第四节 变压器
●本节教材分析
变压器是交变电路中常见的一种电器设备，也是远距离输送交流电不可缺少的装置.在讲解变压器的原理时，要积极引导学生从电磁感应的角度说明：原线圈上加交流电压产生交流电流，铁芯中产生交变磁通量，副线圈中产生交变电动势，副线圈相当于交流电源对外界负载供电.要向学生强调，从能量转换的角度看，变压器是把电能通过磁场能转换成电能的装置，经过转换后一般电压、电流都发生了变化.有的学生认为变压器铁芯是带电的.针对这种错误认识，可让学生根据电磁感应原理，经过独立思考了解到变压器铁芯并不带电，铁芯内部有磁场（铁芯外部磁场很弱）.
要让学生明白，互感现象是变压器工作的基础.要让学生在学习电磁感应的基础上理解互感现象.这里的关键是明白原线圈和副线圈有共同的铁芯，穿过它们的磁通量和磁通量变化时刻都是相同的.因而，其中的感应电动势之比只与匝数有关.这样，原副线圈的匝数不同，就可以改变电压了.
要使学生明白，理想变压器是忽略了变压器中的能量损耗，它的输出功率与输入功率相等，这样才得出原、副线圈的电压、电流与匝数的关系.在解决有两个副线圈的变压器的问题时，不做统一的要求，不必急于去分析这类问题，对学有余力的学生，可引导他们进行分析讨论.
变压器在生产和生活中有十分广泛的应用.课本中介绍了一些，教学中可根据实际情况向学生进行介绍，或看挂图、照片、实物或参观，以开阔学生眼界，增加实际知识.
●教学目标
一、知识目标
1.知道变压器的构造.
2.理解互感现象，理解变压器的工作原理.
3.理解理想变压器原、副线圈中电压与匝数的关系，能应用它分析解决有关问题.
4.理解理想变压器原、副线圈中电流与匝数的关系，能应用它分析解决有关问题.
5.知道课本中介绍的几种常见的变压器.
二、技能目标
1.用电磁感应去理解变压的工作原理，培养学生综合应用所学知识的能力.
2.讲解理想变压器使学生了解建立物理模型的意义.（抓主要因素，忽略次要因素，排除无关因素）
三、情感态度目标
1.使学生体会到能量守恒定律是普遍适用的.
2.培养学生实事求是的科学态度.
●教学重点
变压器工作原理.
●教学难点
变压器是如何将原线圈的电能传输给副线圈的.
●教学方法
实验探究、演绎推理.
●教学用具
可拆变压器、交流电压表、交流电流表、灯泡、自耦变压器、调压器、导线等.
●课时安排
1 课时
●教学过程
一、引入新课
［师］在实际应用中，常常需要改变交流的电压.大型发电机发出的交流，电压有几万伏，而远距离输电却需要高达几十万伏的电压.各种用电设备所需的电压也各不相同.电灯、电饭煲、洗衣机等家用电器需要220 V的电压，机床上的照明灯需要36 V的安全电压.一般半导体收音机的电源电压不超过10 V，而电视机显像管却需要10000 V以上的高电压.交流便于改变电压，以适应各种不同需要.变压器就是改变交流电压的设备.这节课我们学习变压器的有关知识.
二、新课教学
1.变压器原理
［师］出示可拆变压器，引导学生观察，变压器主要由哪几部分构成？
［生］变压器是由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成.一个线圈跟电源连接，叫原线圈（初级线圈），另一个线圈跟负载连接，叫副线圈（次级线圈）.两个线圈都是绝缘导线绕制成的.铁芯由涂有绝缘漆的硅钢片叠合而成.
［师］画出变压器的结构示意图和符号，如下图所示：
［演示］将原线圈接照明电源，交流电压表接到不同的副线圈上，观察交流电压表是否有示数？
［生］电压表有示数且示数不同.
［师］变压器原、副线圈的电路并不相同，副线圈两端的交流电压是如何产生的？请同学们从电磁感应的角度去思考.
