3.3 科学探究：变压器 课件(共39张PPT) 2024-2025学年高中物理鲁科版（2019）选择性必修第二册

(共39张PPT)
第三节 科学探究：变压器
教学课件
Teaching Courseware
20XX.XX.XX
第三章 交变电流与远距离运输
高中物理鲁科版（2019）选择性必修第二册
PART.1
PART.2
PART.3
PART.4
素养目标
新课讲解
新课导入
经典例题
目录
CONTENTS
PART.2
PART.4
课堂练习
课堂小结
素养目标
1.【物理观念】知道变压器的构造及几种常见的变压器。
2.【科学思维】理解变压器的工作原理及工作规律。
3.【科学探究】通过实验探究变压器的原、副线圈中电压与匝数的关系。
4.【科学思维】应用变压器电压与匝数的关系求解具体问题。
新课导入
我们国家民用统一供电均为220V，如何使这些额定电压不是220V的电器设备正常工作呢？ 生产生活中有各种变压器，有的把低压升为高压，有的把高压降为低压。变压器是如何改变电压的呢
家庭用电 220V
手机充电电压5V
高压输电：U > 100 KV
新课讲解
New lesson explanation
新课讲解
一、变压器的工作原理
变压器是一种能升高或降低交变电流电压的装置。
副线圈
原线圈
U2
R
n1
n2
示意图
U1
铁芯
n1
n2
闭合铁芯 ：绝缘硅钢片叠合而成（由涂有绝缘漆的硅钢薄片叠合而成）
原线圈n1 ( 初级线圈 )：接交流电源
副线圈n2( 次级线圈 )：接用电器（负载）
变压器
U1：输入电压 U2：输出电压
新课讲解
现象是变压器工作的基础。 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，铁芯中的 也在不断变化。变化的磁场在副线圈中产生 ，所以尽管两个线圈之间没有导线相连(彼此绝缘)，副线圈也能够 。
说明：变压器不改变交变电流的周期和频率。
互感
电流
磁场
感应电动势
输出电流
变压器通过闭合铁芯，利用互感现象实现了：
电能 → 磁场能 → 电能
(U1、I1) (变化的磁场) ( U2、I2)
新课讲解
二、探究变压器电压与线圈匝数的关系
1.实验目的：研究变压器电压与线圈匝数间的定量关系。
2.实验器材：可拆变压器、电压交流电源、交流电压表、导线。
3.实验原理：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；
新课讲解
4.实验步骤：
（1）按如图所示连接好电路图，并记录两个线圈的匝数；
（2）接通电源,用交流电压表测量原、副线圈两端的电压值U1、U2,并记录在表格中；
（3）保持匝数不变,多次改变输入电压,记录每次改变电压后原、副线圈两端的电压值；
（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,记录每次的副线圈匝数和对应的电压值；
（5）相应数据填入表格；
新课讲解
当输入电压不变，原线圈的匝数不变。
U1与n1一定，U2与n2成正比
新课讲解
输入电压不变，副线圈的匝数不变。
U1与n1一定，
U1与n2一定，
U2与n2成正比
U2与n1成反比
新课讲解
5.实验结论：
在误差允许的范围内,变压器原、副线圈两端电压之比等于原、副线圈的匝数之比,即=.
