教科版高中物理选择性必修第二册第三章交流电第3节变压器课件(69页PPT)

(共69张PPT)
[学习目标]
1.了解变压器的构造及工作原理。
2.通过实验探究变压器的电压与匝数的关系。
3.掌握理想变压器原、副线圈电压、电流、功率的关系。
4.了解互感器的原理和作用。
1.变压器的结构
如图，最简单的变压器是由________和绕在铁芯上的两个线圈组成的。一个线圈与交流电源连接，叫作______，也叫初级线圈；另一个线圈与负载连接，叫作______，也叫次级线圈。
闭合铁芯
原线圈
副线圈
2.变压器的原理
(1)变压器工作的基础是_____。
(2)当变压器的原线圈加上________时，原线圈中的交变电流在铁芯中激发交变的磁场，交变的磁感线穿过原线圈也穿过副线圈，在原、副线圈中都产生__________。当副线圈与负载连接组成闭合回路时，在副线圈中就会有交流电通过。这样，虽然原、副线圈并不相连，电能却从原线圈通过_____传输给副线圈。
提醒：变压器不改变交变电流的周期和频率。
互感
交变电压
感应电动势
磁场
3.理想变压器：没有________的变压器叫作理想变压器，它是一个理想化模型。
(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”。
能量损耗
[思考探究]
如图所示，把两个线圈套在同一个闭合铁芯上，一个线圈连接到交流电源的两端，另一个线圈连接到小灯泡上，小灯泡能发光。
(1)闭合铁芯的作用是什么？
(2)两个线圈并没有直接接触，小灯泡为什么能发光？
提示　(1)闭合铁芯的作用是形成一个闭合磁路，使穿过原、副线圈的磁通量变化情况基本相同。
(2)原线圈中变化的电流在铁芯中产生变化的磁场，变化的磁场在副线圈中产生感应电动势，进而有感应电流，使小灯泡发光。
[例1]　(多选)关于理想变压器的构造和工作原理，以下说法正确的是(　　)
A.原、副线圈缠绕在一个闭合铁芯上，是为了减少磁场能的损失，有效地传送电能
B.铁芯不用整块金属做成，是为了防止原、副线圈短路，造成危险
C.变压器不改变交变电流的频率
D.当原线圈接入恒定电流时，副线圈也有电压输出
解析　当原、副线圈绕在同一闭合铁芯上时，原线圈产生的磁场的磁通量几乎全部沿铁芯通过副线圈，因此可以有效地将电能从原线圈传递给副线圈，故A正确；若用整块金属做成铁芯，当通过它的磁通量发生变化时，就会在铁芯中产生涡流，导致铁芯发热，可能烧坏变压器，同时大大降低了电能的传输效率，故B错误；变压器不改变交变电流的频率，故C正确；变压器对恒定电流不起作用，故D错误。
AC
[例2]　(2025·合肥市高二期中)在如图所示的闭合铁芯上绕有一组线圈，与滑动变阻器、电源构成闭合电路，a、b、c为三个闭合金属圆环，假定线圈产生的磁场全部集中在铁芯内，则当滑动变阻器的滑片向右滑动时，下列说法正确的是(　　)
B
A.穿过a环的磁通量始终是c环的一半
B.穿过a、b两个环的磁通量始终相同
C.a、c两个环中都有感应电流
D.b、c两个环中都有感应电流
解析　线圈产生的磁场全部集中在铁芯内，所以穿过a、b两个环的磁通量始终相同，故B正确；根据安培定则可知，穿过a的磁感线方向向左，穿过b的磁感线方向向上，当滑动变阻器的滑片向右滑动时，线圈中电流将发生改变，产生的磁场随之改变，穿过a、b两环的磁通量会发生改变，故a、b两环中都会产生感应电流；而向左和向右穿过c环的磁感线条数相等，完全抵消，总的磁通量为零，不发生变化，故c环中没有感应电流产生，故A、C、D错误。
1.实验原理
交变电流通过原线圈时在铁芯中产生变化的磁场，副线圈中产生感应电动势，其两端有输出电压。线圈匝数不同时输出电压不同，实验通过改变原、副线圈匝数，探究原、副线圈的电压与匝数的关系。
2.实验器材
两只多用电表、学生电源(低压交流电源)、开关、可拆变压器(图甲)、导线若干。
3.实验操作
(1)按图乙所示连接好电路，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)接通学生电源，闭合开关，读出电压值，并记录在表格中。
(3)保持原、副线圈匝数不变，多次改变输入电压，记录每次改变后原、副线圈的电压值。
(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。