［生］在原线圈上加交变电压U1，原线圈中就有交变电流，它在铁芯中产生交变的磁通量.这个交变磁通量既穿过原线圈，也穿过副线圈，在原、副线圈中都要引起感应电动势.如副线圈是闭合的，在副线圈中就产生交变电流，它也在铁芯中产生交变的磁通量，在原、副线圈中同样引起感应电动势.副线圈两端的电压就是这样产生的.
［师］物理上把原副线圈中由于有交变电流而发生的互相感应现象，叫做互感现象.互感现象是变压器工作的基础.
［生］变压器的铁芯起什么作用？
［师］如果无铁芯，并排放置的原副线圈也发生互感现象，但原副线圈所激发的交变磁场的磁感线只有一小部分穿过对方，漏失的磁感线不会在原副线圈中传送电能.如有铁芯，由于磁化，绝大部分磁感线集中在铁芯内部，大大提高了变压器的效率.
［生］原副线圈中，感应电动势大小跟什么有关系？
［师］与线圈中磁通量变化率及线圈匝数成正比.
师生共同活动：
实验探究得出理想变压器得变比关系
推导理想变压器的变压比公式.
设原线圈的匝数为N1，副线圈的匝数为N2，穿过铁芯的磁通量为Φ，则原副线圈中产生的感应电动势分别为
E1=N1
E2=N2
在忽略漏磁的情况下，ΔΦ1=ΔΦ2，由此可得
在忽略线圈电阻的情况下，原线圈两端的电压U1与感应电动势E1相等，则有U1=E1；副线圈两端的电压U2与感应电动势E2相等，则有U2=E2.于是得到
［师］请同学们阅读教材，回答下列问题：
（1）什么叫理想变压器？
（2）什么叫升压变压器？
（3）什么叫降压变压器？
（4）电视机里的变压器和复读机里的变压器各属于哪一类变压器？
［生1］忽略原、副线圈的电阻和各种电磁能量损失的变压器，叫做理想变压器.
［生2］当N2＞N1时，U2＞U1，这样的变压器叫升压变压器.
［生3］当N2＜N1时，U2＜U1，这样的变压器叫降压变压器.
［生4］电视机里的变压器将220 V电压升高到10000 V以上属升压变压器；复读机的变压器将220 V电压降到6 V，属于降压变压器.
［师］理想变压器原线圈的输入功率与副线圈的输出功率有什么关系？
［生］P出=P入
［师］若理想变压器只有一个副线圈，则原副线圈中的电流I1与I2有什么关系？
［生］据P出=U2I2，P入=U1I1及P出=P入得：
U2I2=U1I1
则：
［师］绕制原副线圈的导线粗细一样吗？
［生］粗细不一样.高压线圈匝数多而通过的电流小，用较细的导线；低压线圈匝数少而通过的电流大，用较粗的导线.
2.几种常见的变压器
［师］变压器的种类很多，请同学们阅读教材，了解几种常见的变压器，并回答下列问题：
（1）自耦变压器有何特点？
（2）自耦变压器如何作升压变压器？又如何作降压变压器？
（3）互感器分为哪几类？
（4）电压互感器的作用是什么？
（5）电流互感器的作用是什么？
［生1］自耦变压器只有一个线圈，滑动头位置变化时，输出电压会连续发生变化.
［生2］若把整个线圈作副线圈，线圈的一部分作原线圈，为升压变压器；若把线圈的一部分作副线圈，整个线圈作原线圈，为降压变压器.
［生3］互感器分为两类，即电压互感器和电流互感器.
［生4］电压互感器用来把高电压变成低电压.它的原线圈并联在高压电路中，副线圈上接入交流电压表，根据电压表测得的电压U2和变压比，就可以算出高压电路中的电压.
［生5］电流互感器用来把大电流变成小电流.它的原线圈串联在被测电路中，副线圈上接入交流电流表.根据电流表测得的电流I2和变流比，可以算出被测电路中的电流.
三、小结
本节课主要学习了以下内容：
1.变压器主要由铁芯和线圈组成.
2.变压器可改变交变电的电压和电流，利用了原副线圈的互感现象.
