第2课时 实验：探究变压器电压与线圈匝数的关系
(实验课—基于经典科学探究)
一、实验装置
所需器材：可拆变压器(如图)、低压交流电源、交流电压表、带夹的导线。
二、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。
1．保持原线圈两端电压和匝数不变，改变副线圈的匝数，用交流电压表测出副线圈两端的电压。
2．保持原线圈两端电压和副线圈匝数不变，改变原线圈的匝数，用交流电压表测出副线圈两端的电压。
一、实验步骤
1．如图所示，连接好电路，并记录两个线圈的匝数。
2．保持原线圈输入的电压和原线圈匝数不变，用交流电压表测量原线圈电压，并记录在表格中。
3．改变副线圈匝数，用交流电压表分别测量副线圈上的电压，把匝数、电压的对应数据记录在表格中。
4．保持副线圈匝数不变，改变原线圈匝数，用交流电压表分别测量副线圈上的电压，把匝数、电压的对应数据记录在表格中。
二、数据处理
请将实验数据填入设计的表格中，并根据数据分析比值和之间的关系。
三、实验结论
实验分析表明，在误差允许的范围内，原、副线圈的电压之比等于原、副线圈的匝数比，即＝。
四、误差分析
由于存在能量损耗，所以副线圈测量电压值应小于理论电压值。
五、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12 V，通电时不能用手接触裸露的导线和接线柱。
3．为了保证交流电压表的安全，使用交流电压表测电压时，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。
[关键点反思]
1．原线圈所接的交流电源的电压能超过12 V吗？
2．手能触及裸露的导线吗？
3．用电压表测量副线圈两端的电压时，电压表的挡位应如何选择？
考法(一) 实验基本操作
[例1] 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。他准备了可拆变压器、多用电表、开关和导线若干。
(1)实验需要以下哪种电源________；
A．低压直流电源 B.高压直流电源
C．低压交流电源 D．高压交流电源
(2)该同学认真检查电路无误后，先保证原线圈匝数不变，改变副线圈匝数，再保证副线圈匝数不变，改变原线圈匝数。分别测出相应的原、副线圈电压值。由于交流电压是变化的，所以，我们实际上测量的是电压的_________值 (填“有效”或“最大”)。其中一次多用电表读数如图甲所示，此时电压表读数为________ V；
(3)理想变压器原、副线圈电压应与其匝数成______(填“正比”或“反比”)；
(4)由于实验中变压器的铜损和铁损导致变压器并非理想变压器。实验中，图乙中变压器的原线圈接“0,8”接线柱，副线圈接“0,4”接线柱，当副线圈所接电表的示数为5.0 V，则原线圈所接电源电压可能为______。
A．16.0 V B.10.0 V
C．5.0 V D．2.5 V
听课记录：
考法(二) 数据处理和误差分析
[例2] 在“探究变压器
原、副线圈电压与匝数的关系”实验中，利用如图甲所示的可拆变压器能方便地探究原、副线圈的电压比与匝数比的关系。
(1)这个探究过程采用的科学探究方法是______________________________。
(2)某次实验中得到实验数据如下表所示，表中n1、n2分别为原、副线圈的匝数，U1、U2分别为原、副线圈两端的电压，通过实验数据分析，你的结论是___________________。
实验次数 n1/匝 n2/匝 U1/V U2/V
1 1 600 400 8.9 2.1
2 800 400 8.9 4.3
3 800 400 6.6 3.2
4 800 400 4.5 2.1
5 800 100 8.6 1.0
6 200 400 8.9 17.0
(3)①发现上述表中实验数据没有严格遵从变压器原、副线圈电压与匝数的关系，分析下列可能的原因，正确的是________。(多选)
A．原、副线圈的电压不同步
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产生涡流会发热
D．原线圈中电流产生的磁场能在向副线圈转移过程中有损失
