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第三節(jié) 科學(xué)探究：變壓器
教學(xué)課件
Teaching Courseware
20XX.XX.XX
第三章 交變電流與遠(yuǎn)距離運輸
高中物理魯科版（2019）選擇性必修第二冊
PART.1
PART.2
PART.3
PART.4
素養(yǎng)目標(biāo)
新課講解
新課導(dǎo)入
經(jīng)典例題
目錄
CONTENTS
PART.2
PART.4
課堂練習(xí)
課堂小結(jié)
素養(yǎng)目標(biāo)
1.【物理觀念】知道變壓器的構(gòu)造及幾種常見的變壓器。
2.【科學(xué)思維】理解變壓器的工作原理及工作規(guī)律。
3.【科學(xué)探究】通過實驗探究變壓器的原、副線圈中電壓與匝數(shù)的關(guān)系。
4.【科學(xué)思維】應(yīng)用變壓器電壓與匝數(shù)的關(guān)系求解具體問題。
新課導(dǎo)入
我們國家民用統(tǒng)一供電均為220V，如何使這些額定電壓不是220V的電器設(shè)備正常工作呢？ 生產(chǎn)生活中有各種變壓器，有的把低壓升為高壓，有的把高壓降為低壓。變壓器是如何改變電壓的呢
家庭用電 220V
手機充電電壓5V
高壓輸電：U > 100 KV
新課講解
New lesson explanation
新課講解
一、變壓器的工作原理
變壓器是一種能升高或降低交變電流電壓的裝置。
副線圈
原線圈
U2
R
n1
n2
示意圖
U1
鐵芯
n1
n2
閉合鐵芯 ：絕緣硅鋼片疊合而成（由涂有絕緣漆的硅鋼薄片疊合而成）
原線圈n1 ( 初級線圈 )：接交流電源
副線圈n2( 次級線圈 )：接用電器（負(fù)載）
變壓器
U1：輸入電壓 U2：輸出電壓
新課講解
現(xiàn)象是變壓器工作的基礎(chǔ)。 通過原線圈時在鐵芯中激發(fā)磁場。由于電流的大小、方向在不斷變化，鐵芯中的 也在不斷變化。變化的磁場在副線圈中產(chǎn)生 ，所以盡管兩個線圈之間沒有導(dǎo)線相連(彼此絕緣)，副線圈也能夠 。
說明：變壓器不改變交變電流的周期和頻率。
互感
電流
磁場
感應(yīng)電動勢
輸出電流
變壓器通過閉合鐵芯，利用互感現(xiàn)象實現(xiàn)了：
電能 → 磁場能 → 電能
(U1、I1) (變化的磁場) ( U2、I2)
新課講解
二、探究變壓器電壓與線圈匝數(shù)的關(guān)系
1.實驗?zāi)康模貉芯孔儔浩麟妷号c線圈匝數(shù)間的定量關(guān)系。
2.實驗器材：可拆變壓器、電壓交流電源、交流電壓表、導(dǎo)線。
3.實驗原理：當(dāng)交流電壓接入原線圈時，它所產(chǎn)生的變化的磁場就會在副線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢；
新課講解
4.實驗步驟：
（1）按如圖所示連接好電路圖，并記錄兩個線圈的匝數(shù)；
（2）接通電源,用交流電壓表測量原、副線圈兩端的電壓值U1、U2,并記錄在表格中；
（3）保持匝數(shù)不變,多次改變輸入電壓,記錄每次改變電壓后原、副線圈兩端的電壓值；
（4）保持輸入電壓、原線圈的匝數(shù)不變,多次改變副線圈的匝數(shù),記錄每次的副線圈匝數(shù)和對應(yīng)的電壓值；
（5）相應(yīng)數(shù)據(jù)填入表格；
新課講解
當(dāng)輸入電壓不變，原線圈的匝數(shù)不變。
U1與n1一定，U2與n2成正比
新課講解
輸入電壓不變，副線圈的匝數(shù)不變。
U1與n1一定，
U1與n2一定，
U2與n2成正比
U2與n1成反比
新課講解
5.實驗結(jié)論：
在誤差允許的范圍內(nèi),變壓器原、副線圈兩端電壓之比等于原、副線圈的匝數(shù)之比,即=.
