《学霸笔记 同步精讲》第3章 交变电流 3.变压器（课件）高中物理人教版选择性必修2

(共55张PPT)
3.变压器
第三章
2026
内容索引
01
02
03
自主预习·新知导学
合作探究·释疑解惑
课 堂 小 结
04
随 堂 练 习
课 标 定 位
1.了解变压器的构造,理解变压器的工作原理。
2.掌握理想变压器的电压与匝数的关系并能用它解决相关问题。
3.了解变压器中的能量转化。
素 养 阐 释
1.通过对变压器的学习,形成物理观念。
2.通过应用理想变压器的基本规律、掌握理想变压器中各量的制约关系和动态分析方法,掌握科学思维的方法。
3.体会理想化模型在探索自然规律中的作用,培养科学态度与责任。
自主预习·新知导学
一、变压器的原理
1.变压器的构造:
变压器是由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成的。
(1)原线圈:与交流电源连接的线圈,也叫初级线圈。
(2)副线圈:与负载连接的线圈,也叫次级线圈。
2.原理:互感现象是变压器的工作基础。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,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。
3.理想变压器:我们把没有能量损失的变压器叫作理想变压器。理想变压器是一个理想化模型。
二、电压与匝数的关系
1.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,即__________。
2.变压器的输出功率与输入功率之比,叫作变压器的效率。
3.如果副线圈的电压比原线圈的电压低,这样的变压器叫作降压变压器,反之则叫升压变压器。
【思考讨论】
1.判断下列说法的正误。
(1)变压器可以改变直流电源的电压。(　　)
(2)变压器的原理是电磁感应现象,副线圈输出的电流是原线圈电流的感应电流。(　　)
(3)变压器原线圈相对电源而言起负载作用,而副线圈相对负载而言起电源作用。(　　)
(4)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。(　　)
(5)质量好的变压器工作时没有能量损失。(　　)
×
√
√
√
√
2.如果将变压器的原线圈接到直流电源上,在副线圈上还能输出电压吗
提示:不能。变压器的工作原理是互感现象,在原线圈上接直流电源,在铁芯中不会形成变化的磁场,所以在副线圈上不会有感应电动势产生。
3.如果我们想绕制一个升压变压器,那么应该怎么做呢 这种情况下,哪一个线圈应该用粗一点的导线绕制呢
提示:根据理想变压器的电压关系,只需要副线圈的匝数比原线圈的匝数多即可。由于匝数少的线圈通过的电流大,所以原线圈应该用较粗的导线绕制。
4.一个理想变压器,在它正常工作时能量是如何转化的
提示:变压器电能的输送是电能经变压器先转化为磁场能,再转化为电能输送到副线圈电路中。
合作探究·释疑解惑
知识点一
理想变压器的工作原理及基本规律
【问题引领】
把两个没有导线相连的线圈套在同一个闭合铁芯上,一个线圈通过开关连到交流电源的两端,另一个线圈连到小灯泡上(如图所示)。
(1)小灯泡能发光吗 为什么
提示:能发光,当左边线圈加上交流电压时,左边线圈中就有交变电流,它在铁芯中产生周期性变化的磁场,根据法拉第电磁感应定律知,在左、右线圈中都要产生感应电动势,右线圈作为电源给小灯泡供电,小灯泡就会发光。
(2)若小灯泡发光,则小灯泡两端电压与什么因素有关
提示:左、右线圈中每一圈上磁通量的变化率都相同,若左边匝数为n1,则E1=n1;若右边匝数为n2,则E2=n2,故有;若忽略左边线圈的电阻,则有E1=E电源。这样看来小灯泡两端电压与左侧交流电源电动势及两线圈匝数比都有关系。
(3)若将原线圈接到恒定的直流电源上,则小灯泡亮不亮 分析讨论小灯泡亮或不亮的原因。