3.理想变压器：忽略一切电磁损耗，有
P输出=P输入
4.日常生活和生产中使用各种类型的变压器，但它们遵循同样的原理.
四、作业（略）
五、板书设计
六、本节优化训练设计
1.理想变压器原、副线圈匝数比为n1∶n2=10∶1, 如图所示.在原线圈中输入交变电压，其瞬时表达式为U1=220sin(100πt) V，在副线圈两端接入一灯泡和一只交流电压表，下面说法正确的是
A.电压表的示数220 V
B.电压表的指针周期性左右偏转
C.输出交变电压频率减为5 Hz
D.灯泡承受电压的最大值是220 V
2.（1993年全国）如图所示，一理想变压器的原、副线圈分别由双线ab和cd（匝数都为n1），ef和gh（匝数都为n2）组成，用I1和U1表示输入电流和电压，I2和U2表示输出电流和电压.在下列四种连接中，符合的是
A.b与c连接，以a、d为输入端；f与g相连，以e、h为输出端
B.b与c相连，以a、d为输入端；e与g相连，f与h相连为输出端
C.a与c相连，b与d相连为输入端；f与g相连，以e、h为输出端
D.a与c相连，b与d相连为输入端；e与g相连，f、h相连为输出端
3.如图所示的理想变压器供电线路中，若将开关S闭合，电流表A1的示数将_______，电流表A2的示数将_______，电流表A3的示数将_______，电压表V1的示数将_______，电压表V2将_______.（不考虑输电线电压损耗）
4.如图，在a、b两端与e、f两端分别加上220 V交流电压时，测得c、d间与g、h间电压均为110 V，若分别在c、d间与g、h间加110 V电压，则a、b间与e、f间电压分别为
A.220 V，220 V B.220 V，110 V
C.110 V，110 V D.220 V，0
5.在绕制变压器时，将两个线圈绕在如图变压器铁芯的左右两臂上，当通以交流电时，每个线圈产生的磁通量都只有一半通过另一个线圈，另一半通过中间的臂.已知线圈1、2的匝数比N1∶N2=2∶1，在不接负载情况下
A.当线圈1输入电压220 V时，线圈2输出110 V
B.当线圈1输入电压220 V时，线圈2输出电压55 V
C.当线圈2输入电压110 V时，线圈1输出电压220 V
D.当线圈2输入电压110 V时，线圈1输出电压110 V
参考答案：
1.A 2.AD
3.V1、V2均不变，A1变大，A2不变，A3变大
4.B 5.D
●备课资料
理想变压器与实际变压器
理想变压器是对实际变压器作理想化处理后得到的结果.中学物理教材对变压器的讨论，都是在理想化基础上进行的，即认为变压器线圈电阻为零，磁通量全部集中在铁芯中以及变压器运行时内部损耗忽略不计.由此导出原、副绕组的电压平衡方程：U1=E1，U2=E2；电压关系：;电流关系：和功率传输关系：P1=P2.
上述关系基本上反映了变压器的运行规律，但理想变压器与实际变压器存在一定的差距，在某些条件下，这种差距还相当大，以致个别公式并不适用.下面从四个方面作进一步分析.
（1）原、副绕组的电压平衡方程
实际变压器考虑了线圈电阻以及漏磁通的影响，因此其电压平衡方程为：空载时；负载运行时.式中R1、X1和R2、X2分别为原副绕组的电阻和漏电抗，为空载电流，为副边开路电压.
由于电流（I0）在R1、X1上的压降与主磁感应电动势相比数值很小，可以忽略，故有=-.同理，如将在R2和X2上产生的压降忽略，则在空载和负载下，均有=.仅考虑数值大小，我们就得到了理想变压器的电压平衡方程：=，=.不过从下面的分析可知，U2=E2的处理是近似的.
（2）原、副绕组的电压关系式
对于实际变压器，空载时有U1E1,U20=E2，因此=.负载时从图所示的外特性曲线可知，当负载为电阻性及电感性时，U2随I2的增大而下降，并且功率因数cosφ2愈小，U2下降愈厉害；当负载为电容性时，U2随I2的增大而升高，U2≠E2,故≠.不过由于电压变动率一般在5%左右，所以近似认为=，即理想变压器的电压关系成立.