②如图乙，为了减小涡流在铁芯中产生的热量，铁芯是由相互绝缘的硅钢片平行叠成。硅钢片应平行于________。
A．平面abcd B.平面abfe
C．平面abgh D．平面aehd
③某同学在完成上述实验后，采用如图丙所示的电路测量变压器原线圈的电阻(阻值较小)，为保证电路中各元件安全，实验结束时，首先应断开______。
A．导线A B.导线B
C．开关C D．导线D
听课记录：
[微点拨]
(1)因有漏磁、铁芯中涡流和原副线圈中电流引起的发热，出现原、副线圈上的电压之比与匝数之比并不严格相等。
(2)实验结束时应先断开因磁通量突变会产生高压的电路，以保证电路中各元件的安全。
考法(三) 源于经典实验的创新考查
[例3] 有一个教学用的可拆变压器，如图甲所示，它有两个外观基本相同的线圈A、B，线圈外部还可以绕线。
(1)某同学用一多用电表的同一欧姆挡先后测量了A、B线圈的电阻值，指针分别对应图乙中的a、b位置，由此可推断________线圈的匝数较多(选填“A”或“B”)。
(2)如果把它看成理想变压器，现要测定A线圈的匝数，提供的器材有：一根足够长的绝缘导线、一只多用电表和低压交流电源。请简要叙述实验的步骤(写出要测的物理量，并用字母表示)________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)A线圈的匝数为nA＝______________(用所测物理量符号表示)。
听课记录：
[创新分析]
(1)利用多用电表测电阻的形式简单地判断匝数的多少。
(2)利用转化法定量测量变压器的匝数。
1.某学习小组在探究变压器原、副线圈电压和匝数关系的实验中，采用了可拆变压器，铁芯B安装在铁芯A上形成闭合铁芯，将原、副线圈套在铁芯A的两臂上，如图所示。
(1)下列说法正确的是________。
A．为保证实验安全，原线圈应接低压直流电源
B．变压器中铁芯是整块硅钢
C．保持原线圈电压及匝数不变，可改变副线圈的匝数，研究副线圈的匝数对输出电压的影响
D．变压器正常工作后，电能由原线圈通过铁芯导电输送到副线圈
(2)实验过程中，变压器的原、副线圈选择不同的匝数，利用多用电表测量相应电压，记录如下，由数据可知N1一定是__________线圈的匝数。(填“原”或“副”)
根据表格中的数据，在实验误差允许的范围内，可得出原、副线圈两端电压与匝数的关系：__________________。
N1/匝 100 100 200 200
N2/匝 200 400 400 800
U1/V 2.1 1.95 5.22 2.35
U2/V 4.28 8.00 10.60 9.64
(3)学习小组观察实验室中一降压变压器的两个线圈的导线，发现导线粗细不同，结合以上实验结论，应将导线较细的线圈作为____线圈。(填“原”或“副”)
2．(2024·山东菏泽高二阶段练习)在“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验中：
(1)实验室中有下列器材：
A．可拆变压器(铁芯、两个已知匝数的线圈)
B．条形磁铁
C．开关、导线若干
D．交流电压表
在本实验中，上述器材不用的是______(填器材序号字母)，还需用到的器材有________________(填“直流电源”或“低压交流电源”)。
(2)某学生做实验时，先保持原线圈的匝数不变，增加副线圈的匝数，观察到副线圈两端的电压______(选填“增大”“减小”或“不变”)；然后再保持副线圈的匝数不变，增加原线圈的匝数，观察到副线圈两端的电压________(选填“增大”“减小”或“不变”)；上述探究过程采用的实验方法是______________。
(3)若实验电路图如图(b)所示，实验时n1＝800匝，n2＝400匝，断开S，接通电源，观察到电压表的读数为6 V，若可拆变压器可视为理想变压器，则：
①变压器的输入电压有效值为________。
A．3 V B．6 V
C．12 V D．15 V
②若灯泡的额定电压为6 V，闭合S，灯泡能否正常发光？______(填“能”或“不能”)。
