第4讲 实验:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
一、实验目的
探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系。
二、实验原理
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,铁芯中的磁场也在不断变化。变化的磁场在副线圈中产生感应电动势,副线圈中就存在输出电压。本实验通过改变原、副线圈匝数,探究原、副线圈电压与匝数的关系。
三、实验器材
两个多用电表、学生电源(低压交流电源)、开关、可拆变压器、导线若干。
四、实验步骤
1.按如图所示的电路图连接好电路,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.打开学生电源,闭合开关,读出两个电表的电压值,并记录在表格中。
3.保持原线圈的电压、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。
4.保持原线圈的电压、副线圈的匝数不变,多次改变原线圈的匝数,记录下每次的原线圈匝数和副线圈的电压值。
五、数据记录与处理
次数 1 2 3 4 …
n1/匝
n2/匝
n1∶n2
U1/V
U2/V
U1∶U2
六、实验结论
理想变压器原、副线圈的电压之比等于原、副线圈的匝数之比。
七、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.为了保证人身安全,学生电源的电压不能超过12 V,且通电时不能用手接触裸露的导线和接线柱。
3.为了保护多用电表,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合适的挡位进行测量。
八、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造成误差。
3.铁芯中有磁损耗,产生涡流,造成误差。
4.电表的读数存在误差。
考点一 基础性实验
[例1] 【实验原理与误差分析】 (2024·河北张家口模拟)某同学准备做“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验,他在实验室准备了可拆变压器(如图甲所示)、低压交流电源、多用电表、开关和导线若干。
甲
(1)为实现探究目的,保持原线圈输入的电压一定,通过改变原、副线圈匝数,测量副线圈上的电压。这个探究过程采用的科学探究方法是 。
A.控制变量法 B.等效替代法
C.整体隔离法 D.理想实验法
(2)该同学认真检查电路无误后,其中一次测量电压时选择2.5 V挡位,多用电表读数如图乙所示,此时电表读数为 V。
乙
(3)某次实验中线圈N1接“0”“4”,线圈N2接“2”“14”,测得线圈N1两端的电压U1=2.30 V,线圈N2两端的电压U2=7.60 V,分析可知 (选填“N1”或“N2”)是原线圈。
(4)实验发现原、副线圈电压比与匝数比不相等,可能的原因是 。
【答案】 (1)A (2)2.00 (3)N2 (4)见解析
【解析】 (1)为实现探究目的,保持原线圈输入的电压一定,通过改变原、副线圈匝数,测量副线圈上的电压。这个探究过程采用的科学探究方法是控制变量法。
(2)测交流电压时选择2.5 V挡位,此时电表读数为U=2.00 V。
(3)若某次实验中用匝数n1=400匝、n2=1 200匝的线圈,测得线圈N1两端的电压U1=2.30 V,线圈N2两端的电压U2=7.60 V,匝数之比近似等于电压之比,则有=,按U1=2.30 V 解得N2两端的电压U2=6.90 V<7.60 V,结合变压器不是理想的,存在漏磁、发热等原因,则N2一定是原线圈,N1是副线圈。
(4)变压器不是理想的,可能存在漏磁、线圈存在电阻产生焦耳热等问题。
[例2] 【数据处理与实验操作】 (2024·河北石家庄二模)某同学利用如图甲所示器材做“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验。
甲
(1)该同学按图乙连接电路,变压器左侧线圈的接线柱0、8与学生电源的“稳压6 V”接线柱相连。闭合开关,用多用电表测得右侧线圈的0、4接线柱之间的电压为 。
A.0 B.3.0 V C.6.0 V D.12.0 V
(2)正确连接电路后,变压器选用左侧0、2接线柱和右侧0、4接线柱进行实验,用多用电表测得左侧0、2之间的电压为U1,右侧0、4之间的电压为U2,数据如表所示,可判断学生电源接在了 (选填“左侧0、2”或“右侧0、4”)接线柱上。
实验次数 1 2 3 4 5
U1/V 1.00 1.90 3.00 4.00 4.80
U2/V 2.10 4.00 6.10 8.20 10.00
(3)实验室中还有一个变压器,如图丙所示。现要测量A、B线圈的匝数,实验步骤如下:
①取一段漆包线,一端与A线圈上端接线柱相连,顺着原来的绕制方向在变压器的铁芯上再绕制n匝线圈,漆包线另一端与交流电源一端相连,A线圈下方接线柱与交流电源另一端相连接。
②用多用电表的交流电压挡先后测出交流电源两端的电压U0和B线圈的输出电压U。
③用多用电表的交流电压挡测出A线圈两端的电压U1。