（3）原、副绕组的电流关系
由磁势平衡方程，可得到实际变压器原、副绕组的电流关系：.因为变压器运行在额定负载时，只占的百分之几，故可略去，即有.如只考虑数值关系，则有，这就是理想变压器的电流关系式.
这里我们要指出，当变压器运行在轻载或空载状态时，I1/I2=N2/N1不成立，原因是此时与相比，绝对不可以忽略.
（4）功率传输关系及效率
效率曲线
实际变压器输入、输出功率关系为P1=PFe+PCu+P2，式中PFe为铁损，包括磁滞损耗和涡流损耗；PCu为铜损，即电流在线圈电阻上消耗的功率.变压器的效率η=P1/P2×100%,效率η与输出功率的关系如图所示.
如忽略PFe和PCu，则得到理想变压器功率传输关系：P1=P2和η=100%.由于大型变压器运行在额定值附近时，效率可达97%~99.5%，故此时理想变压的关系式均成立.不过请注意，当变压器在轻载和空载条件下运行，其效率是比较低的，也就是此时P1=P2、η=100%均不成立.
课件30张PPT。17.4 变压器复习：描述交流电的物理量
有效值的定义
电感的作用
电容的作用
自感的定义
互感的定义 但我们国家民用统一供电均为220V，那么如何使这些额定电压不是220V的电器设备正常工作的呢？ 几种常见的变压器一、变压器的构造1.示意图原线圈副线圈铁芯2.构造：（1）闭合铁芯 （绝缘硅钢片叠合而成）（2）原线圈（初级线圈）：其匝数用n1表示（3）副线圈（次级线圈）：其匝数用n2表示（4）输入电压：U1; 输出电压：U2.3.电路图中符号问题：变压器副线圈和原线圈电路是否相通？ 变压器原副线圈不相通，那么在给原线圈接交变电压U1后，副线圈电压U2是怎样产生的？铁芯与线圈互相绝缘二、变压器的工作原理------互感现象 变压器通过闭合铁芯，利用互感现象实现了电能（U1、I1）到磁场能（变化的磁场）再到电能（ U2、I2）转化。原线圈副线圈铁芯思考：若给原线圈接直流电压U1，
副线圈电压U2 ？U2＝0理想变压器 如果在能量转化的过程中能量损失很小，能够略去原、副线圈的电阻，以及各种电磁能量损失，这样的变压器我们称之为理想变压器。这是物理学中又一种理想化模型。无铜损、铁损、磁损三、理想变压器的变压规律原、副线圈中产生的感应电动势分别是：E1=n1??/ ?tE2=n2??/ ?t若不考虑原副线圈的内阻有
U1=E1
U2=E2 理想变压器原副线圈的端电压之比等于这两个线圈的匝数之比n2 >n1 U2>U1 -----升压变压器n2 1．示意图
2．电路图中符号
3．构造：二、变压器的工作原理：
1、互感现象：原、副线圈中由于有交变电流而发生
的互相感应现象
2、能量转化：电能→磁场能→电能
3、理想变压器 P入＝P出三、理想变压器的变压规律
U1/U2=n1/n2四、理想变压器的变流规律：
I1/I2=n2/n1 五、常用变压器小结 练1、理想变压器原、副线圈的匝数比n1:n2＝4：1，当导体棒在匀强磁场中向左做匀速直线运动切割磁感线时，图中电流表A1的示数12mA，则电流表A2的示数为 （ ）
A．3mA B．0
C．48mA D．与负载R的值有关B1803 A练习2、一理想变压器，原线圈匝数n1=1100，接在电压220V的交流电源上，当它对11只并联的“36V，60w”的灯泡供电时，灯泡正常发光。由此可知副线圈的匝数n2=_____，通过原线圈的电流 I1 =______。A. U 增大、I 增大、P1 增大C. U 减小、I 减小、P1 减小D. U 不变、I 减小、P1 不变B. U 不变、I 减小、P1 增大练5、 如图所示：理想变压器的原线圈接高电压，变压后接用电器，线路电阻不计。S原来闭合，且R1=R2，现将S断开，那么交流电压表的示数U、交流电流表的示数I 和用电器上R1的功率P1将分别是： DC练3、钳形电流表的外形和结构如图（a）所示。图（a）中电流表的读数为1.2A 。图（b）中用同一电缆线绕了3匝，则