3．(2024·北京高二月考)物理研究课上，同学们用可拆变压器“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”。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流电，测量副线圈电压时应当用多用电表的“直流电压挡”
C．测量副线圈电压时，先用最大量程试测，大致确定电压后再选用适当的挡位进行测量
(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)将与灯泡相连的线圈拆掉匝数，其余装置不变继续实验，灯泡亮度将_________(选填“变亮”或“变暗”)，这说明灯泡两端的电压_____________(选填“变大”或“变小”)。
(4)实验中发现，在所有连接都完好的情况下，电路接通后，灯泡始终不亮，但却在电路接通或断开的瞬间，灯泡会闪亮一下，原因是_______________。
4．某课外探究小组做探究变压器线圈两端电压与匝数关系的实验，请将下列实验的有关内容补充完整。
(1)利用如图甲所示的电路来探究变压器线圈两端电压与匝数间的关系。已知理想变压器原、副线圈的匝数比n1∶n2＝6∶1，N是原线圈的中心抽头，图中两块电表均为理想电表，除滑动变阻器外的电阻均不计。当将电压U1加在原线圈两端时，两块电表的示数为U2、I2；若保持电压U1不变，只将S由M合向N，两表的示数分别为U3＝__________、I3＝________；若输入电压增加12 V时，副线圈的电压增加________ V。
(2)如图乙所示的电路，理想变压器原线圈匝数为n1，接一理想电流表；副线圈接入电路的匝数n2可以通过滑动触头P调节，副线圈与定值电阻R0和压敏电阻R相连接，物块m置于压敏电阻上。已知压敏电阻的阻值随压力的增大而变小。现保持原线圈输入电压不变，则触头P右移增大n2，电流表示数将________，只增大物块对R的压力，电流表示数将________，原线圈的输入功率将______(选填“增大”“减小”或“不变”)。
第2课时 实验：探究变压器电压与线圈匝数的关系
2
1．提示：不能。原线圈所接的交流电源的电压超过12 V，易造成操作人员人身安全问题。
2．提示：不能。副线圈两端的电压超过安全电压时，手触及裸露的导线易造成触电危险。
3．提示：为避免损坏交流电压表，应先用最大量程挡试测。
3
[例1] 解析：(1)探究变压器原、副线圈电压与匝数关系，应选择低压交流电源。故选C。
(2)多用电表测量的是交流电压的有效值，不是最大值；多用电表选用的挡位是交流电压的10 V挡位，所以应该在0～10 V挡位读数，读数应该是7.2 V。
(3)根据＝，可知，理想变压器原、副线圈电压应与其匝数成正比。
(4)实验中由于变压器的铜损和铁损，变压器的铁芯损失一部分的磁通量，所以导致副线圈的电压的实际值小于理论值，＞，所以U1＞U2＝×5 V＝10 V，故选A。
答案：(1)C (2)有效 7.2 (3)正比 (4)A
[例2] 解析：(1)当一个物理量与多个物理量相关时，应采用控制变量法。
(2)通过分析表中数据可得结论，在误差允许的范围内，原、副线圈的电压比与匝数比相等，即＝。
(3)①通过实验数据发现，实验过程中有能量的损失，主要原因为绕制线圈的铜导线发热、铁芯中的涡流发热和铁芯对磁场的约束不完全而出现漏磁，故A错误，B、C、D正确。
②根据楞次定律和右手螺旋定则，产生的涡流的方向平行于面abcd，为了减小涡流在铁芯中产生的热量，相互绝缘的硅钢片应垂直面abcd，即平行于面aehd或abfe，又考虑减小整个铁芯中的涡流，故应平行于面aehd，故A、B、C错误，D正确。
③实验结束时，应先把电压表从电路中断开，否则在断开开关瞬间，变压器原线圈两端会产生大电压烧坏电压表，故应先断开导线A，故B、C、D错误，A正确。
答案：(1)控制变量法 (2)在误差允许的范围内，原、副线圈的电压比与匝数比相等，即＝ (3)①BCD ②D ③A
[例3] 解析：(1)欧姆表示数等于指针示数与挡位的乘积，用同一挡位测电阻，指针偏角越大，所测电阻阻值越小，指针偏角越小，电阻阻值越大，由题图乙可知，a位置指针偏角小，线圈A的电阻大，线圈A的匝数较多。
(2)实验步骤：①用绝缘导线在线圈的外部或变压器的铁芯上绕制n匝线圈；