如果把该变压器看作理想变压器,则A、B线圈的匝数nA= ,nB= 。(均用题中给出的字母表示)
【答案】 (1)A (2)右侧0、4 (3)
【解析】 (1)变压器是根据互感现象进行工作的,由题图乙可知,原线圈连接的电压为直流电压,因此副线圈两端的电压为0。
(2)由于有漏磁,副线圈测量电压一定小于理论值,所以U1为副线圈,可判断学生电源接在了右侧0、4接线柱上。
(3)根据理想变压器电压比等于匝数比,有=,=,解得nA=,nB=。
考点二 创新性实验
[例3]
【实验目的的创新】 (2023·重庆卷,12)一兴趣小组拟研究某变压器的输入和输出电压之比,以及交流电频率对输出电压的影响。题图甲为实验电路图,其中L1和L2为变压器的原、副线圈,S1和S2为开关,P为滑动变阻器RP的滑片,R为电阻箱,E为正弦式交流电源(能输出电压峰值不变、频率可调的交流电)。
(1)闭合S1,用多用电表交流电压挡测量线圈L1两端的电压。滑片P向右滑动后,与滑动前相比,电表的示数 (选填“变大”“不变”或“变小”)。
(2)保持S2断开状态,调整E输出的交流电频率为50 Hz,滑动滑片P,用多用电表交流电压挡测得线圈L1两端的电压为2 500 mV时,用示波器测得线圈L2两端电压u随时间t的变化曲线如图乙所示,则线圈L1两端与L2两端的电压比值为 (保留3位有效数字)。
(3)闭合S2,滑动P到某一位置并保持不变。分别在E输出的交流电频率为50 Hz、1 000 Hz的条件下,改变R的阻值,用多用电表交流电压挡测量线圈L2两端的电压U,得到U-R关系曲线如图丙所示。用一个阻值恒为20 Ω的负载R0替换电阻箱R,由图丙可知,当频率为
1 000 Hz时,R0两端的电压为 mV;当频率为50 Hz时,为保持R0两端的电压不变,需要将R0与一个阻值为 Ω的电阻串联。(均保留3位有效数字)
丙
【答案】 (1)变大 (2)12.6 (3)270 7.78
【解析】 (1)闭合S1,滑动变阻器RP是分压式接法,滑片P向右滑动后,用多用电表交流电压挡测量线圈L1两端的电压,线圈L1两端的电压增大,因此与滑动前相比,电表的示数变大。
(2)保持S2断开状态,调整E输出的交流电频率为50 Hz,用多用电表交流电压挡测得线圈L1两端的电压为U1=2 500 mV。线圈L2两端电压u随时间t的变化曲线如题图乙所示,由u-t图像可得,线圈L2两端电压为U2== mV,则线圈L1两端电压与L2两端的电压比值为=≈12.6。
(3)闭合S2,滑动P到某一位置并保持不变。由 U-R关系曲线可得,当频率为1 000 Hz,负载电阻R0=20 Ω时,R0两端的电压为UR0=270 mV。当频率为50 Hz时,由U-R关系曲线可得线圈L2两端的电压为U′=375 mV。要保持R0两端的电压不变,需给R0串联一电阻,此串联电阻阻值为R串== Ω≈7.78 Ω。
[例4] 【数据处理的创新】 (2024·广东江门期末)如图甲所示,实验室内有一变压器,匝数标记位置模糊不清,但结构和功能是完好的,某同学利用该变压器进行匝数的探究实验,M、N是原线圈的两个接线柱,P、Q是副线圈的两个接线柱。
(1)实验室有下列器材:
A.变压器
B.开关、导线若干
C.0～40 V直流输出电源
D.0～40 V交流输出电源
E.多用电表
(2)选用的电源是 (选填“C”或“D”)。
(3)为了保证人身安全,所用输入电压不要超过 (选填“12 V”“40 V”或“220 V”)。
(4)该同学将M、N端接在所选电源正确位置后,多用电表红、黑表笔接在变压器P、Q端测量输出电压UPQ,调节输入电压UMN,得到多组数据。
(5)作出UMN-UPQ图像,如图乙所示,横、纵坐标的截距分别为a、b,则匝数比= (用a、b表示),匝数比的测量值 (选填“大于”“小于”或“等于”)真实值。
【答案】 (2)D (3)12 V (5) 大于
【解析】 (2)变压器的原理是电磁感应,需使用交流电源,故选用的电源是0～40 V交流输出电源。
(3)人体安全电压上限为36 V,为了保证人身安全,所用输入电压不要超过12 V。
(5)根据理想变压器原、副线圈电压与线圈匝数的关系,匝数比为==;由于变压器存在漏磁,测得的UPQ偏小,则匝数比的测量值大于真实值。
(满分:30分)
1.(6分)(2024·福建厦门三模)某同学在“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验中使用的可拆变压器如图甲所示,图中各接线柱对应的数字表示倍率为“×100”的匝数。
(1)除图甲中的器材外,下列器材中还需要的是 。(多选)
干电池 条形磁体
A B
低压交流电源 多用电表
C D
直流电压表 直流电流表
E F
(2)变压器铁芯的结构和材料是 。
A.整块不锈钢铁芯
B.整块硅钢铁芯
C.绝缘的硅钢片叠成
(3)若操作过程中横铁芯没有与竖直铁芯对齐,原线圈输入电压为U1=4 V,匝数为n1=200匝,改变副线圈匝数n2,测量副线圈两端的电压U2,得到U2-n2图像如图乙所示,则可能正确的是图线 (选填“a”“b”或“c”)。
【答案】 (1)CD (2)C (3)c
【解析】 (1)在“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验中,使用的是低压交流电源,所以不需要干电池,磁场是利用了电流的磁效应,所以也不需要条形磁体,测量线圈两端的电压需要使用多用电表的交流电压挡,不需要直流电压表和直流电流表。