提示:不亮。原线圈接到恒定直流电源上,通过原线圈的电流的大小、方向均不变,它产生的磁场通过副线圈的磁通量不变,因此在副线圈中不会产生感应电动势,副线圈两端没有电压,所以小灯泡不亮。这种现象说明,变压器不能改变恒定电流的电压。
【归纳提升】
1.理想变压器的特点
(1)变压器铁芯内无漏磁,无发热损失。
(2)原、副线圈不计内阻,即无能量损失。
实际变压器(特别是大型变压器)一般可以看成理想变压器。
2.电压关系
原线圈中U1=E1=n1,副线圈中U2=E2=n2,因而电压关系满足。
(1)若n1(2)若n1>n2,则U1>U2,就是降压变压器。
当有几个副线圈时,则有=…
3.功率关系
由于理想变压器没有各种能量损失,所以变压器输出功率等于输入功率,即P2=P1。
4.电流关系
若只有一个副线圈,则根据P=UI,由功率关系得U2I2=U1I1,所以,再由得,电流关系为
或n1I1=n2I2
若有多个副线圈,则有P1=P2+P3+…即U1I1=U2I2+U3I3+…
将U1∶U2∶U3∶…=n1∶n2∶n3∶…代入得
n1I1=n2I2+n3I3+…
5.原、副线圈中交变电流的周期T和频率f相同。
变压器不能改变直流电压,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。理想变压器本身不消耗能量。理想变压器基本关系中的U1、U2、I1、I2均为有效值。
【典型例题】
【例题1】 如图所示,理想变压器原、副线圈匝数比n1∶n2=2∶1,V和A均为理想电表,灯泡电阻RL=6 Ω,A、B两端电压u1=12sin 100πt(V)。下列说法正确的是(　　)
　　　　　　　　　　　　　　　　
A.电流频率为100 Hz B.V的读数为24 V
C.A的读数为0.5 A D.变压器输入功率为6 W
答案:D
解析:根据u1=12sin 100πt(V)及U=知,U1=12 V,f==50 Hz,选项A错误;根据得U2=U1=×12 V=6 V,即V的读数为6 V,选项B错误; I2= A=1 A,即A的读数为1 A,选项C错误;P出= W=6 W,则P入=P出=6 W,选项D正确。此题主要考查理想变压器的基本规律,意在培养学生的分析能力和综合应用能力,提高科学思维。
理想变压器的变压关系是一个普适关系,而电流比则不然,它只适用于副线圈仅有一个的情况。而对副线圈有多个的情况则应根据功率关系P入=P出,即U1I1=U2I2+U3I3+…来找出各线圈间的电流关系。
【变式训练1】 理想变压器连接电路如图甲所示,已知原、副线圈匝数比为10∶1,当输入电压波形如图乙所示时,电流表读数为2 A,则(　　)
甲
乙
A.电压表读数为282.8 V B.电压表读数为28.28 V
C.输入功率为56.4 W D.输入功率为40 W
答案:D
解析:由题图乙可知,Um=282.8 V,则输入电压有效值U1==200.0 V。根据知,U2=20 V,再根据知,I1=0.2 A,输入功率P=U1I1=40 W,故A、B、C错误,D正确。
知识点二
理想变压器中各量的制约关系和动态分析
【问题引领】
如图所示,理想变压器的a、b端加上一交流电压(电压有效值保持不变),副线圈c、d端所接灯泡L恰好正常发光。此时滑动变阻器的滑片P位于图示位置。现将滑片下移。
(1)灯能正常发光吗
(2)原线圈输入电流如何变化 原线圈输入功率如何变化
提示:(1)因为副线圈两端的电压没发生变化,所以灯仍能正常发光。
(2)当滑片下移时,由于滑动变阻器的电阻增大,所以副线圈中的电流减小,原线圈中输入的电流也变小,故输入的功率变小。
【归纳提升】
1.电压、电流、功率的制约关系
(1)电压制约:当变压器原、副线圈的匝数比一定时,输入电压U1决定输出电压U2,即U2=。
(2)功率制约:P出决定P入,P出增大,P入增大;P出减小,P入减小;P出为0,P入为0。
(3)电流制约:当变压器原、副线圈的匝数比一定,且输入电压U1确定时,副线圈中的输出电流I2决定原线圈中的电流I1,即I1=。