6.注意事項：
(1）在改變學(xué)生電源電壓、線圈匝數(shù)前均要先斷開開關(guān)，再進(jìn)行操作。
(2）為了人身安全學(xué)生電源的電壓不能超過12 V ，不能用手接觸裸露的導(dǎo)線和接線柱。
(3）為了多用電表的安全，使用交流電壓擋測電壓時，先用最大量程擋測試，大致確定被測電壓后在選用適當(dāng)?shù)膿跷贿M(jìn)行測量。
新課講解
三、理想變壓器電壓的基本關(guān)系
1.概念：沒有 的變壓器叫作理想變壓器。
(1)原、副線圈中的電流產(chǎn)生的磁場完全束縛在閉合鐵芯內(nèi)，即無“漏磁”。
(2)原、副線圈不計電阻，電流通過時不產(chǎn)生焦耳熱，即無“銅損”。
(3)閉合鐵芯中的渦流為零，即無“鐵損”。
理想化模型
能量損耗
如圖所示，當(dāng)原線圈接交流電源時，小燈泡是否發(fā)光？
發(fā)光
如果原線圈接入的是恒定電流，燈泡會亮嗎？
不會
若變壓器為理想變壓器，則小燈泡電功率與變壓器的輸入功率有什么關(guān)系？
相等
新課講解
2.電動勢關(guān)系
n1
n2
U1
~
U2
~
R
交變電源
原線圈感應(yīng)電動勢：
副線圈感應(yīng)電動勢：
無漏磁：
綜合得：
理想變壓器原、副線圈的電壓之比等于兩個線圈的匝數(shù)之比。
新課講解
當(dāng)n2>n1時， ，變壓器使電壓升高，是升壓變壓器。
當(dāng)n2U2>U1
U21.電壓關(guān)系
等于
2.功率關(guān)系
從能量守恒看，理想變壓器的輸入功率 輸出功率，即 。
P入= P出
新課講解
3.電流關(guān)系
(2)當(dāng)有多個副線圈時，I1U1＝I2U2＋I(xiàn)3U3＋…或n1I1＝n2I2＋n3I3＋…。
4.變壓器的電動勢關(guān)系、電壓關(guān)系和電流關(guān)系是有效值(或最大值)間的關(guān)系，對于某時刻的瞬時值，這些關(guān)系不成立。
5.電流與匝數(shù)成反比只適用于有一個副線圈的情況，有多個副線圈時不成立。
新課講解
實際應(yīng)用中需要改變交流電壓的場合是很多的。大型發(fā)電機發(fā)出的交流，電壓為幾萬伏。而用電器使用電壓不一樣。由于有了變壓器，交流的電壓容易改變，所以交流得到了廣泛的應(yīng)用。
3.變壓器應(yīng)用
變電站的大型變壓器
街頭變壓器
新課講解
自耦變壓器
U2
U1
A
B
P
U1
U2
n1
n2
n2 >n1 U2>U1
升壓變壓器
n1
n2
U1
U2
n2 降壓變壓器
自耦變壓器的原副線圈共用一個線圈
應(yīng)用：可實現(xiàn)交變電壓的連續(xù)調(diào)節(jié)、較大范圍變壓。
新課講解
A
電流互感器
電壓互感器
V
使用時把原線圈與電路并聯(lián)，
原線圈匝數(shù)多于副線圈匝數(shù)
使用時把原線圈與電路串聯(lián)，原線圈匝數(shù)少于副線圈匝數(shù)
應(yīng)用：測高電壓
應(yīng)用：測大電流
互感器
新課講解
無線充電技術(shù)原理
手機開始充電時，底座同時亮起了一圈呼吸燈，互感。
次級線圈
初級線圈
輸入
交流電
輸出
感應(yīng)電流
經(jīng)典例題
Classic Example
經(jīng)典例題
例1 (多選)如圖所示,變壓器的原線圈兩端連接導(dǎo)軌,副線圈和電阻R相連構(gòu)成閉合回路,導(dǎo)體棒在垂直于導(dǎo)軌平面的勻強磁場中沿導(dǎo)軌向右勻速切割磁感線.下列說法正確的是( 　)
A.電壓表V1的示數(shù)不為零
B.電壓表V1的示數(shù)為零
C.電壓表V2的示數(shù)不為零
D.電壓表V2的示數(shù)為零
AD
經(jīng)典例題
[解析] 當(dāng)導(dǎo)體棒做勻速直線運動切割磁感線時,導(dǎo)體棒中產(chǎn)生恒定的感應(yīng)電動勢,所以電壓表V1的示數(shù)不為零,A正確,B錯誤;
由于導(dǎo)體棒中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢恒定,變壓器原線圈中的電流恒定,使得穿過變壓器副線圈的磁通量不變,副線圈所在回路沒有感應(yīng)電動勢,所以電壓表V2的示數(shù)為零,C錯誤,D正確.