(2)变压器铁芯的结构和材料是绝缘的硅钢片叠成。
(3)操作过程中横铁芯没有与竖直铁芯对齐,则可能导致漏磁,使得输出电压偏小,则有>,则可能正确的是图线c。
2.(6分)(2024·辽宁抚顺期中)某兴趣小组用如图甲所示的可拆变压器进行“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验。
(1)下列说法正确的是 。(多选)
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.理想变压器的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
(2)实际操作中将电源接在原线圈的“0”和“800”两个接线柱之间,测得副线圈的“0”和“400”两个接线柱之间的电压为3.0 V,则可推断原线圈的输入电压可能为 。
A.3 V B.5.5 V C.6.0 V D.6.5 V
(3)图乙为某电学仪器原理图,图中变压器为理想变压器。左侧虚线框内的交流电源与串联的定值电阻R0可等效为该电学仪器电压输出部分,该部分与一理想变压器的原线圈连接;一可变电阻R与该变压器的副线圈连接,原、副线圈的匝数分别为n1、n2(右侧实线框内的电路也可以等效为一个电阻)。在交流电源的电压有效值U0不变的情况下,调节可变电阻R的过程中,当= 时,R获得的功率最大。
【答案】 (1)BC (2)D (3)()2
【解析】 (1)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,故A错误,B正确;理想变压器忽略能量损失,原线圈输入功率等于副线圈输出功率,故C正确;副线圈上不接负载时同样有电压,故原线圈两端电压不为零,故D错误。
(2)若是理想变压器,则变压器原、副线圈电压与匝数的关系为=,当变压器的原线圈接“0”和“800”两个接线柱、副线圈接“0”和“400”两个接线柱时,可知原、副线圈匝数比为2∶1,副线圈电压为3.0 V,则原线圈电压应该为6.0 V;但实际操作中,需要考虑能量损失,则原线圈所接电压大于6.0 V。
(3)将R0当作电源内阻,设外电路等效电阻为R′,当内、外电阻相等时,即R′=R0,此时输出功率最大,由R′=()2R得出=()2。
3.(9分)(2024·山东青岛期末)某同学利用自耦变压器探究降压时“变压器原、副线圈两端的电压与匝数关系”的实验,变压器结构图如图甲所示。
回答下列问题:
(1)实验过程中为了安全选用学生电源供电,连接电路时,应该将学生电源 (选填“直流”或“交流”)接线柱和自耦变压器的 (选填“A、B”或“C、D”)接线柱相连接。
(2)在测量变压器副线圈上电压时,选用了多用电表进行测量,如果某次实验测得副线圈上的电压大约为6 V,则多用电表选择开关应该旋至图乙中的 挡;正确选挡并开始实验,刻度盘指针如图丙,读数为 V。
丙
(3)实验时保持变压器原线圈输入电压不变,调节旋钮P的位置并记录数据,从所得数据发现原、副线圈电压比总是略大于对应匝数比,造成这一误差的原因可能是 。(写出一条即可)
【答案】 (1)交流 A、B (2)交流10 V 6.4
(3)见解析
【解析】 (1)变压器工作需接交流电源,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,故电源连接自耦变压器的A、B接线柱。
(2)实验测得副线圈上的电压大约为6 V,则多用电表挡位选择交流10 V挡;由题图丙可知,读数为6.4 V。
(3)主要原因是变压器不是理想变压器,有漏磁现象、铁芯内有涡流发热、导线和线圈有电阻发热等能量损耗,使副线圈两端电压偏低。
4.(9分)(2024·广东汕头二模)某兴趣小组用如图所示的可拆变压器进行“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验。
a b
(1)该实验中变压器原线圈接线柱接入学生电源应该选择 (选填“A”或“B”)接法。
A B
c
(2)实验开始前,某同学没有使用铁芯组装变压器,而是直接将一个线圈接入电源,另外一个线圈接电压表,保持电源输入电压、两个线圈接入的匝数不变,逐渐将两个线圈相互靠近的过程中,观察到电压表的读数 (选填“变大”“变小”或“不变”)。
(3)在正确组装变压器后,甲、乙、丙三位同学分别利用控制变量法探究副线圈的电压U2与原线圈电压U1、原线圈的匝数n1、副线圈的匝数n2的关系,将实验数据分别绘制成d、e、f三幅图像,实验结果有误的是 (选填“甲”“乙”或“丙”)同学。
(4)兴趣小组在某次实验中选择厂家标注匝数 nA=200匝的线圈A作为原线圈,厂家标注匝数nB=100匝的线圈B作为副线圈,分别接入不同输入电压U1,测得对应的输出电压U2得到实验数据如表所示。分析下列可能的原因,你认为正确的有 。(多选)
实验次数 nA/匝 nB/匝 U1/V U2/V
1 200 100 8.2 4.0
2 200 100 6.1 2.9
3 200 100 4.0 1.9
A.原、副线圈的电压的频率不相等
B.变压器线圈中有电流通过时会发热
C.铁芯在交变磁场的作用下会发热