②将A线圈与低压交流电源相连接；
③用多用电表的交流电压挡分别测量A线圈的输入电压UA和绕制线圈的输出电压U；
④然后求线圈A的匝数。
(3)根据理想变压器原、副线圈的电压比等于匝数比，
有＝，则nA＝n。
答案：(1)A (2)见解析 (3)n
4
1．解析：(1)变压器改变的是交流电压，因此原线圈不能接低压直流电源，A错误；因为变压器的工作原理是电磁感应，如果变压器铁芯是用整块硅钢，则在电磁感应的作用下，会产生很大的涡流发热，当热量达到一定程度时，会损坏铁芯和线圈，故不能用整块硅钢，B错误；研究变压器电压和匝数的关系，用到控制变量法，可以先保持原线圈电压、匝数不变，改变副线圈匝数，研究副线圈匝数对副线圈电压的影响，C正确；变压器的工作原理是电磁感应现象，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，而不是靠铁芯导电来传输电能，D错误。
(2)实际变压器存在漏磁等损耗，导致原、副线圈的电压比小于匝数比，故由数据可知N1一定是副线圈的匝数；由表可知，在误差允许的范围内，原、副线圈的电压之比等于两线圈的匝数之比，则＝。
(3)理想变压器的输入功率等于输出功率，因为是降压变压器，所以副线圈的电压小于原线圈的电压，而功率又相等，所以副线圈的电流大于原线圈的电流，为了减少功率损失，根据电阻定律可知副线圈应用较粗的铜导线绕制，故应将导线较细的线圈作为原线圈。
答案：(1)C (2)副 在误差允许的范围内，原、副线圈的电压之比等于两线圈的匝数之比 (3)原
2．解析：(1)“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验，题述器材在实验中不用的是条形磁铁。故选B。实验中还需用到的器材是低压交流电源。
(2)某学生做实验时，先保持原线圈的匝数不变，增加副线圈的匝数，因原、副线圈电压之比等于两线圈匝数之比，即＝，则会观察到副线圈两端的电压增大；然后再保持副线圈的匝数不变，增加原线圈的匝数，可知将观察到副线圈两端的电压减小；上述探究过程采用的实验方法是控制变量法。
(3)①根据变压器变压原理可得U1＝U2＝×6 V＝12 V，故选C。
②灯泡的额定电压为6 V，实验时变压器为理想变压器，次级电压等于6 V，灯泡能正常发光。
答案：(1)B 低压交流电源 (2)增大 减小 控制变量法 (3)①C ②能
3．解析：(1)为确保实验安全，实验中要求副线圈匝数小于原线圈匝数，使得次级电压较小，故A错误；变压器的原线圈接低压交流电，测量副线圈电压时应当用多用电表的“交流电压挡”测量，故B错误；测量副线圈电压时，先用最大量程试测，大致确定电压后再选用适当的挡位进行测量，防止烧坏电压表，故C正确。
(2)变压器线圈通电时会产生磁场，而变压器上端的横条铁芯相当于磁铁，线圈对横条铁芯有吸引力作用，因此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，故A正确；仅增加原线圈匝数，副线圈两端电压将减小，小灯泡亮度将变暗，故B错误；若仅增加副线圈绕制的圈数，副线圈两端电压增大，小灯泡消耗的功率变大，学生电源输出的功率变大，有可能会使学生电源的过载指示灯亮起，故C正确。
(3)将与灯泡相连的线圈拆掉匝数，即次级线圈匝数减小，则次级电压减小，则灯泡亮度将变暗，这说明灯泡两端的电压变小。
(4)实验中发现，在所有连接都完好的情况下，电路接通后，灯泡始终不亮，但却在电路接通或断开的瞬间，灯泡会闪亮一下，原因是变压器的初级线圈连接的是学生电源的“直流”。
答案：(1)C (2)AC (3)变暗 变小
(4)变压器的初级线圈连接的是学生电源的“直流”
4．解析：(1)保持电压U1不变，只将S由M合向N时，原线圈匝数将减小一半，根据原、副线圈电压与匝数的关系得
＝＝，＝＝
所以副线圈电压U3＝2U2
依据欧姆定律得I2＝，I3＝＝＝2I2
若输入电压增加12 V时，＝＝
解得U＝2 V，副线圈的电压增加2 V。
(2)根据理想变压器的电压与匝数的关系可知，当副线圈的匝数n2增大时，则变压器副线圈的电压增大，副线圈的功率增大，由原、副线圈功率相等U1I1＝U2I2，得原线圈电流增大，故电流表示数增大；当增大物块对R的压力时，R的阻值会变小，在电压不变的情况下，副线圈电流会变大，原线圈的电流也会变大，所以电流表的示数增大，原线圈的输入功率增大。