2.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。
(1)电压的制约关系,反映了感应电动势的因果关系。
(2)电流和功率的制约关系,体现了能量守恒的特点。
(3)理想变压器的副线圈可以看作负载的无阻电源,与副线圈组成的电路可以参照直流电路动态分析的方法。
【典型例题】
【例题2】 (多选)国家推进智能电网推广项目建设,拟新建智能变电站1 400座。变电站中起变换电压作用的设备是变压器,如图所示,理想变压器原线圈输入电压u=200 sin 100πt(V),电压表、电流表都为理想电表。则下列判断正确的是(　　)
A.输入电压有效值为200 V,电流频率为50 Hz
B.S打到a处,当变阻器的滑片向下滑动时,两电压表的示数都增大
C.S打到a处,当变阻器的滑片向下滑动时,两电流表的示数都减小
D.若变阻器的滑片不动,S由a处打到b处,则电压表V2和电流表A1的示数都减小
答案:AD
解析:输入电压的最大值U1m=200 V,有效值U1= V=200 V,由瞬时值知,角速度ω=100π rad/s,电流频率f= Hz=50 Hz,故A正确;S打到a处,变阻器的滑片向下滑动时,由,知U2不变,即V2示数不变,副线圈接入电路的电阻减小,所以电流表A2的示数变大,故B、C错误;若变阻器的滑片不动,S由a处打到b处,副线圈匝数减小,输入电压不变,输出电压减小,电压表V2示数减小,输出功率P2=减小,根据输入功率等于输出功率, P1=U1I1减小,U1不变,则I1减小,即电流表A1的示数减小,故D正确。此题主要考查理想变压器中各量的制约关系和动态分析,意在提高学生的理解能力和分析能力,提高学生的科学思维。
1.对于输出电压的大小,条件充分时,只需根据原线圈电压及原、副线圈的匝数确定。
2.P1、P2、I1、I2的判断往往都与R的大小有关,对P1、I1的确定,需从P2、I2入手。
3.各物理量的制约关系:在理想变压器中,U2由U1和匝数比决定;I2由U2和负载电阻决定;I1由I2和匝数比决定。
【变式训练2】 (多选)如图所示,理想变压器原、副线圈的匝数比为10∶1,b是原线圈的中心抽头,电压表和电流表均为理想交流电表。从某时刻开始在原线圈两端加上交流电压u,其瞬时值表达式为u=220 sin 100πt (V),现把单刀双掷开关与a连接,则(　　)
答案:AB
A.电压表的示数为22 V
B.流过滑动变阻器的电流的方向每秒改变100次
C.在滑动变阻器的滑片P向上移动的过程中,电压表和电流表的示数均变大
D.若把单刀双掷开关由a扳向b,保持滑动变阻器的滑片P不动,则电压表示数变大,电流表的示数变小
解析:理想变压器可以变压、变流,但不改变功率和频率;由交流电压的表达式可知,该交流电压的频率为50 Hz,而产生交流电压的线圈每转一圈,其电流方向改变两次,故B正确。电压表的读数是有效值,根据理想变压器的变压比等于匝数比可知,该电压表的读数为22 V,A正确。滑动变阻器的滑片P向上移动,其接入电路的阻值减小,而变压器两端的电压不变,则电压表的读数不变,副线圈中的电流变大,则电流表的读数变大,C错误。单刀双掷开关由a扳向b,变压器的原线圈的有效匝数减小,由可知,U'变大,变压器的输出功率和输入功率变大,故电压表和电流表的读数都变大,D错误。
知识点三
实验:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
【归纳提升】
1.实验目的:
探究变压器原、副线圈两端的电压与匝数的关系。
2.实验器材:
可拆变压器、学生电源、多用电表、导线若干。
3.实验原理:
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,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,所以尽管两个线圈之间没有导线相连,副线圈也能够输出电流。
4.实验操作:
(1)按如图所示电路连接电路。