D.穿过副线圈的磁通量大于原线圈的磁通量
【答案】 (1)B (2)变大 (3)乙 (4)BC
【解析】 (1)由题图c可知,A为直流接法,B为交流接法,而要探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系则必须使用交流电压。
(2)根据法拉第电磁感应定律E=n=nS,可知,越靠近通电线圈,接入电压表的线圈所处的磁场就越强,产生的感应电动势就越大,因此电压表的读数变大。
(3)根据理想变压器原、副线圈电压与匝数的关系=,可得U2=,可知U2-U1图像与U2-n2图像均为过原点的倾斜直线,而U2-n1图像应为双曲线,因此实验结果有误的为乙同学。
(4)由表中数据可知,原、副线圈的匝数比小于原、副线圈中的电压之比,即有电能的损失。变压器不会改变电压的频率,故A错误;根据电流的热效应可知,当有电流通过线圈时,线圈会发热,从而造成电能的损失,故B正确;铁芯在交变磁场中会产生涡流,而根据电流的热效应可知铁芯会发热,从而造成电能的损失,故C正确;因为铁芯对磁场的约束不严密,因此,穿过副线圈的磁通量一定小于原线圈的磁通量,即磁通量有损失,故D错误。
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)第4讲 实验:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
一、实验目的
探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系。
二、实验原理
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,铁芯中的磁场也在不断变化。变化的磁场在副线圈中产生感应电动势,副线圈中就存在输出电压。本实验通过改变原、副线圈匝数,探究原、副线圈电压与匝数的关系。
三、实验器材
两个多用电表、学生电源(低压交流电源)、开关、可拆变压器、导线若干。
四、实验步骤
1.按如图所示的电路图连接好电路,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.打开学生电源,闭合开关,读出两个电表的电压值,并记录在表格中。
3.保持原线圈的电压、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。
4.保持原线圈的电压、副线圈的匝数不变,多次改变原线圈的匝数,记录下每次的原线圈匝数和副线圈的电压值。
五、数据记录与处理
次数 1 2 3 4 …
n1/匝
n2/匝
n1∶n2
U1/V
U2/V
U1∶U2
六、实验结论
理想变压器原、副线圈的电压之比等于原、副线圈的匝数之比。
七、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.为了保证人身安全,学生电源的电压不能超过12 V,且通电时不能用手接触裸露的导线和接线柱。
3.为了保护多用电表,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合适的挡位进行测量。
八、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造成误差。
3.铁芯中有磁损耗,产生涡流,造成误差。
4.电表的读数存在误差。
考点一 基础性实验
[例1] 【实验原理与误差分析】 (2024·河北张家口模拟)某同学准备做“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验,他在实验室准备了可拆变压器(如图甲所示)、低压交流电源、多用电表、开关和导线若干。
甲
(1)为实现探究目的,保持原线圈输入的电压一定,通过改变原、副线圈匝数,测量副线圈上的电压。这个探究过程采用的科学探究方法是 。
A.控制变量法 B.等效替代法
C.整体隔离法 D.理想实验法
(2)该同学认真检查电路无误后,其中一次测量电压时选择2.5 V挡位,多用电表读数如图乙所示,此时电表读数为 V。
乙
(3)某次实验中线圈N1接“0”“4”,线圈N2接“2”“14”,测得线圈N1两端的电压U1=2.30 V,线圈N2两端的电压U2=7.60 V,分析可知 (选填“N1”或“N2”)是原线圈。
(4)实验发现原、副线圈电压比与匝数比不相等,可能的原因是 。
[例2] 【数据处理与实验操作】 (2024·河北石家庄二模)某同学利用如图甲所示器材做“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验。
甲
(1)该同学按图乙连接电路,变压器左侧线圈的接线柱0、8与学生电源的“稳压6 V”接线柱相连。闭合开关,用多用电表测得右侧线圈的0、4接线柱之间的电压为 。
A.0 B.3.0 V C.6.0 V D.12.0 V
(2)正确连接电路后,变压器选用左侧0、2接线柱和右侧0、4接线柱进行实验,用多用电表测得左侧0、2之间的电压为U1,右侧0、4之间的电压为U2,数据如表所示,可判断学生电源接在了 (选填“左侧0、2”或“右侧0、4”)接线柱上。
实验次数 1 2 3 4 5
U1/V 1.00 1.90 3.00 4.00 4.80