答案：(1)2U2 2I2 2 (2)增大 增大 增大
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实验:探究变压器电压与线圈匝数的关系
(实验课—基于经典科学探究)
第2课时
1
实验准备——原理、器材和装置
2
实验操作——过程、细节和反思
3
实验考法——基础、变通和创新
CONTENTS
目录
4
训练评介——巩固、迁移和发展
实验准备——原理、器材和装置
一、实验装置
所需器材:可拆变压器(如图)、低压交流电源、交流电压表、带夹的导线。
二、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。
1.保持原线圈两端电压和匝数不变,改变副线圈的匝数,用交流电压表测出副线圈两端的电压。
2.保持原线圈两端电压和副线圈匝数不变,改变原线圈的匝数,用交流电压表测出副线圈两端的电压。
实验操作——过程、细节和反思
一、实验步骤
1.如图所示,连接好电路,并记录两个线圈的匝数。
2.保持原线圈输入的电压和原线圈匝数不变,用交流电压表测量原线圈电压,并记录在表格中。
3.改变副线圈匝数,用交流电压表分别测量副线圈上的电压,把匝数、电压的对应数据记录在表格中。
4.保持副线圈匝数不变,改变原线圈匝数,用交流电压表分别测量副线圈上的电压,把匝数、电压的对应数据记录在表格中。
二、数据处理
请将实验数据填入设计的表格中,并根据数据分析比值和之间的关系。
三、实验结论
实验分析表明,在误差允许的范围内,原、副线圈的电压之比等于原、副线圈的匝数比,即=。
四、误差分析
由于存在能量损耗,所以副线圈测量电压值应小于理论电压值。
五、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12 V,通电时不能用手接触裸露的导线和接线柱。
3.为了保证交流电压表的安全,使用交流电压表测电压时,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。
1.原线圈所接的交流电源的电压能超过12 V吗
提示:不能。原线圈所接的交流电源的电压超过12 V,易造成操作人员人身安全问题。
关键点反思
2.手能触及裸露的导线吗
提示:不能。副线圈两端的电压超过安全电压时,手触及裸露的导线易造成触电危险。
3.用电压表测量副线圈两端的电压时,电压表的挡位应如何选择
提示:为避免损坏交流电压表,应先用最大量程挡试测。
实验考法——基础、变通和创新
[例1] 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。他准备了可拆变压器、多用电表、开关和导线若干。
(1)实验需要以下哪种电源 ;
A.低压直流电源 B.高压直流电源
C.低压交流电源 D.高压交流电源
考法(一) 实验基本操作
[答案] C
[解析] 探究变压器原、副线圈电压与匝数关系,应选择低压交流电源。故选C。
(2)该同学认真检查电路无误后,先保证原线圈匝数不变,改变副线圈匝数,再保证副线圈匝数不变,改变原线圈匝数。分别测出相应的原、副线圈电压值。由于交流电压是变化的,所以,我们实际上测量的是电压的 值 (填“有效”或“最大”)。其中一次多用电表读数如图甲所示,此时电压表读数为 V;
[答案] 有效 7.2
[解析] 多用电表测量的是交流电压的有效值,不是最大值;多用电表选用的挡位是交流电压的10 V挡位,所以应该在0~10 V挡位读数,读数应该是7.2 V。
(3)理想变压器原、副线圈电压应与其匝数成 (填“正比”或“反比”);
[答案] 正比
[解析] 根据=,可知,理想变压器原、副线圈电压应与其匝数成正比。
(4)由于实验中变压器的铜损和铁损导致变压器并非理想变压器。实验中,图乙中变压器的原线圈接“0,8”接线柱,副线圈接“0,4”接线柱,当副线圈所接电表的示数为5.0 V,则原线圈所接电源电压可能为 。
A.16.0 V B.10.0 V
C.5.0 V D.2.5 V
[答案] A