(2)保持原线圈匝数n1不变,副线圈的匝数n2逐渐增多,观察小灯泡亮度情况。
(3)保持副线圈的匝数n2不变,原线圈的匝数n1逐渐增多,观察小灯泡亮度情况。
(4)原线圈接6 V低压交流电源,保持原线圈匝数n1不变,改变副线圈匝数n2,用多用电表交流电压挡测出副线圈两端的电压,记入表格,重复三次。
(5)原线圈接6 V低压交流电源,保持副线圈匝数n2不变,改变原线圈匝数n1,用多用电表交流电压挡测出副线圈两端的电压,记入表格,重复三次。
5.实验现象:
(1)小灯泡的亮度如表所示。当原线圈匝数不变时,副线圈的匝数越多小灯泡越亮;当副线圈的匝数不变时,原线圈的匝数越多小灯泡越暗。
n1 n2 100 200 400
100 暗 较亮 亮
200 较暗 暗 较亮
400 很暗 较暗 暗
(2)将不同的原线圈、副线圈接入线路,测出线圈两端的电压,填入表中:
原线圈 匝数n1 副线圈 匝数n2 原线圈 电压U1 副线圈 电压U2 n1∶n2 U1∶U2
100 200 6 V 12 V 1∶2 1∶2
100 400 6 V 24 V 1∶4 1∶4
100 600 6 V 36 V 1∶6 1∶6
200 200 6 V 6 V 1∶1 1∶1
400 200 6 V 3 V 2∶1 2∶1
600 200 6 V 2 V 3∶1 3∶1
6.数据处理:
(1)小灯泡越亮,表明其两端的电压越大;小灯泡越暗,表明其两端的电压越小。
(2)计算n1∶n2及U1∶U2的值,比较它们的大小关系。
7.实验结论:
在误差范围内,变压器原、副线圈两端电压与匝数成正比,数学表达式为。
【典型例题】
【例题3】 某班物理实验课上,同学们用可拆变压器探究变压器的电压与匝数的关系。可拆变压器如图甲所示。
甲
(1)下列说法正确的是　　　　。
A.变压器的原线圈接低压交流电源,测量副线圈电压时应当用多用电表的“直流电压挡”
B.可以先保持原线圈电压、匝数不变,改变副线圈的匝数,研究副线圈匝数对副线圈电压的影响
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
D.变压器开始正常工作后,铁芯导电,把电能由原线圈输送到副线圈
E.变压器开始正常工作后,若不计各种损耗,在原线圈上电能转化成磁场能,在副线圈上磁场能转化成电能,铁芯起到“传递”磁场能的作用
(2)如图乙所示,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　　　　。
乙
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)理想变压器是一种理想化模型。请分析说明该模型应忽略哪些次要因素;并证明: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,即 。
答案:(1)BCE　(2)AC　(3)见解析
解析:(1)变压器只能改变交变电流的电压,原线圈输入交流电压,副线圈输出交流电压,应用多用电表的“交流电压挡”测量,故A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,改变副线圈的匝数,研究副线圈匝数对副线圈电压的影响,故B正确。为了保护电表,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,故C正确。变压器的工作原理是电磁感应现象,即若不计各种损耗,在原线圈上电能转化成磁场能,在副线圈上磁场能转化成电能,铁芯起到“传递”磁场能的作用,不是铁芯导电,传输电能,故D错误,E正确。
(2)与变压器未通电时相比较,通电时,线圈产生磁性,对横条铁芯产生吸引力,若将可拆变压器上端的横条铁芯取下将更费力,故A正确。增加原线圈绕制的圈数,根据电压比可知,输出电压减小,灯泡的亮度降低,故B错误。增加副线圈绕制的圈数,根据电压比可知,输出电压增大,根据欧姆定律可知,输出电流增大,根据电流比可知,输入电流增大,学生电源的过载指示灯可能会亮起,故C正确。