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：________。
5.误差分析
(1)由于漏磁，通过原、副线圈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、副线圈的焦耳热损耗(铜损)，造成误差。
(3)铜芯中有磁损耗，产生涡流，造成误差。
(4)电表的读数存在误差。
6.注意事项
(1)在改变学生电源的电压、线圈匝数前均要先_____开关，再进行操作。
(2)为了保证人身安全，学生电源的电压应为较低的交流电压(如10～16 V)，通电时不能用手接触裸露的导线和接线柱。
(3)为了保证多用电表的安全，使用交流电压挡测电压时，先用________挡试测，大致确定被测电压后再选用适当的挡位进行测量。
断开
最大量程
[例3]　在“探究变压器的电压与匝数的关系”的实验中。
(1)为了确保实验的安全，下列做法正确的是________。
A.为了保证人身安全，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，可不经检查电路是否正确，直接接通电源
C.因为使用电压较低，通电时可用手直接接触裸露的导线和接线柱
D.为了保证多用电表的安全，使用交流电压挡测电压时，先用最大量程挡试测
(2)某实验小组通过实验，记录的数据如下表：
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
通过分析实验数据可得出的实验结论是___________________________________
_____________________________________________________________________。
答案　(1)D　(2)在误差允许范围内，变压器原、副线圈的电压之比等于匝数之比
解析　(1)变压器改变的是交流电压，因此为了保证人身安全，原线圈两端只能使用低压交流电源，所用电压不超过12 V，A错误；实验通电前必须先检查电路是否正确，通电时若用手接触裸露的导线、接线柱等，会将人体并联接入电路中，导致所测数据不准确，同时也有安全隐患，B、C错误；使用多用电表测电压时，先用最大量程挡试测，再选用恰当的挡位进行测量，故D正确。
[例4]　(2025·南京市高二期末)在“探究变压器的电压与匝数关系”的实验中：
(1)(多选)下列仪器中需要的是________。
(2)实验时原线圈接在电源上，用多用电表测量副线圈的电压，下列操作正确的是______。
A.原线圈接交流电压，多用电表用交流电压挡
B.原线圈接交流电压，多用电表用直流电压挡
C.原线圈接直流电压，多用电表用直流电压挡
D.原线圈接直流电压，多用电表用交流电压挡
(3)若某次实验中用匝数N1＝400匝、N2＝800匝的变压器，测得N1的电压U1＝3.6 V，N2的电压U2＝8.2 V，据此可知________(选填“N1”或“N2”)是副线圈匝数。
(4)(多选)造成(3)中的误差的原因可能为________。
A.原线圈上的电流发热
B.副线圈上的电流发热
C.变压器铁芯漏磁
D.原线圈输入电压发生变化
(5)为了减小能量传递过程中的损失，铁芯是由相互绝缘的硅钢片平行叠成。作为横档的铁芯Q的硅钢片应按照下列哪种方法设计________。
答案　(1)CD　(2)A　(3)N1　(4)ABC　(5)D
解析　(1)“探究变压器的电压与匝数关系”的实验需要低压交流电源和多用电表，不需要干电池和磁铁，故选C、D。
(2)变压器只能改变交流电压，则变压器的原线圈接交流电压，多用电表用交流电压挡测量次级电压，故选A。
(4)造成(3)中的误差的原因可能为原、副线圈的电流都会发热损失
能量；另外变压器铁芯漏磁也会有能量损失，使得次级电压比理想值偏小，故选A、B、C。
(5)由于变压器工作时会在铁芯Q中存在变化的磁通量，为了减小能量传递过程中的损失，应尽可能使铁芯Q中不产生较大的涡流，如图所示，应通过相互绝缘的硅钢片使平行于efgh的各平面和平行于abfe的各平面都不能形成闭合回路，所以作为横档的铁芯Q的硅钢片应按照平行于adhe平面的形式设计，故选D。
2.功率关系
从能量守恒看，理想变压器的输入功率等于输出功率，即P入＝P出。
[易错辨析]
(1)理想变压器的基本关系式中电压和电流均为有效值。( )