[解析] 实验中由于变压器的铜损和铁损,变压器的铁芯损失一部分的磁通量,所以导致副线圈的电压的实际值小于理论值,>,所以U1>U2=×5 V=10 V,故选A。
[例2] 在“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验中,利用如图甲所示的可拆变压器能方便地探究原、副线圈的电压比与匝数比的关系。
考法(二) 数据处理和误差分析
(1)这个探究过程采用的科学探究方法是 。
[答案] 控制变量法
[解析] 当一个物理量与多个物理量相关时,应采用控制变量法。
(2)某次实验中得到实验数据如下表所示,表中n1、n2分别为原、副线圈的匝数,U1、U2分别为原、副线圈两端的电压,通过实验数据分析,你的结论是 。
实验次数 n1/匝 n2/匝 U1/V U2/V
1 1 600 400 8.9 2.1
2 800 400 8.9 4.3
3 800 400 6.6 3.2
4 800 400 4.5 2.1
5 800 100 8.6 1.0
6 200 400 8.9 17.0
[答案] 在误差允许的范围内,原、副线圈的电压比与匝数比相等,即=
[解析] 通过分析表中数据可得结论,在误差允许的范围内,原、副线圈的电压比与匝数比相等,即=。
(3)①发现上述表中实验数据没有严格遵从变压器原、副线圈电压与匝数的关系,分析下列可能的原因,正确的是 。(多选)
A.原、副线圈的电压不同步
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产生涡流会发热
D.原线圈中电流产生的磁场能在向副线圈转移过程中有损失
②如图乙,为了减小涡流在铁芯中产生的热量,铁芯是由相互绝缘的硅钢片平行叠成。硅钢片应平行于 。
A.平面abcd B.平面abfe
C.平面abgh D.平面aehd
③某同学在完成上述实验后,采用如图丙所示的电路测量变压器原线圈的电阻(阻值较小),为保证电路中各元件安全,实验结束时,首先应断开 。
A.导线A B.导线B
C.开关C D.导线D
[答案] ①BCD ②D ③A
[解析] ①通过实验数据发现,实验过程中有能量的损失,主要原因为绕制线圈的铜导线发热、铁芯中的涡流发热和铁芯对磁场的约束不完全而出现漏磁,故A错误,B、C、D正确。
②根据楞次定律和右手螺旋定则,产生的涡流的方向平行于面abcd,为了减小涡流在铁芯中产生的热量,相互绝缘的硅钢片应垂直面abcd,即平行于面aehd或abfe,又考虑减小整个铁芯中的涡流,故应平行于面aehd,故A、B、C错误,D正确。
③实验结束时,应先把电压表从电路中断开,否则在断开开关瞬间,变压器原线圈两端会产生大电压烧坏电压表,故应先断开导线A,故B、C、D错误,A正确。
[微点拨]
(1)因有漏磁、铁芯中涡流和原副线圈中电流引起的发热,出现原、副线圈上的电压之比与匝数之比并不严格相等。
(2)实验结束时应先断开因磁通量突变会产生高压的电路,以保证电路中各元件的安全。
[例3] 有一个教学用的可拆变压器,如图甲所示,它有两个外观基本相同的线圈A、B,线圈外部还可以绕线。
考法(三) 源于经典实验的创新考查
(1)某同学用一多用电表的同一欧姆挡先后测量了A、B线圈的电阻值,指针分别对应图乙中的a、b位置,由此可推断 线圈的匝数较多(选填“A”或“B”)。
[答案] A
[解析] 欧姆表示数等于指针示数与挡位的乘积,用同一挡位测电阻,指针偏角越大,所测电阻阻值越小,指针偏角越小,电阻阻值越大,由题图乙可知,a位置指针偏角小,线圈A的电阻大,线圈A的匝数较多。
(2)如果把它看成理想变压器,现要测定A线圈的匝数,提供的器材有:一根足够长的绝缘导线、一只多用电表和低压交流电源。请简要叙述实验的步骤(写出要测的物理量,并用字母表示)_______________________________
。
[答案]见解析
[解析] 实验步骤:①用绝缘导线在线圈的外部或变压器的铁芯上绕制n匝线圈;
②将A线圈与低压交流电源相连接;
③用多用电表的交流电压挡分别测量A线圈的输入电压UA和绕制线圈的输出电压U;
④然后求线圈A的匝数。
(3)A线圈的匝数为nA= (用所测物理量符号表示)。
[答案] n
[解析] 根据理想变压器原、副线圈的电压比等于匝数比,
