接通学生电源，读出电压值，并记录在表格中。3．保持匝数不变，多次改变输入电压，记录每次改变后原、副线圈的电压值。4．保持输入电压、原线圈的匝数不变，多次改变副线圈的匝数，记录下每次的副线圈匝数和对应的电压值。五、实验结论实验分析表明，原、副线圈的电压之比等于两个线圈的匝数之比，即eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)。六、注意事项1．在改变学生电源的电压、线圈匝数前均要先断开开关，再进行操作。2．为了保证人身安全，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。3．为了保证多用电表的安全，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用适当的挡位进行测量。七、实验误差分析实验中的误差主要是(1)实验所用变压器存在各种损耗；(2)多用电表的读数存在误差。〖例1〗(2021·北京朝阳区期末)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________。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．变压器的原线圈接低压交变电流，测量副线圈电压时应当用多用电表的“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．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E．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F．变压器开始正常工作后，若不计各种损耗，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(2)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________。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，小灯泡的亮度将保持不变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(3)理想变压器是一种理想化模型。请分析说明该模型应忽略哪些次要因素；并证明：理想变压器原、副线圈的电压之比等于两个线圈的匝数之比，即eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)。〖答案〗(1)CDF(2)AC(3)见〖解析〗〖解析〗(1)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；变压器只能改变交变电流的电压，原线圈输入交流电压，副线圈输出交流电压，应用多用电表的“交流电压挡”测量，故B错误；研究变压器线圈两端电压和匝数的关系时，用到了控制变量法，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；为了保护电表，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D正确；变压器的工作原理是电磁感应现象，即不计各种损耗时，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，铁芯起到“传递”磁场能的作用，而不是铁芯直接导电，传输电能，故E错误，F正确。(2)与变压器未通电时相比较，通电时，线圈产生磁性，对横条铁芯具有吸引力，若将可拆变压器上端的横条铁芯取下将更费力，故A正确；增加原线圈绕制的圈数，根据原、副线圈的电压比等于匝数比可知，输出电压减小，灯泡的亮度降低，故B错误；增加副线圈绕制的圈数，根据原、副线圈的电压比等于匝数比可知，输出电压增大，根据欧姆定律可知，输出电流增大，根据变流比可知，输入电流增大，学生电源的过载指示灯可能会亮起，故C正确。(3)理想变压器模型应忽略的次要因素如下：①不计漏磁，即通过原、副线圈每匝线圈的磁通量都相等，因而不计磁场能损失；②不计原、副线圈的电阻，因而不计线圈的热能损失；③不计铁芯中产生的涡流，因而不计铁芯的热能损失。综上，理想变压器在传输能量时没有能量损失。根据法拉第电磁感应定律，原、副线圈产生的感应电动势分别为E1＝n1eq\f(ΔΦ,Δt)，E2＝n2eq\f(ΔΦ,Δt)。因理想变压器不计原、副线圈的电阻，则线圈两端的电压等于它产生的感应电动势，即U1＝E1，U2＝E2，联立解得eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)。〖例2〗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________(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．滑动电阻器F．条形磁体G．可拆变压器(铁芯、两个已知匝数的线圈)(2)该同学通过实验得到了如下表所示的实验数据，表中n1、n2分别为原、副线圈的匝数，U1、U2分别为原、副线圈的电压，通过实验数据分析可以得到的实验结论是：___________________________________________________________。实验次数n1/匝n2/匝U1/VU2/V1160040012.12.90280040010.24.95340020011.95.92〖答案〗(1)BCG(2)在误差允许的范围内，原、副线圈的电压之比等于原、副线圈的匝数之比，即eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)〖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，需要用多用表测量电压，C需要；本实验不需要条形磁体，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BCG。(2)通过数据计算可得，在误差允许的范围内，原、副线圈的电压之比等于原、副线圈的匝数之比，即eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)。〖针对训练〗理想变压器是指在变压器变压的过程中，线圈和铁芯不损耗能量、磁场被束缚在铁芯内不外漏的变压器。现有一个理想变压器、一个原线圈(匝数为n1)和一个副线圈(匝数为n2)。甲、乙两位同学想探究这个理想变压器的原、副线圈两端的电压与线圈匝数的关系。(1)甲同学的猜想是U1∶U2＝n1∶n2；乙同学的猜想是U1∶U2＝n2∶n1。你认为猜想合理的同学是________，你做出上述判断所依据的物理规律是___________________________________________________________________。(2)为了验证理论推导的正确性，可以通过实验来探究。为保证实验安全、有效地进行，应选用____________电源。(3)在实验时，若采用多用电表进行测量，应先将选择开关置于____________挡，并选用________量程进行试测，大致确定被测数据后，再用适当的量程进行测量。〖答案〗(1)甲法拉第电磁感应定律(2)低压(一般低于12V)交流(3)交流电压最大〖解析〗(1)由变压器的工作原理可知，猜想合理的同学是甲同学。做出上述判断依据的物理规律是法拉第电磁感应定律。(2)为了保证实验安全、有效地进行，应选用低压(一般低于12V)交流电源。(3)使用多用电表时，应先将选择开关置于交流电压挡，并选用最大量程进行试测。1．在“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”的实验中，实验室中备有下列可供选择的器材：A．可拆变压器(铁芯、两个已知匝数的线圈)B．条形磁体C．直流电源D．多用电表E．开关、导线若干(1)上述器材在本实验中不必用到的是________________(填器材前的序号)。(2)本实验中还需用到的器材_______________________________________________________________________________________________________________。〖答案〗(1)B、C(2)(低压)交流电源〖解析〗(1)由本实验的实验原理可知，本实验不必用到的器材是B.条形磁体和C.直流电源。(2)为使实验安全，本实验用到的电源是学生电源，且利用低压交流挡。2．在“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”的实验中。(1)为了确保实验的安全，下列做法正确的是________。A．为了保证人身安全，只能使用低压直流电源，所用电压不要超过12VB．连接好电路后，可不经检查电路是否正确，直接接通电源C．因为使用电压较低，通电时可用手直接接触裸露的导线和接线柱D．为了保证多用表的安全，使用交流电压挡测电压时，先用最大量程挡试测(2)某实验小组通过实验，记录的数据如下表：原线圈匝数n1(匝)100200400400副线圈匝数n2(匝)400400200800原线圈两端的电压U1(V)1.964.908.004.86副线圈两端的电压U2(V)7.809.763.909.64通过分析实验数据可得出的实验结论是_______________________________________________________________________________________________________。〖答案〗(1)D(2)在误差允许范围内，变压器原、副线圈的电压比等于匝数比〖解析〗(1)变压器改变的是交流电压，因此为了保证人身安全，原线圈两端只能使用低压交流电源，所用电压不超过12V，A错误；实验通电前必须要先检查电路是否正确，通电时用手接触裸露的导线、接线柱等，会将人体并联入电路中，导致所测数据不准确，同时也有安全隐患，B、C错误；使用多用电表测电压时，先用最高量程挡试测，再选用恰当的挡位进行测量，故D正确。(2)分析每组实验数据，可知eq\f(U1,U2)与eq\f(n1,n2)的值近似相等，可得出的实验结论是，在误差允许范围内，变压器原、副线圈的电压比等于匝数比。3．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