6.注意事项：
(1）在改变学生电源电压、线圈匝数前均要先断开开关，再进行操作。
(2）为了人身安全学生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，先用最大量程挡测试，大致确定被测电压后在选用适当的挡位进行测量。
新课讲解
三、理想变压器电压的基本关系
1.概念：没有 的变压器叫作理想变压器。
(1)原、副线圈中的电流产生的磁场完全束缚在闭合铁芯内，即无“漏磁”。
(2)原、副线圈不计电阻，电流通过时不产生焦耳热，即无“铜损”。
(3)闭合铁芯中的涡流为零，即无“铁损”。
理想化模型
能量损耗
如图所示，当原线圈接交流电源时，小灯泡是否发光？
发光
如果原线圈接入的是恒定电流，灯泡会亮吗？
不会
若变压器为理想变压器，则小灯泡电功率与变压器的输入功率有什么关系？
相等
新课讲解
2.电动势关系
n1
n2
U1
~
U2
~
R
交变电源
原线圈感应电动势：
副线圈感应电动势：
无漏磁：
综合得：
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。
新课讲解
当n2>n1时， ，变压器使电压升高，是升压变压器。
当n2U2>U1
U21.电压关系
等于
2.功率关系
从能量守恒看，理想变压器的输入功率 输出功率，即 。
P入= P出
新课讲解
3.电流关系
(2)当有多个副线圈时，I1U1＝I2U2＋I3U3＋…或n1I1＝n2I2＋n3I3＋…。
4.变压器的电动势关系、电压关系和电流关系是有效值(或最大值)间的关系，对于某时刻的瞬时值，这些关系不成立。
5.电流与匝数成反比只适用于有一个副线圈的情况，有多个副线圈时不成立。
新课讲解
实际应用中需要改变交流电压的场合是很多的。大型发电机发出的交流，电压为几万伏。而用电器使用电压不一样。由于有了变压器，交流的电压容易改变，所以交流得到了广泛的应用。
3.变压器应用
变电站的大型变压器
街头变压器
新课讲解
自耦变压器
U2
U1
A
B
P
U1
U2
n1
n2
n2 >n1 U2>U1
升压变压器
n1
n2
U1
U2
n2 降压变压器
自耦变压器的原副线圈共用一个线圈
应用：可实现交变电压的连续调节、较大范围变压。
新课讲解
A
电流互感器
电压互感器
V
使用时把原线圈与电路并联，
原线圈匝数多于副线圈匝数
使用时把原线圈与电路串联，原线圈匝数少于副线圈匝数
应用：测高电压
应用：测大电流
互感器
新课讲解
无线充电技术原理
手机开始充电时，底座同时亮起了一圈呼吸灯，互感。
次级线圈
初级线圈
输入
交流电
输出
感应电流
经典例题
Classic Example
经典例题
例1 (多选)如图所示,变压器的原线圈两端连接导轨,副线圈和电阻R相连构成闭合回路,导体棒在垂直于导轨平面的匀强磁场中沿导轨向右匀速切割磁感线.下列说法正确的是( 　)
A.电压表V1的示数不为零
B.电压表V1的示数为零
C.电压表V2的示数不为零
D.电压表V2的示数为零
AD
经典例题
[解析] 当导体棒做匀速直线运动切割磁感线时,导体棒中产生恒定的感应电动势,所以电压表V1的示数不为零,A正确,B错误;
由于导体棒中产生的感应电动势恒定,变压器原线圈中的电流恒定,使得穿过变压器副线圈的磁通量不变,副线圈所在回路没有感应电动势,所以电压表V2的示数为零,C错误,D正确.
经典例题
例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　　　　(填选项前的字母).
A.为了人身安全,只能使用低压直流电源,所用电压不要超过12 V
B.连接好电路后,可不经检查电路连接是否正确,直接接通电源
C.因为使用电压较低,所以通电时可用手直接接触裸露的导线、接线柱
D.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
D
经典例题
[解析] 为了人身安全,原线圈两端只能使用低压交流电源,所用电压不超过12 V,故A错误;
实验通电前必须先检查电路连接是否正确,B错误;
实验通电时用手接触裸露的导线、接线柱等,会将人体并联进电路中,导致所测数据不准确,同时存在安全隐患,故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.
经典例题
例2在“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”的实验中:
(2)某实验小组通过实验,记录的数据如下表:
通过分析实验数据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
原线圈匝数n1(匝) 100 200 400 400
副线圈匝数n2(匝) 400 400 200 800
原线圈两端的电压U1(V) 1.96 4.90 8.00 4.86
副线圈两端的电压U2(V) 7.80 9.76 3.90 9.64
经典例题
[解析] 通过分析实验数据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.