有=,则nA=n。
[创新分析]
(1)利用多用电表测电阻的形式简单地判断匝数的多少。
(2)利用转化法定量测量变压器的匝数。
训练评介——巩固、迁移和发展
1.某学习小组在探究变压器原、副线圈电压和匝数关系的实验中,采用了可拆变压器,铁芯B安装在铁芯A上形成闭合铁芯,将原、副线圈套在铁芯A的两臂上,如图所示。
(1)下列说法正确的是 。
A.为保证实验安全,原线圈应接低压直流电源
B.变压器中铁芯是整块硅钢
C.保持原线圈电压及匝数不变,可改变副线圈的匝数,研究副线圈的匝数对输出电压的影响
D.变压器正常工作后,电能由原线圈通过铁芯导电输送到副线圈
答案:C
解析:变压器改变的是交流电压,因此原线圈不能接低压直流电源,A错误;因为变压器的工作原理是电磁感应,如果变压器铁芯是用整块硅钢,则在电磁感应的作用下,会产生很大的涡流发热,当热量达到一定程度时,会损坏铁芯和线圈,故不能用整块硅钢,B错误;研究变压器电压和匝数的关系,用到控制变量法,可以先保持原线圈电压、匝数不变,改变副线圈匝数,研究副线圈匝数对副线圈电压的影响,C正确;变压器的工作原理是电磁感应现象,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,而不是靠铁芯导电来传输电能,D错误。
(2)实验过程中,变压器的原、副线圈选择不同的匝数,利用多用电表测量相应电压,记录如下,由数据可知N1一定是 线圈的匝数。(填“原”或“副”)
根据表格中的数据,在实验误差允许的范围内,可得出原、副线圈两端电压与匝数的关系: 。
N1/匝 100 100 200 200
N2/匝 200 400 400 800
U1/V 2.1 1.95 5.22 2.35
U2/V 4.28 8.00 10.60 9.64
答案:副 在误差允许的范围内,原、副线圈的电压之比等于两线圈的匝数之比
解析:实际变压器存在漏磁等损耗,导致原、副线圈的电压比小于匝数比,故由数据可知N1一定是副线圈的匝数;由表可知,在误差允许的范围内,原、副线圈的电压之比等于两线圈的匝数之比,则=。
(3)学习小组观察实验室中一降压变压器的两个线圈的导线,发现导线粗细不同,结合以上实验结论,应将导线较细的线圈作为 线圈。(填“原”或“副”)
答案:原
解析:理想变压器的输入功率等于输出功率,因为是降压变压器,所以副线圈的电压小于原线圈的电压,而功率又相等,所以副线圈的电流大于原线圈的电流,为了减少功率损失,根据电阻定律可知副线圈应用较粗的铜导线绕制,故应将导线较细的线圈作为原线圈。
2.(2024·山东菏泽高二阶段练习)在“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验中:
(1)实验室中有下列器材:
A.可拆变压器(铁芯、两个已知匝数的线圈)
B.条形磁铁
C.开关、导线若干
D.交流电压表
在本实验中,上述器材不用的是 (填器材序号字母),还需用到的器材有 (填“直流电源”或“低压交流电源”)。
答案:B 低压交流电源
解析:“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验,题述器材在实验中不用的是条形磁铁。故选B。实验中还需用到的器材是低压交流电源。
(2)某学生做实验时,先保持原线圈的匝数不变,增加副线圈的匝数,观察到副线圈两端的电压 (选填“增大”“减小”或“不变”);然后再保持副线圈的匝数不变,增加原线圈的匝数,观察到副线圈两端的电压 (选填“增大”“减小”或“不变”);上述探究过程采用的实验方法是 。
答案:增大 减小 控制变量法
解析:某学生做实验时,先保持原线圈的匝数不变,增加副线圈的匝数,因原、副线圈电压之比等于两线圈匝数之比,即=,则会观察到副线圈两端的电压增大;然后再保持副线圈的匝数不变,增加原线圈的匝数,可知将观察到副线圈两端的电压减小;上述探究过程采用的实验方法是控制变量法。
(3)若实验电路图如图(b)所示,实验时n1=800匝,n2=400匝,断开S,接通电源,观察到电压表的读数为6 V,若可拆变压器可视为理想变压器,则:
①变压器的输入电压有效值为 。
A.3 V B.6 V
C.12 V D.15 V