(3)理想变压器模型应忽略的次要因素如下:
①不计漏磁,即通过原、副线圈每匝线圈的磁通量都相等,因而不计磁场能损失;
②不计原、副线圈的电阻,因而不计线圈的热能损失;
③不计铁芯中产生的涡流,因而不计铁芯的热能损失。
综上,理想变压器在传输能量时没有能量损失。
【变式训练3】 在探究变压器线圈两端的电压和匝数的关系实验中,可拆变压器如图所示。
(1)变压器铁芯的结构和材料　　　。(填字母代号)
A.是整块硅钢铁芯　　　　
B.是整块不锈钢铁芯
C.用绝缘的铜片叠成
D.用绝缘的硅钢片叠成
(2)为了人身安全,实验中交流电源的电压不要超过　　。(填字母代号)
A.2 V B.12 V
C.50 V D.72 V
(3)本实验要通过改变原、副线圈匝数,探究原、副线圈的电压比与匝数比的关系,实验中需要运用的科学方法是　　　　。(填字母代号)
A.控制变量法
B.等效替代法
C.类比法
(4)实验中原、副线圈的电压之比与它们的匝数之比有微小差别,原因不可能为　　　。(填字母代号)
A.原、副线圈因通过电流而发热
B.铁芯在交变磁场的作用下发热
C.变压器铁芯漏磁
D.原线圈输入电压发生变化
答案:(1)D　(2)B　(3)A　(4)D
解析:(1)变压器铁芯的材料要选择磁性材料,为防止出现涡流,用绝缘的硅钢片叠成,选项D正确。
(2)人在正常情况下(干燥)安全电压低于36 V,为了人身安全,实验中交流电源的电压不要超过12 V,选项B正确。
(3)本实验要通过改变原、副线圈匝数,探究原、副线圈的电压比与匝数比的关系,实验中需要运用的科学方法是控制变量法,选项A正确。
(4)实验中原、副线圈的电压之比与它们的匝数之比有微小差别。
原、副线圈因通过电流而发热,铁芯在交变磁场作用下发热,都会使变压器输出功率发生变化,从而导致电压比与匝数比有差别,选项A、B不符合题意。变压器铁芯漏磁,从而导致电压比与匝数比有差别,选项C不符合题意。原线圈输入电压发生变化,不会影响电压比和匝数比,选项D符合题意。
课 堂 小 结
随 堂 练 习
1.(对变压器原理的理解)如图所示,理想变压器原、副线圈匝数之比n1∶n2=4∶1,当导线在平行导轨上匀速切割磁感线时,电流表A1的示数是12 mA,则副线圈中电流表A2的示数是(　　)

A.3 mA B.48 mA
C.0 D.与R阻值有关
答案:C
解析:当导线在平行导轨上匀速运动时,产生的电流是恒定的电流,不会使副线圈的磁通量变化,因而副线圈中无感应电流,选项C正确。
2.(理想变压器基本规律的应用)如图所示,将额定电压为60 V的用电器,通过一理想变压器接在正弦式交流电源上。闭合开关S后,用电器正常工作,交流电压表和交流电流表(均为理想电表)的示数分别为220 V和2.2 A。以下判断正确的是(　　)
A.变压器输入功率为484 W
B.通过原线圈的电流的有效值为0.6 A
C.通过副线圈的电流的最大值为2.2 A
D.变压器原、副线圈匝数比n1∶n2=3∶11
答案:B
解析:变压器的输入功率P1=P2=I2U2=2.2×60 W=132 W,选项A错误;
由,选项D错误;
由得I1=I2=×2.2 A=0.6 A,选项B正确;
根据I=得通过副线圈的电流的最大值I2m=I2=3.1 A,选项C错误。
3.(理想变压器中的动态分析)(多选)如图所示的电路中,P为滑动变阻器的滑片,保持理想变压器的输入电压U1不变,闭合开关S,下列说法正确的是
(　　)
A.P向下滑动时,灯L变亮
B.P向下滑动时,变压器的输出电压不变
C.P向上滑动时,变压器的输入电流变小
D.P向上滑动时,变压器的输出功率变大
答案:BD
解析:由于U1保持不变,由可知,副线圈的输出电压U2不变,B正确;P向下滑动时,灯泡L两端的电压为U2,保持不变,灯泡的亮度不变,A错误;P向上滑动时,滑动变阻器接入电路的电阻变小,副线圈电路的总电阻R总变小,根据P2=可知,变压器的输出功率变大,D正确;由P1=U1I1=P2可知,变压器的输入电流变大,C错误。