原线圈匝数n1(匝) 100 200 400 400
副线圈匝数n2(匝) 400 400 200 800
原线圈两端的电压U1(V) 1.96 4.90 8.00 4.86
副线圈两端的电压U2(V) 7.80 9.76 3.90 9.64
课堂练习
Classroom Practice
课堂练习
1.如图所示，理想变压器的输入端通过灯泡L1与输出电压稳定的正弦式交变电源相连，副线圈通过导线与两个相同的灯泡L2和L3相连，开始时开关S处于断开状态。当S闭合后，所有灯泡都能发光，下列说法正确的是（ ）
A、灯泡L1变亮；
B、灯泡L2变亮；
C、原线圈两端电压不变；
D、副线圈两端电压变大；
A
课堂练习
2.某同学设计了一个充电装置,如图所示.假设永磁铁的往复运动在螺线管中产生近似正弦式交流电,周期为0.2 s,电压最大值为0.05 V.理想变压器原线圈接螺线管,副线圈接充电电路,原、副线圈匝数比为1∶60.下列说法正确的是(　　)
A.交流电的频率为10 Hz
B.副线圈两端电压最大值为3 V
C.变压器输入电压与永磁铁磁场强弱无关
D.充电电路的输入功率大于变压器的输入功率
B
课堂练习
[解析] 交流电的频率为f==5 Hz,A错误;
由=、U1=得U2m=U1m=3 V,B正确;
原线圈中的感应电流是由磁铁与线圈相对运动引起的,永磁铁磁场强弱将影响原线圈中的电流大小,故C错误;
对理想变压器,变压器的输入功率等于输出功率,而变压器的输出功率又等于充电电路的输入功率,故D错误.
课堂练习
3.如图所示,理想变压器的原线圈接在u=220sin 100πt(V)的交流电源上,副线圈接有R=55 Ω的负载电阻,原、副线圈匝数之比为2∶1,电流表、电压表均为理想电表.下列说法正确的是 (　)
A.原线圈的输入功率为220 W
B.电流表的读数为1 A
C.电压表的读数为110 V
D.副线圈输出交流电的周期为50 s
B
课堂练习
[解析] 理想变压器原线圈两端电压的有效值为U1=220 V,由=,得U2==110 V,即电压表的读数为110 V,通过负载电阻的电流I2== A=2 A,则副线圈的输出功率P=U2I2=110×2 W=220 W,原线圈的输入功率等于副线圈的输出功率,为220 W,故选项A、C错误;
由n1I1=n2I2,得I1==1 A,即电流表的读数为1 A,选项B正确;
由u=220sin 100πt(V)可知,角速度ω=100π rad/s,原线圈所
接交流电的周期T==0.02 s,副线圈输出交流电的周期不变
,仍为0.02 s,选项D错误.
课堂练习
4. 如图所示,理想变压器的a、b端所接的交变电压u=16sin 100πt(V),L1、L2是两个规格为“4 V　3 W”的灯泡,现调节电阻箱R为某一值时恰好能使两个灯泡均正常发光,电压表V1、V2均为理想交流电压表.电阻箱R调节过程中所有元件均可安全工作,忽略灯泡电阻的变化,则(　)
A.t=0.005 s时,V1的示数为12 V
B.变压器原、副线圈匝数比为4∶1
C.增大电阻箱R连入电路的阻值,电压表V1的示数增大
D.增大电阻箱R连入电路的阻值,电压表V2的示数不变
C
课堂练习
[解析] 理想变压器的a、b端所接的交变电压的有效值为U==16 V,当两个灯泡均正常发光时,原线圈两端电压为U1=U-UL=12 V,理想交流电压表测得的是电压的有效值,所以t=0.005 s时,V1的示数为12 V,副线圈两端电压为U2=UL=4 V,变压器原、副线圈匝数比为==3,故A、B错误;
设变压器原、副线圈中电流分别为I1、I2,则I1=I2=I2,原、副线圈匝数比不变,则I1与I2的关系不变,增大电阻箱R连入电路的阻值,副线圈的总电阻R总增大,所以I2减小,则I1减小,故灯泡L1两端电压减小,因U不变,所以U1增大,易知
U2也增大,即电压表V1和V2示数都增大,故C正确,D错误.
5.一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√
课堂练习
课堂小结
Class Summary
课堂小结
基 本 关 系 功率关系 根据能量守恒可得:原线圈的输入功率等于副线圈的输出功率,即P入=P出
电压关系 只有一个副线圈时:=
有多个副线圈时:===…
电流关系 只有一个副线圈时:=
有多个副线圈时:I1n1=I2n2+I3n3+…+Innn
频率关系 f1=f2(变压器不改变交变电流的频率)
感谢观看
THANK YOU