(2)变压器只对交变电流起作用，对恒定电流不起作用。( )
(3)变压器不仅能改变交变电流的电压，还能改变交变电流的频率。( )
√
√
×
×
[例5]　(2024·北京卷)如图甲所示，理想变压器原线圈接在正弦式交流电源上，输入电压u随时间t变化的图像如图乙所示，副线圈接规格为“6 V　3 W”的灯泡。若灯泡正常发光，下列说法正确的是(　　)
B
B.副线圈中电流的有效值为0.5 A
C.原、副线圈匝数之比为1∶4
D.原线圈的输入功率为12 W
[例6]　(2024·浙江1月选考)如图为某燃气灶点火装置的原理图。直流电经转换器输出u＝5sin 100πt(V)的交流电，经原、副线圈匝数分别为n1和n2的变压器升压至峰值大于10 kV，就会在打火针和金属板间引发电火花，实现点火。下列正确的是(　　)
B
C.用电压表测原线圈两端电压，示数为5 V
D.副线圈输出交流电压的频率是100 Hz
分类 电压互感器 电流互感器
原理图
提醒：电压互感器和电流互感器的金属外壳和副线圈要接地。
[例7]　电压互感器能将高电压变成低电压、电流互感器能将大电流变成小电流，用于测量或保护系统。如图所示，T1、T2是监测交流高压输电参数的互感器，a、b是交流电压表或交流电流表，若高压输电线间电压为220 kV，T1的原、副线圈匝数比为1∶100，交流电压表的示数为200 V，交流电流表的示数为2 A，则(　　)
C
A.a是交流电压表，b是交流电流表
B.T2的原、副线圈匝数比为1 000∶1
C.高压线路输送的电流为200 A
D.高压线路输送的电功率为2.2×104 kW
解析　T1两端接在同一根电线上，因此a是交流电流表，T2两端接在两根电线上，因此b是交流电压表，故A错误；变压器原副线圈电压之比等于匝数之比，所以T2原、副线圈匝数之比为220 000∶200＝1 100∶1，故B错误；变压器原副线圈电流与匝数成反比，则高压线路输送的电流为200 A，故C正确；由C选项可知高压线路输送的电功率为P＝UI＝220 kV×200 A＝4.4×104 kW，故D错误。
1.(变压器的结构与原理)关于理想变压器的工作原理，以下说法正确的是(　　)
A.通有正弦交流电的原线圈的磁通量不变
B.穿过原、副线圈的磁通量在任何时候都不相等
C.穿过副线圈磁通量的变化使得副线圈产生感应电动势
D.原线圈中的电流通过铁芯流到了副线圈
解析　通有正弦交流电的原线圈产生的磁场是变化的，则穿过原线圈的磁通量变化，A错误；对于理想变压器，穿过原、副线圈的磁通量在任何时候都是相等的，B错误；由法拉第电磁感应定律知，C正确；原线圈中的电能转化为磁场能又转化为电能，原、副线圈通过磁场联系在一起，D错误。
C
2.(理想变压器的基本关系)如图所示，理想变压器原、副线圈接有三个完全相同的灯泡，其额定电压均为U，且三个灯泡均能正常发光。下列说法正确的是(　　)
A.原、副线圈匝数之比为3∶1
B.原、副线圈匝数之比为1∶3
C.A、B间的输入电压为3U
D.A、B间的输入电压为4U
C
3.(电压互感器和电流互感器)(多选)交流电压表和交流电流表的测量量程有限，不能直接接在大电压或大电流的电路中使用，但可以利用互感器来实现测量。图甲、乙是两个互感器的原理图，下列说法正确的是(　　)
A.图甲是电压互感器，表中测量的电压比线路中的电压小
B.图甲是电流互感器，表中测量的电流比线路中的电流大
C.图乙是电压互感器，表中测量的电压比线路中的电压大
D.图乙是电流互感器，表中测量的电流比线路中的电流小
AD
4.(实验：探究变压器的电压与匝数的关系)在“探究变压器的电压与匝数的关系”的实验中：
(1)原线圈中接入的电源是________。
A.接入电压为220 V交流电源
B.接入学生电源12 V以下直流输出端
C.接入学生电源12 V以下交流输出端
(2)(多选)如图所示，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，小灯泡的亮度将变亮
答案　(1)C　(2)AC
解析　(1)做“探究变压器的电压与匝数的关系”的实验时，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、B错误，C正确。
