3.3 科学探究：变压器 学案

第3节　科学探究：变压器 学案
学习目标：
1.知道变压器的构造及几种常见的变压器。　
2.理解变压器的工作原理及工作规律。　
3.通过实验探究变压器的原、副线圈中电压与匝数的关系。
基础知识：
一、变压器的工作原理
1．变压器的构造
(1)变压器：能升高或降低交变电流电压的装置称为变压器。
(2)构造：由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个或两个以上的线圈组成，符号如图所示。
①原线圈：与交流电源连接的线圈，也叫初级线圈，符号用n1。
②副线圈：与负载连接的线圈，也叫次级线圈，符号用n2。
③输入电压：原线圈两端的电压，用符号U1表示。
④输出电压：副线圈两端的电压，用符号U2表示。
2．原理
(1)如图所示，当原线圈两端加上交变电压时，就有交变电流通过原线圈，并在铁芯中产生交变的磁场，铁芯中的磁通量发生变化，这个变化的磁通量在副线圈两端产生感应电动势。
(2)如果变压器在传输电能的过程中损失的能量很小，可以忽略不计，这种变压器就叫作理想变压器。
二、探究变压器电压与线圈匝数的关系
1．实验目的：探究变压器电压与线圈匝数的定量关系。
2．实验器材：可拆变压器、低压交流电源、交流电压表、带夹的导线。
3．实验步骤
(1)要先估计被测电压的大致范围，再选择恰当的量程，若不知道被测电压的大致范围，则应选择交流电压表的最大量程进行测量。
(2)把两个线圈穿在铁芯上，闭合铁芯。
(3)用交流电压表测量输入、输出电压。
(4)改变输入端电压，重新测量输入、输出端电压，记录在设计好的表格内。
(5)改变线圈匝数，重新测量输入、输出端电压，记录在上面设计好的表格内。
4．注意事项
(1)在改变低压交流电源电压、线圈匝数前均要先断开开关，再进行操作。
(2)为了人身安全，低压交流电源的电压不能超过12 V，不能用手接触裸露的导线和接线柱。
(3)为了多用电表的安全，使用交流电压挡测电压时，先用最大量程挡试测，大致确定被测电压后再选用适当的挡位进行测量。
三、理想变压器的电压与线圈匝数的关系
1．电压与匝数的关系：原、副线圈的电压之比等于两个线圈的匝数之比，即＝。
2．两类变压器：副线圈的电压比原线圈电压低的变压器叫降压变压器；副线圈的电压比原线圈电压高的变压器叫升压变压器。
3．自耦变压器
铁芯上只绕有一个线圈，如果把整个线圈作为原线圈，副线圈只取线圈的一部分，就可以降低电压，反之则可以升高电压，如图所示．
重难点理解：
一、理想变压器的特点及原理
1．理想变压器的特点
(1)原、副线圈的电阻不计，不产生热量。
(2)变压器的铁芯无漏磁，原、副线圈磁通量无差别。
(3)变压器自身的能量损耗不计，原线圈的输入功率等于副线圈的输出功率。
2．工作原理
(1)原理
互感现象是变压器工作的基础．电流通过原线圈时在铁芯中激发磁场，由于电流的大小、方向在不断变化，所以铁芯中的磁场也在不断变化．变化的磁场在副线圈中产生了感应电动势，副线圈也能够输出电流．
(2)原理图解
典例1、(多选)如图所示为一理想变压器，原、副线圈的匝数比n1∶n2＝1∶2，U1＝220sin ωt (V)，n1＝1 100匝，以下说法正确的是(　　)
A．穿过原、副线圈的磁通量的变化率之比为1∶2
B．穿过原、副线圈的磁通量的变化率的最大值相等，均为 V
C．原、副线圈每一匝产生的电动势有效值相等，均为0.2 V
D．原、副线圈电压的最大值之比为1∶2
答案　BCD
解析　对于理想变压器，由于没有磁通量损耗，所以穿过原、副线圈的磁通量的大小相等，磁通量的变化率相等，A错误．根据E1＝n1得磁通量的变化率的最大值为每一匝线圈产生的电动势的最大值，即()max＝ V＝ V，所以每一匝线圈产生的电动势的有效值为0.2 V，B、C正确．由于原、副线圈的匝数比为1∶2，所以原、副线圈电压的最大值之比也为1∶2，D正确．
理想变压器的四点注意
(1)变压器不能改变直流电压。
(2)变压器只能改变交变电流的电压和电流，不能改变交变电流的频率。
(3)理想变压器本身不消耗能量。
(4)理想变压器基本关系中的U1、U2、I1、I2均为有效值。
二、理想变压器的基本关系应用
1．理想变压器的变压(变流)规律
规律表示 依据 备注
变压规律 ＝＝… E＝n 适于一个原线圈及多个副线圈的情况
功率关系 P入＝P出 能量守恒 适于理想变压器
变流规律 ＝ U1I1＝U2I2 适于一个原线圈一个副线圈
n1I1＝n2I2＋n3I3… U1I1＝U2I2＋U3I3… 适于一个原线圈，多个副线圈
＝ U1I1＝U2I2 适于一个原线圈一个副线圈
2.理想变压器各物理量间的制约关系
(1)输入电压决定输出电压：由＝，得U2＝U1。
当U1不变时，U2也不会变，与负载电阻R多大及是否变化无关。
(2)输出功率决定输入功率：对理想变压器P出＝P入。
(3)负载决定输出电流：当U1一定时，U2也一定，对副线圈有I2＝，所以当R变化时，I2也随之变化，即R变大，I2变小；R变小，I2变大。
(4)输出电流决定输入电流：由n1I1＝n2I2得I1＝I2，所以当I2变化时，I1也随之变化。即I2变大，I1变大；I2变小，I1也变小。
3．对理想变压器进行动态分析的两种常见情况
(1)原、副线圈匝数比不变，分析各物理量随负载电阻变化而变化的情况，进行动态分析的顺序是R→I2→P出→P入→I1.