經(jīng)典例題
例2在“探究變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系”的實驗中:
(1)為了確保實驗的安全,下列做法正確的是　　　　(填選項前的字母).
A.為了人身安全,只能使用低壓直流電源,所用電壓不要超過12 V
B.連接好電路后,可不經(jīng)檢查電路連接是否正確,直接接通電源
C.因為使用電壓較低,所以通電時可用手直接接觸裸露的導(dǎo)線、接線柱
D.為了多用電表的安全,使用交流電壓擋測電壓時,先用最大量程擋試測
D
經(jīng)典例題
[解析] 為了人身安全,原線圈兩端只能使用低壓交流電源,所用電壓不超過12 V,故A錯誤;
實驗通電前必須先檢查電路連接是否正確,B錯誤;
實驗通電時用手接觸裸露的導(dǎo)線、接線柱等,會將人體并聯(lián)進(jìn)電路中,導(dǎo)致所測數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確,同時存在安全隱患,故C錯誤;
使用多用電表測電壓時,先用最高量程擋試測,再選用恰當(dāng)?shù)膿跷贿M(jìn)行測量,故D正確.
經(jīng)典例題
例2在“探究變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系”的實驗中:
(2)某實驗小組通過實驗,記錄的數(shù)據(jù)如下表:
通過分析實驗數(shù)據(jù)可得出的實驗結(jié)論是 ________________________________
_____________________.
在誤差允許范圍內(nèi),變壓器原、副線圈的電壓比等于匝數(shù)比
原線圈匝數(shù)n1(匝) 100 200 400 400
副線圈匝數(shù)n2(匝) 400 400 200 800
原線圈兩端的電壓U1(V) 1.96 4.90 8.00 4.86
副線圈兩端的電壓U2(V) 7.80 9.76 3.90 9.64
經(jīng)典例題
[解析] 通過分析實驗數(shù)據(jù)可得出的實驗結(jié)論是,在誤差允許范圍內(nèi),變壓器原、副線圈的電壓比等于匝數(shù)比.
原線圈匝數(shù)n1(匝) 100 200 400 400
副線圈匝數(shù)n2(匝) 400 400 200 800
原線圈兩端的電壓U1(V) 1.96 4.90 8.00 4.86
副線圈兩端的電壓U2(V) 7.80 9.76 3.90 9.64
課堂練習(xí)
Classroom Practice
課堂練習(xí)
1.如圖所示，理想變壓器的輸入端通過燈泡L1與輸出電壓穩(wěn)定的正弦式交變電源相連，副線圈通過導(dǎo)線與兩個相同的燈泡L2和L3相連，開始時開關(guān)S處于斷開狀態(tài)。當(dāng)S閉合后，所有燈泡都能發(fā)光，下列說法正確的是（ ）
A、燈泡L1變亮；
B、燈泡L2變亮；
C、原線圈兩端電壓不變；
D、副線圈兩端電壓變大；
A
課堂練習(xí)
2.某同學(xué)設(shè)計了一個充電裝置,如圖所示.假設(shè)永磁鐵的往復(fù)運動在螺線管中產(chǎn)生近似正弦式交流電,周期為0.2 s,電壓最大值為0.05 V.理想變壓器原線圈接螺線管,副線圈接充電電路,原、副線圈匝數(shù)比為1∶60.下列說法正確的是(　　)
A.交流電的頻率為10 Hz
B.副線圈兩端電壓最大值為3 V
C.變壓器輸入電壓與永磁鐵磁場強弱無關(guān)
D.充電電路的輸入功率大于變壓器的輸入功率
B
課堂練習(xí)
[解析] 交流電的頻率為f==5 Hz,A錯誤;
由=、U1=得U2m=U1m=3 V,B正確;
原線圈中的感應(yīng)電流是由磁鐵與線圈相對運動引起的,永磁鐵磁場強弱將影響原線圈中的電流大小,故C錯誤;
對理想變壓器,變壓器的輸入功率等于輸出功率,而變壓器的輸出功率又等于充電電路的輸入功率,故D錯誤.