U2/V 2.10 4.00 6.10 8.20 10.00
(3)实验室中还有一个变压器,如图丙所示。现要测量A、B线圈的匝数,实验步骤如下:
①取一段漆包线,一端与A线圈上端接线柱相连,顺着原来的绕制方向在变压器的铁芯上再绕制n匝线圈,漆包线另一端与交流电源一端相连,A线圈下方接线柱与交流电源另一端相连接。
②用多用电表的交流电压挡先后测出交流电源两端的电压U0和B线圈的输出电压U。
③用多用电表的交流电压挡测出A线圈两端的电压U1。
如果把该变压器看作理想变压器,则A、B线圈的匝数nA= ,nB= 。(均用题中给出的字母表示)
考点二 创新性实验
[例3]
【实验目的的创新】 (2023·重庆卷,12)一兴趣小组拟研究某变压器的输入和输出电压之比,以及交流电频率对输出电压的影响。题图甲为实验电路图,其中L1和L2为变压器的原、副线圈,S1和S2为开关,P为滑动变阻器RP的滑片,R为电阻箱,E为正弦式交流电源(能输出电压峰值不变、频率可调的交流电)。
(1)闭合S1,用多用电表交流电压挡测量线圈L1两端的电压。滑片P向右滑动后,与滑动前相比,电表的示数 (选填“变大”“不变”或“变小”)。
(2)保持S2断开状态,调整E输出的交流电频率为50 Hz,滑动滑片P,用多用电表交流电压挡测得线圈L1两端的电压为2 500 mV时,用示波器测得线圈L2两端电压u随时间t的变化曲线如图乙所示,则线圈L1两端与L2两端的电压比值为 (保留3位有效数字)。
(3)闭合S2,滑动P到某一位置并保持不变。分别在E输出的交流电频率为50 Hz、1 000 Hz的条件下,改变R的阻值,用多用电表交流电压挡测量线圈L2两端的电压U,得到U-R关系曲线如图丙所示。用一个阻值恒为20 Ω的负载R0替换电阻箱R,由图丙可知,当频率为
1 000 Hz时,R0两端的电压为 mV;当频率为50 Hz时,为保持R0两端的电压不变,需要将R0与一个阻值为 Ω的电阻串联。(均保留3位有效数字)
丙
[例4] 【数据处理的创新】 (2024·广东江门期末)如图甲所示,实验室内有一变压器,匝数标记位置模糊不清,但结构和功能是完好的,某同学利用该变压器进行匝数的探究实验,M、N是原线圈的两个接线柱,P、Q是副线圈的两个接线柱。
(1)实验室有下列器材:
A.变压器
B.开关、导线若干
C.0～40 V直流输出电源
D.0～40 V交流输出电源
E.多用电表
(2)选用的电源是 (选填“C”或“D”)。
(3)为了保证人身安全,所用输入电压不要超过 (选填“12 V”“40 V”或“220 V”)。
(4)该同学将M、N端接在所选电源正确位置后,多用电表红、黑表笔接在变压器P、Q端测量输出电压UPQ,调节输入电压UMN,得到多组数据。
(5)作出UMN-UPQ图像,如图乙所示,横、纵坐标的截距分别为a、b,则匝数比= (用a、b表示),匝数比的测量值 (选填“大于”“小于”或“等于”)真实值。
(满分:30分)
1.(6分)(2024·福建厦门三模)某同学在“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验中使用的可拆变压器如图甲所示,图中各接线柱对应的数字表示倍率为“×100”的匝数。
(1)除图甲中的器材外,下列器材中还需要的是 。(多选)
干电池 条形磁体
A B
低压交流电源 多用电表
C D
直流电压表 直流电流表
E F
(2)变压器铁芯的结构和材料是 。
A.整块不锈钢铁芯
B.整块硅钢铁芯
C.绝缘的硅钢片叠成
(3)若操作过程中横铁芯没有与竖直铁芯对齐,原线圈输入电压为U1=4 V,匝数为n1=200匝,改变副线圈匝数n2,测量副线圈两端的电压U2,得到U2-n2图像如图乙所示,则可能正确的是图线 (选填“a”“b”或“c”)。
2.(6分)(2024·辽宁抚顺期中)某兴趣小组用如图甲所示的可拆变压器进行“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验。
(1)下列说法正确的是 。(多选)
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.理想变压器的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
(2)实际操作中将电源接在原线圈的“0”和“800”两个接线柱之间,测得副线圈的“0”和“400”两个接线柱之间的电压为3.0 V,则可推断原线圈的输入电压可能为 。
A.3 V B.5.5 V C.6.0 V D.6.5 V
(3)图乙为某电学仪器原理图,图中变压器为理想变压器。左侧虚线框内的交流电源与串联的定值电阻R0可等效为该电学仪器电压输出部分,该部分与一理想变压器的原线圈连接;一可变电阻R与该变压器的副线圈连接,原、副线圈的匝数分别为n1、n2(右侧实线框内的电路也可以等效为一个电阻)。在交流电源的电压有效值U0不变的情况下,调节可变电阻R的过程中,当= 时,R获得的功率最大。
3.(9分)(2024·山东青岛期末)某同学利用自耦变压器探究降压时“变压器原、副线圈两端的电压与匝数关系”的实验,变压器结构图如图甲所示。
回答下列问题:
(1)实验过程中为了安全选用学生电源供电,连接电路时,应该将学生电源 (选填“直流”或“交流”)接线柱和自耦变压器的 (选填“A、B”或“C、D”)接线柱相连接。