(2)与变压器未通电时相比较，通电时，线圈产生磁性，对横条铁芯具有吸引力，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，根据原、副线圈的电压比等于匝数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，输出电压增大，根据欧姆定律可知，小灯泡的亮度将变亮，故C正确。
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1.如图所示的理想变压器正常工作时，原、副线圈中可能不相同的物理量为(　　)
A.每匝线圈中磁通量的变化率
B.交变电流的频率
C.原线圈的输入功率和副线圈的输出功率
D.原线圈中的感应电动势和副线圈中的感应电动势
解析　理想变压器是没有能量损耗的变压器，所以每匝线圈的磁通量相等，磁通量的变化率相等，输入功率等于输出功率，故A、C错误；根据变压器的工作原理可知，原、副线圈中交流电的频率相同，故B错误；由以上分析可知，每匝线圈中的磁通量变化率相同，而原、副线圈的匝数可能不同，故原、副线圈中的感应电动势可能不同，故D正确。
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2.(2025·福清市高二月考)如图所示，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，电流表A1的示数为12 mA，则电流表A2的示数为(　　)
A.3 mA
B.0
C.48 mA
D.与负载R的阻值有关
解析　当导体棒做匀速直线运动切割磁感线时，在原线圈中产生恒定不变的电流，铁芯中产生的磁场是不变的，穿过副线圈的磁通量不变，不能在副线圈中产生感应电流，即电流表A2的示数为0，故选B。
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3.某理想变压器原、副线圈的匝数之比为1∶10，当输入电压增加20 V时，输出电压(　　)
A.降低2 V B.增加2 V
C.降低200 V D.增加200 V
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C.理想电流表A2的示数I2＝2 A
D.定值电阻R中电流变化的频率为100 Hz
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5.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
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6.电流互感器是一种测量电路中电流的变压器，工作原理如图所示。其原线圈匝数较少，串联在电路中，副线圈匝数较多，两端接在电流表上。则电流互感器(　　)
A.是一种降压变压器
B.能测量直流电路的电流
C.原、副线圈电流的频率不同
D.副线圈的电流小于原线圈的电流
解析　电流互感器原线圈匝数少，副线圈匝数多，是一种升压变压器，故A错误；变压器的原理是电磁感应，故它不能测量直流电路的电流，故B错误；变压器不改变交变电流的频率，故C错误；变压器的电流与匝数成反比，因此副线圈的电流小于原线圈的电流，故D正确。
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7.(2025·雅安市高二期末)小明和同学在物理实验室中探究变压器线圈两端的电压和匝数关系的时候，观察了可拆变压器，发现以下几个问题，便和小组同学展开了讨论。
(1)观察可拆变压器的铁芯，发现它的结构和材料是__________。
A.整块硅钢铁芯
B.整块不锈钢铁芯
C.绝缘的硅钢片叠成
(2)观察原、副线圈的导线，发现粗细不同，导线粗的线圈匝数________(选填“多”或“少”)。
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(3)实验中将电源接在原线圈两个接线柱上，调整原、副线圈的匝数比为1∶2，用电压表测得副线圈两个接线柱之间电压为4 V，则原线圈输入的电压可能是________。
A.1.0 V B.2.0 V C.2.2 V
答案　(1)C　(2)少　(3)C
解析　(1)观察可拆变压器的铁芯，发现它的结构和材料是绝缘的硅钢片叠成，故选C。