A.这种电流表能测直流电流，图（b）的读数为2.4A
B.这种电流表能测交流电流，图（b）的读数为0.4A
C.这种电流表能测交流电流，图（b）的读数为3.6A
D.这种电流表既能测直流电流，又能测交流电流，图 （b）的读数为3.6A练4、为了保证用电安全，家庭居室的室内电路前端一般都安装漏电保护开关，如图所示是保护开关的电路原理简图． 问：
（1）电路正常工作时，b线圈是没有电流的，原因是什么？
（2）如果站在地上的人不小心接触火线时，b线圈为什么会产生感应电流？答案 （1）电流互感器a侧两线圈完全相同，流过两线圈的电流大小相等，方向相反，它们产生的磁场相互抵消，b侧线圈磁通量总为零而不变，线圈中不产生感应电流．（2）火线的电流有一部分流经人体，经大地流回发电厂，a侧两线圈电流大小不等，产生“剩余电流”在铁芯中产生变化的“剩余磁通”，b侧线圈中磁通量发生变化，线圈中产生感应电流．U1 变压器输入输出电压、电流、功率大小之间的因果关系 1.输入功率P1由输出功率P2决定； P1＝P22.U1由电源决定；3.U2由U1和匝数比决定； U2＝n2/n1·U14.I2由U2和负载决定； I2＝U2／R5.I1由I2和匝数比决定； I1＝n2/n1·I2六、有多个副线圈的理想变压器的问题 一个原线圈多个副线圈的理想变压器，原线圈匝数为n1，两个副线圈的匝数分别为n2和n3，相应的电压分别为U1、U2和U3，相应的电流分别为I1、I2和I3，根据变压器的工作原理可得：例、一台理想变压器原线圈匝数n1＝1100匝，两个副线圈的匝数分别是n2＝60匝，n3＝600匝。若通过两个副线圈中的电流分别为I2＝1A，I3＝4A，求原线圈中的电流。2.24A练、如图所示：理想变压器的交流输入电压U1=220V，有两组副线圈，其中n2=36匝，标有“6V，9W”、“12V，12W”的灯泡分别接在两副线圈上均正常发光，求：
（1）原线圈的匝数为n1和另一副线圈的匝数n3.
（2）原线圈的电流I1。
（1）n2 ＝1320匝 n3= 72匝
（2）I1=0.095A例、在绕制变压器时，某学生误将两个线圈绕在如图所示变压器左右两臂上，当通以交变电流时，每个线圈产生的磁通量都只有一半通过另一个线圈，另一半通过中部的臂，已知线圈的匝数之比n1:n2＝2：1.在不接负载的情况下，则（ ）
A．当线圈1输入电压为220V时，
线圈2输出电压为110V
B．当线圈1输入电压为220V时，
线圈2输出电压为55V
C．当线圈2输入电压为110V时，
线圈1输出电压为220V
D．当线圈2输入电压为110V时，
线圈1输出电压为110VBD 练习、一理想变压器如图所示，在n1两端接交流电U1＝220V，n1为4400匝，n2为1100匝。若要使U3＝U2，求n3。 n3＝2200匝例、如图所示，理想变压器原副线圈匝数比为4: 1，原线圈中的电阻A与副线圈中的负载电阻B阻值相等。a b端加一交流电压U后，
（1）两电阻消耗的功率之比为多少？
（2）两电阻两端电压之比为多少？
（3）B电阻两端电压为多少？（1）1:16（2）1:4练习、如图所示，一理想变压器原、副线圈的匝数比为n1：n2=3：1，有四只相同的灯泡连入电路中，若灯泡L2、L3、L4均能正常发光，则灯泡L1 （ ）
A、也能正常发光
B、较另三个灯暗些
C、将会烧坏
D、不能确定
n2n1L3L4L1L2A