(2)在测量变压器副线圈上电压时,选用了多用电表进行测量,如果某次实验测得副线圈上的电压大约为6 V,则多用电表选择开关应该旋至图乙中的 挡;正确选挡并开始实验,刻度盘指针如图丙,读数为 V。
丙
(3)实验时保持变压器原线圈输入电压不变,调节旋钮P的位置并记录数据,从所得数据发现原、副线圈电压比总是略大于对应匝数比,造成这一误差的原因可能是 。(写出一条即可)
4.(9分)(2024·广东汕头二模)某兴趣小组用如图所示的可拆变压器进行“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验。
a b
(1)该实验中变压器原线圈接线柱接入学生电源应该选择 (选填“A”或“B”)接法。
A B
c
(2)实验开始前,某同学没有使用铁芯组装变压器,而是直接将一个线圈接入电源,另外一个线圈接电压表,保持电源输入电压、两个线圈接入的匝数不变,逐渐将两个线圈相互靠近的过程中,观察到电压表的读数 (选填“变大”“变小”或“不变”)。
(3)在正确组装变压器后,甲、乙、丙三位同学分别利用控制变量法探究副线圈的电压U2与原线圈电压U1、原线圈的匝数n1、副线圈的匝数n2的关系,将实验数据分别绘制成d、e、f三幅图像,实验结果有误的是 (选填“甲”“乙”或“丙”)同学。
(4)兴趣小组在某次实验中选择厂家标注匝数 nA=200匝的线圈A作为原线圈,厂家标注匝数nB=100匝的线圈B作为副线圈,分别接入不同输入电压U1,测得对应的输出电压U2得到实验数据如表所示。分析下列可能的原因,你认为正确的有 。(多选)
实验次数 nA/匝 nB/匝 U1/V U2/V
1 200 100 8.2 4.0
2 200 100 6.1 2.9
3 200 100 4.0 1.9
A.原、副线圈的电压的频率不相等
B.变压器线圈中有电流通过时会发热
C.铁芯在交变磁场的作用下会发热
D.穿过副线圈的磁通量大于原线圈的磁通量
(
第
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高中总复习·物理
第4讲
实验:探究变压器原、副线圈
电压与匝数的关系
一、实验目的
探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系。
二、实验原理
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,铁芯中的磁场也在不断变化。变化的磁场在副线圈中产生感应电动势,副线圈中就存在输出电压。本实验通过改变原、副线圈匝数,探究原、副线圈电压与匝数的关系。
三、实验器材
两个多用电表、学生电源(低压交流电源)、开关、可拆变压器、导线若干。
四、实验步骤
1.按如图所示的电路图连接好电路,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.打开学生电源,闭合开关,读出两个电表的电压值,并记录在表格中。
3.保持原线圈的电压、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。
4.保持原线圈的电压、副线圈的匝数不变,多次改变原线圈的匝数,记录下每次的原线圈匝数和副线圈的电压值。
五、数据记录与处理
次数 1 2 3 4 …
n1/匝
n2/匝
n1∶n2
U1/V
U2/V
U1∶U2
六、实验结论
理想变压器原、副线圈的电压之比等于原、副线圈的匝数之比。
七、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.为了保证人身安全,学生电源的电压不能超过12 V,且通电时不能用手接触裸露的导线和接线柱。
3.为了保护多用电表,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合适的挡位进行测量。
八、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造成误差。
3.铁芯中有磁损耗,产生涡流,造成误差。
4.电表的读数存在误差。
[例1] 【实验原理与误差分析】 (2024·河北张家口模拟)某同学准备做“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验,他在实验室准备了可拆变压器(如图甲所示)、低压交流电源、多用电表、开关和导线若干。
甲
(1)为实现探究目的,保持原线圈输入的电压一定,通过改变原、副线圈匝数,测量副线圈上的电压。这个探究过程采用的科学探究方法是 。
A.控制变量法 B.等效替代法
C.整体隔离法 D.理想实验法
A
【解析】 (1)为实现探究目的,保持原线圈输入的电压一定,通过改变原、副线圈匝数,测量副线圈上的电压。这个探究过程采用的科学探究方法是控制变量法。
(2)该同学认真检查电路无误后,其中一次测量电压时选择2.5 V挡位,多用电表读数如图乙所示,此时电表读数为 V。
乙
2.00
【解析】(2)测交流电压时选择2.5 V挡位,此时电表读数为U=2.00 V。
(3)某次实验中线圈N1接“0”“4”,线圈N2接“2”“14”,测得线圈N1两端的电压U1=2.30 V,线圈N2两端的电压U2=7.60 V,分析可知 (选填“N1”或“N2”)是原线圈。