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[能力提升练]
8.电蚊拍利用高压电击网来击杀飞近的蚊虫，原理如图所示，将锂电池的4 V电压通过转换器转变为交变电压u＝4sin 10 000πt V，再将其加在理想变压器的原线圈上，副线圈两端接电击网，电压峰值达到2 800 V时可击杀蚊虫。电蚊拍正常工作时，下列说法正确的是(　　)
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C.电击网上的高频电压的频率为10 000 Hz
D.相比副线圈，原线圈应该用较粗的导线绕制
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9.(2024·海南卷)(多选)电动汽车充电站变压器输入电压为10 kV，输出电压为220 V，每个充电桩输入电流为16 A，设原、副线圈匝数分别为n1、n2，输入正弦交流电的频率为50 Hz，则下列说法正确的是(　　)
A.交流电的周期为0.02 s
B.原、副线圈匝数比n1∶n2＝11∶500
C.输出的最大电压为220 V
D.若10台充电桩同时使用，输入功率为35.2 kW
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C.电流表A的示数变为2I
D.通过R的交变电流频率不变
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11.如图所示为钳形电流表的结构图和外形图，据图判断下列说法正确的是(　　)
A.钳型电流表的变压器是一个降压变压器
B.通过钳形电流表的导线增加为两圈，所测得的电流将会加倍
C.读数时要使铁芯保持张开
D.载流导线中的电流在铁芯中产生了稳定的磁场
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解析　钳形电流表实质上是“降流”，则n2>n1，属于升压变压器，故A错误；根据n1I1＝n2I2，通过钳形电流表的导线增加为两圈，即n1加倍，因I1和n2不变，则所测得的电流I2将会加倍，故B正确；若钳形部分铁芯没有完全闭合，载流导线中电流产生的磁场减弱，磁通量变化率减小，在内置线圈产生的感应电动势减小，感应电流减小，则测量出的电流将小于实际电流，故C错误；载流导线中的电流为周期性变化的电流，在铁芯中产生了周期性变化的磁场，故D错误。
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12.(多选)如图所示，理想变压器原、副线圈分别接有额定电压相同的灯泡a和b。当输入电压U为灯泡额定电压的10倍时，两灯泡均能正常发光。下列说法正确的是(　　)
A.原、副线圈匝数之比为9∶1
B.原、副线圈匝数之比为1∶9
C.此时a和b的电功率之比为9∶1
D.此时a和b的电功率之比为1∶9
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解析　设灯泡的额定电压为U0，输入电压为灯泡额定电压的10倍时，两灯泡均能正常发光，则变压器原线圈两端的电压为9U0，变压器原、副线圈的匝数之比为9∶1，选项A正确，B错误；由9U0Ia＝U0Ib得，流过灯泡b的电流是流过灯泡a电流的9倍，根据P＝UI可知，灯泡a、b的电功率之比为1∶9，选项C错误，D正确。
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[拓展培优练]
13.(2022·山东卷)如图所示的变压器，输入电压为220 V，可输出12 V、18 V、30 V电压，匝数为n1的原线圈中电压随时间的变化为u＝Umcos 100πt。单匝线圈绕过铁芯连接交流电压表，电压表的示数为0.1 V。将阻值为12 Ω的电阻R接在BC两端时，功率为12 W。下列说法正确的是(　　)
A.n1为1 100匝，Um为220 V
B.BC间线圈匝数为120匝，流过R的电流为1.4 A
C.若将R接在AB两端，R两端的电压为18 V，频率为100 Hz
D.若将R接在AC两端，流过R的电流为2.5 A，周期为0.02 s
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