(2)负载电阻不变，分析各物理量随匝数比的变化而变化的情况，进行动态分析的顺序是n1、n2→U2→I2→P出→P入→I1.
典例2、如图，理想变压器原、副线圈匝数比n1∶n2＝4∶1，电压表和电流表均为理想电表，灯泡电阻RL＝110 Ω，A、B端电压u1＝220sin 100πt(V)．下列说法正确的是(　　)
A．副线圈输出的交流电的频率为25 Hz
B．电压表的示数为55 V
C．电流表的示数为1.0 A
D．变压器输入功率为27.5 W
答案　D解析　由题可知，交流电的频率f＝50 Hz，故A错误；原线圈两端的电压有效值为 V＝220 V，由＝可知U2＝55 V，电压表的示数为55 V，故B错误；电流表的示数为 A＝0.5 A，故C错误；变压器的输入功率等于输出功率，大小为0.5×55 W＝27.5 W，故D正确．
典例3、如图所示，理想变压器的副线圈上通过输电线接有两个相同的灯泡L1和L2，输电线的等效电阻为R，开始时，开关K断开，当K接通时，以下说法正确的是(　　)
A．副线圈两端M、N的输出电压减小
B．副线圈输电线等效电阻R上的电压减小
C．通过灯泡L1的电流增大
D．原线圈中的电流增大
答案　D解析　输入电压和原、副线圈的匝数比不变，由＝可知副线圈两端M、N的输出电压不变，A错误；当K接通时，副线圈电路的总电阻减小，总电流I2变大，输电线等效电阻R上的电压增大，并联部分的电压减小，通过灯泡L1的电流减小，B、C错误；由＝可知，电流I2变大，则I1变大，即原线圈中的电流增大，D正确．
典例4、一自耦变压器如图所示，环形铁芯上只绕有一个线圈，将其接在a、b间作为原线圈．通过滑动触头取该线圈的一部分，接在c、d间作为副线圈，在a、b间输入电压为U1的交变电流时，c、d间的输出电压为U2，在将滑动触头从M点顺时针转到N点的过程中(　　)
A．U2>U1，U2降低 B．U2>U1，U2升高
C．U2答案　C解析　由＝，n1>n2知U2巩固练习：
1．如图所示，理想变压器原、副线圈匝数之比n1∶n2＝4∶1，当导体棒在平行导轨上匀速切割磁感线时，电流表的示数是12 mA，则副线圈中电流表的示数是(　　)
A．3 mA B．48 mA
C．0 D．与R的阻值有关
2．用有效值为220 V的正弦交流电通过理想变压器对一灯泡供电，变压器输出电压的有效值是110 V，通过灯泡的电流随时间变化的规律如图所示，则(　　)
A．变压器的输入功率为110 W
B．输出电压的最大值是110 V
C．变压器原、副线圈匝数比是1∶2
D．变压器原线圈所在电路中电流的最大值为 A
3.(多选)如图所示，Q是熔断电流为1 A的保险丝，R为用电器，理想变压器的原、副线圈的匝数比为n1∶n2＝2∶1.原线圈的电压为u＝220sin (100πt) V．要使保险丝不熔断，则(　　)
A．副线圈中电流最大值不超过2 A
B．副线圈中电流有效值不超过2 A
C．R的阻值一定不能小于55 Ω
D．R的阻值一定不能小于77 Ω
4.(多选)如图所示，理想变压器的原线圈接有频率为f、电压为U的交流电，副线圈接有光敏电阻R(阻值随光照强度增强而减小)、理想交流电流表A，下列说法正确的是(　　)
A．当U增大时，变压器的输入功率增大
B．当f减小时，变压器的输入功率减小
C．当光照增强时，交流电流表A的示数减小
D．当滑动触头P向下滑动时，交流电流表A的示数增大
参考答案：
1. C．
2. A．
3.BC．
4. AD．