N2
(4)实验发现原、副线圈电压比与匝数比不相等,可能的原因是 。
【答案及解析】 (4)变压器不是理想的,可能存在漏磁、线圈存在电阻产生焦耳热等问题。
[例2] 【数据处理与实验操作】 (2024·河北石家庄二模)某同学利用如图甲所示器材做“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验。
(1)该同学按图乙连接电路,变压器左侧线圈的接线柱0、8与学生电源的“稳压6 V”接线柱相连。闭合开关,用多用电表测得右侧线圈的0、4接线柱之间的电压为 。
A.0 B.3.0 V
C.6.0 V D.12.0 V
A
甲
【解析】 (1)变压器是根据互感现象进行工作的,由题图乙可知,原线圈连接的电压为直流电压,因此副线圈两端的电压为0。
(2)正确连接电路后,变压器选用左侧0、2接线柱和右侧0、4接线柱进行实
验,用多用电表测得左侧0、2之间的电压为U1,右侧0、4之间的电压为U2,数据如表所示,可判断学生电源接在了 (选填“左侧0、2”或“右侧
0、4”)接线柱上。
右侧0、4
实验次数 1 2 3 4 5
U1/V 1.00 1.90 3.00 4.00 4.80
U2/V 2.10 4.00 6.10 8.20 10.00
【解析】 (2)由于有漏磁,副线圈测量电压一定小于理论值,所以U1为副线圈,可判断学生电源接在了右侧0、4接线柱上。
(3)实验室中还有一个变压器,如图丙所示。现要测量A、B线圈的匝数,实验步骤如下:
①取一段漆包线,一端与A线圈上端接线柱相连,顺着原来的绕制方向在变压器的铁芯上再绕制n匝线圈,漆包线另一端与交流电源一端相连,A线圈下方接线柱与交流电源另一端相连接。
②用多用电表的交流电压挡先后测出交流电源两端的电压U0和B线圈的输出电压U。
③用多用电表的交流电压挡测出A线圈两端的电压U1。
如果把该变压器看作理想变压器,则A、B线圈的匝数nA= ,nB= 。(均用题中给出的字母表示)
[例3] 【实验目的的创新】 (2023·重庆卷,12)一兴趣小组拟研究某变压器的输入和输出电压之比,以及交流电频率对输出电压的影响。题图甲为实验电路图,其中L1和L2为变压器的原、副线圈,S1和S2为开关,P为滑动变阻器RP的滑片,R为电阻箱,E为正弦式交流电源(能输出电压峰值不变、频率可调的交流电)。
(1)闭合S1,用多用电表交流电压挡测量线圈L1两端的电压。
滑片P向右滑动后,与滑动前相比,电表的示数 (选填
“变大”“不变”或“变小”)。
变大
【解析】 (1)闭合S1,滑动变阻器RP是分压式接法,滑片P向右滑动后,用多用电表交流电压挡测量线圈L1两端的电压,线圈L1两端的电压增大,因此与滑动前相比,电表的示数变大。
(2)保持S2断开状态,调整E输出的交流电频率为50 Hz,滑动滑片P,用多用电表交流电压挡测得线圈L1两端的电压为2 500 mV时,用示波器测得线圈L2两端电压u随时间t的变化曲线如图乙所示,则线圈L1两端与L2两端的电压比值为
(保留3位有效数字)。
12.6
(3)闭合S2,滑动P到某一位置并保持不变。分别在E输出的交流电频率为
50 Hz、1 000 Hz的条件下,改变R的阻值,用多用电表交流电压挡测量线圈L2两端的电压U,得到U-R关系曲线如图丙所示。用一个阻值恒为20 Ω的负载R0替换电阻箱R,由图丙可知,当频率为1 000 Hz时,R0两端的电压为 mV;
当频率为50 Hz时,为保持R0两端的电压不变,需要将R0与一个阻值为 Ω的电阻串联。(均保留3位有效数字)
270
7.78
丙
[例4] 【数据处理的创新】 (2024·广东江门期末)如图甲所示,实验室内有一变压器,匝数标记位置模糊不清,但结构和功能是完好的,某同学利用该变压器进行匝数的探究实验,M、N是原线圈的两个接线柱,P、Q是副线圈的两个接线柱。
(1)实验室有下列器材:
A.变压器
B.开关、导线若干
C.0～40 V直流输出电源
D.0～40 V交流输出电源
E.多用电表
(2)选用的电源是 (选填“C”或“D”)。
D
【解析】 (2)变压器的原理是电磁感应,需使用交流电源,故选用的电源是0～40 V交流输出电源。
(3)为了保证人身安全,所用输入电压不要超过 (选填“12 V”“40 V”或“220 V”)。
12 V
【解析】 (3)人体安全电压上限为36 V,为了保证人身安全,所用输入电压不要超过12 V。
(4)该同学将M、N端接在所选电源正确位置后,多用电表红、黑表笔接在变压器P、Q端测量输出电压UPQ,调节输入电压UMN,得到多组数据。
大于
1.(6分)(2024·福建厦门三模)某同学在“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验中使用的可拆变压器如图甲所示,图中各接线柱对应的数字表示倍率为“×100”的匝数。
(1)除图甲中的器材外,下列器材中还需要的是 。(多选)
CD
干电池 条形磁体
A B
低压交流电源 多用电表
C D
直流电压表 直流电流表
E F
【解析】 (1)在“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验中,使用的是低压交流电源,所以不需要干电池,磁场是利用了电流的磁效应,所以也不需要条形磁体,测量线圈两端的电压需要使用多用电表的交流电压挡,不需要直流电压表和直流电流表。