②若灯泡的额定电压为6 V,闭合S,灯泡能否正常发光 (填“能”或“不能”)。
答案:①C ②能
解析:①根据变压器变压原理可得U1=U2=×6 V=12 V,故选C。
②灯泡的额定电压为6 V,实验时变压器为理想变压器,次级电压等于6 V,灯泡能正常发光。
3.(2024·北京高二月考)物理研究课上,同学们用可拆变压器“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”。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流电,测量副线圈电压时应当用多用电表的“直流电压挡”
C.测量副线圈电压时,先用最大量程试测,大致确定电压后再选用适当的挡位进行测量
答案:C
解析:为确保实验安全,实验中要求副线圈匝数小于原线圈匝数,使得次级电压较小,故A错误;变压器的原线圈接低压交流电,测量副线圈电压时应当用多用电表的“交流电压挡”测量,故B错误;测量副线圈电压时,先用最大量程试测,大致确定电压后再选用适当的挡位进行测量,防止烧坏电压表,故C正确。
(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
答案:AC
解析:变压器线圈通电时会产生磁场,而变压器上端的横条铁芯相当于磁铁,线圈对横条铁芯有吸引力作用,因此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,故A正确;仅增加原线圈匝数,副线圈两端电压将减小,小灯泡亮度将变暗,故B错误;若仅增加副线圈绕制的圈数,副线圈两端电压增大,小灯泡消耗的功率变大,学生电源输出的功率变大,有可能会使学生电源的过载指示灯亮起,故C正确。
(3)将与灯泡相连的线圈拆掉匝数,其余装置不变继续实验,灯泡亮度将 (选填“变亮”或“变暗”),这说明灯泡两端的电压 (选填“变大”或“变小”)。
答案:变暗 变小
解析:将与灯泡相连的线圈拆掉匝数,即次级线圈匝数减小,则次级电压减小,则灯泡亮度将变暗,这说明灯泡两端的电压变小。
(4)实验中发现,在所有连接都完好的情况下,电路接通后,灯泡始终不亮,但却在电路接通或断开的瞬间,灯泡会闪亮一下,原因是 。
答案:变压器的初级线圈连接的是学生电源的“直流”
解析:实验中发现,在所有连接都完好的情况下,电路接通后,灯泡始终不亮,但却在电路接通或断开的瞬间,灯泡会闪亮一下,原因是变压器的初级线圈连接的是学生电源的“直流”。
4.某课外探究小组做探究变压器线圈两端电压与匝数关系的实验,请将下列实验的有关内容补充完整。
(1)利用如图甲所示的电路来探究变压器线圈两端电压与匝数间的关系。已知理想变压器原、副线圈的匝数比n1∶n2=6∶1,N是原线圈的中心抽头,图中两块电表均为理想电表,除滑动变阻器外的电阻均不计。当将电压U1加在原线圈两端时,两块电表的示数为U2、I2;若保持电压U1不变,只将S由M合向N,两表的示数分别为U3= 、I3= ;若输入电压增加12 V时,副线圈的电压增加 V。
答案:2U2 2I2 2
解析:保持电压U1不变,只将S由M合向N时,原线圈匝数将减小一半,根据原、副线圈电压与匝数的关系得==,==
所以副线圈电压U3=2U2
依据欧姆定律得I2=,I3===2I2
若输入电压增加12 V时,==
解得U=2 V,副线圈的电压增加2 V。
(2)如图乙所示的电路,理想变压器原线圈匝数为n1,接一理想电流表;副线圈接入电路的匝数n2可以通过滑动触头P调节,副线圈与定值电阻R0和压敏电阻R相连接,物块m置于压敏电阻上。已知压敏电阻的阻值随压力的增大而变小。现保持原线圈输入电压不变,则触头P右移增大n2,电流表示数将 ,只增大物块对R的压力,电流表示数将 ,原线圈的输入功率将 (选填“增大”“减小”或“不变”)。
答案:增大 增大 增大
解析:根据理想变压器的电压与匝数的关系可知,当副线圈的匝数n2增大时,则变压器副线圈的电压增大,副线圈的功率增大,由原、副线圈功率相等U1I1=U2I2,得原线圈电流增大,故电流表示数增大;当增大物块对R的压力时,R的阻值会变小,在电压不变的情况下,副线圈电流会变大,原线圈的电流也会变大,所以电流表的示数增大,原线圈的输入功率增大。