課堂練習(xí)
3.如圖所示,理想變壓器的原線圈接在u=220sin 100πt(V)的交流電源上,副線圈接有R=55 Ω的負(fù)載電阻,原、副線圈匝數(shù)之比為2∶1,電流表、電壓表均為理想電表.下列說法正確的是 (　)
A.原線圈的輸入功率為220 W
B.電流表的讀數(shù)為1 A
C.電壓表的讀數(shù)為110 V
D.副線圈輸出交流電的周期為50 s
B
課堂練習(xí)
[解析] 理想變壓器原線圈兩端電壓的有效值為U1=220 V,由=,得U2==110 V,即電壓表的讀數(shù)為110 V,通過負(fù)載電阻的電流I2== A=2 A,則副線圈的輸出功率P=U2I2=110×2 W=220 W,原線圈的輸入功率等于副線圈的輸出功率,為220 W,故選項A、C錯誤;
由n1I1=n2I2,得I1==1 A,即電流表的讀數(shù)為1 A,選項B正確;
由u=220sin 100πt(V)可知,角速度ω=100π rad/s,原線圈所
接交流電的周期T==0.02 s,副線圈輸出交流電的周期不變
,仍為0.02 s,選項D錯誤.
課堂練習(xí)
4. 如圖所示,理想變壓器的a、b端所接的交變電壓u=16sin 100πt(V),L1、L2是兩個規(guī)格為“4 V　3 W”的燈泡,現(xiàn)調(diào)節(jié)電阻箱R為某一值時恰好能使兩個燈泡均正常發(fā)光,電壓表V1、V2均為理想交流電壓表.電阻箱R調(diào)節(jié)過程中所有元件均可安全工作,忽略燈泡電阻的變化,則(　)
A.t=0.005 s時,V1的示數(shù)為12 V
B.變壓器原、副線圈匝數(shù)比為4∶1
C.增大電阻箱R連入電路的阻值,電壓表V1的示數(shù)增大
D.增大電阻箱R連入電路的阻值,電壓表V2的示數(shù)不變
C
課堂練習(xí)
[解析] 理想變壓器的a、b端所接的交變電壓的有效值為U==16 V,當(dāng)兩個燈泡均正常發(fā)光時,原線圈兩端電壓為U1=U-UL=12 V,理想交流電壓表測得的是電壓的有效值,所以t=0.005 s時,V1的示數(shù)為12 V,副線圈兩端電壓為U2=UL=4 V,變壓器原、副線圈匝數(shù)比為==3,故A、B錯誤;
設(shè)變壓器原、副線圈中電流分別為I1、I2,則I1=I2=I2,原、副線圈匝數(shù)比不變,則I1與I2的關(guān)系不變,增大電阻箱R連入電路的阻值,副線圈的總電阻R總增大,所以I2減小,則I1減小,故燈泡L1兩端電壓減小,因U不變,所以U1增大,易知
U2也增大,即電壓表V1和V2示數(shù)都增大,故C正確,D錯誤.
5.一自耦變壓器如圖所示，環(huán)形鐵芯上只繞有一個線圈，將其接在a、b間作為原線圈。通過滑動觸頭取該線圈的一部分，接在c、d間作為副線圈，在a、b間輸入電壓為U1的交變電流時，c、d間的輸出電壓為U2，在將滑動觸頭從M點順時針轉(zhuǎn)到N點的過程中
A.U2>U1，U2降低 B.U2>U1，U2升高
C.U2√
課堂練習(xí)
課堂小結(jié)
Class Summary
課堂小結(jié)
基 本 關(guān) 系 功率關(guān)系 根據(jù)能量守恒可得:原線圈的輸入功率等于副線圈的輸出功率,即P入=P出
電壓關(guān)系 只有一個副線圈時:=
有多個副線圈時:===…
電流關(guān)系 只有一個副線圈時:=
有多個副線圈時:I1n1=I2n2+I3n3+…+Innn
頻率關(guān)系 f1=f2(變壓器不改變交變電流的頻率)
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