(2)变压器铁芯的结构和材料是 。
A.整块不锈钢铁芯
B.整块硅钢铁芯
C.绝缘的硅钢片叠成
【解析】 (2)变压器铁芯的结构和材料是绝缘的硅钢片叠成。
C
(3)若操作过程中横铁芯没有与竖直铁芯对齐,原线圈输入电压为U1=4 V,匝数为n1=200匝,改变副线圈匝数n2,测量副线圈两端的电压U2,得到U2-n2图像如图乙所示,则可能正确的是图线 (选填“a”“b”或“c”)。
c
2.(6分)(2024·辽宁抚顺期中)某兴趣小组用如图甲所示的可拆变压器进行“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验。
(1)下列说法正确的是 。(多选)
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.理想变压器的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
BC
【解析】 (1)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,故A错误,B正确;理想变压器忽略能量损失,原线圈输入功率等于副线圈输出功率,故C正确;副线圈上不接负载时同样有电压,故原线圈两端电压不为零,故D错误。
(2)实际操作中将电源接在原线圈的“0”和“800”两个接线柱之间,测得副线圈的“0”和“400”两个接线柱之间的电压为3.0 V,则可推断原线圈的输入电压可能为 。
A.3 V B.5.5 V C.6.0 V D.6.5 V
D
3.(9分)(2024·山东青岛期末)某同学利用自耦变压器探究降压时“变压器原、副线圈两端的电压与匝数关系”的实验,变压器结构图如图甲所示。
回答下列问题:
(1)实验过程中为了安全选用学生电源供电,连接电路时,应该将学生电源
(选填“直流”或“交流”)接线柱和自耦变压器的 (选填“A、B”或“C、D”)接线柱相连接。
交流
A、B
【解析】 (1)变压器工作需接交流电源,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,故电源连接自耦变压器的A、B接线柱。
(2)在测量变压器副线圈上电压时,选用了多用电表进行测量,如果某次实验测得副线圈上的电压大约为6 V,则多用电表选择开关应该旋至图乙中的
挡;正确选挡并开始实验,刻度盘指针如图丙,读数为 V。
交流10 V
【解析】 (2)实验测得副线圈上的电压大约为6 V,则多用电表挡位选择交流10 V挡;由题图丙可知,读数为6.4 V。
6.4
丙
(3)实验时保持变压器原线圈输入电压不变,调节旋钮P的位置并记录数据,从所得数据发现原、副线圈电压比总是略大于对应匝数比,造成这一误差的原因可能是 。(写出一条即可)
【答案及解析】 (3)主要原因是变压器不是理想变压器,有漏磁现象、铁芯内有涡流发热、导线和线圈有电阻发热等能量损耗,使副线圈两端电压偏低。
4.(9分)(2024·广东汕头二模)某兴趣小组用如图所示的可拆变压器进行“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验。
B
a b
(1)该实验中变压器原线圈接线柱接入学生电源应该选择 (选填“A”或“B”)接法。
A B
c
【解析】 (1)由题图c可知,A为直流接法,B为交流接法,而要探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系则必须使用交流电压。
A B
c
(2)实验开始前,某同学没有使用铁芯组装变压器,而是直接将一个线圈接入电源,另外一个线圈接电压表,保持电源输入电压、两个线圈接入的匝数不变,逐渐将两个线圈相互靠近的过程中,观察到电压表的读数 (选填“变大”“变小”或“不变”)。
变大
(3)在正确组装变压器后,甲、乙、丙三位同学分别利用控制变量法探究副线圈的电压U2与原线圈电压U1、原线圈的匝数n1、副线圈的匝数n2的关系,将实验数据分别绘制成d、e、f三幅图像,实验结果有误的是 (选填“甲”“乙”或“丙”)同学。
乙
(4)兴趣小组在某次实验中选择厂家标注匝数 nA=200匝的线圈A作为原线圈,厂家标注匝数nB=100匝的线圈B作为副线圈,分别接入不同输入电压U1,测得对应的输出电压U2得到实验数据如表所示。分析下列可能的原因,你认为正确的有 。(多选)
实验次数 nA/匝 nB/匝 U1/V U2/V
1 200 100 8.2 4.0
2 200 100 6.1 2.9
3 200 100 4.0 1.9
A.原、副线圈的电压的频率不相等
B.变压器线圈中有电流通过时会发热
C.铁芯在交变磁场的作用下会发热
D.穿过副线圈的磁通量大于原线圈的磁通量
BC
【解析】 (4)由表中数据可知,原、副线圈的匝数比小于原、副线圈中的电压之比,即有电能的损失。变压器不会改变电压的频率,故A错误;根据电流的热效应可知,当有电流通过线圈时,线圈会发热,从而造成电能的损失,故B正确;铁芯在交变磁场中会产生涡流,而根据电流的热效应可知铁芯会发热,从而造成电能的损失,故C正确;因为铁芯对磁场的约束不严密,因此,穿过副线圈的磁通量一定小于原线圈的磁通量,即磁通量有损失,故D错误。
