最新高考物理一轮突破实验十五 探究变压器原副线圈电压与匝数的关系

实验十五　探究变压器原副线圈电压与匝数的关系　
 

【实验过程】

1.保持原线圈的匝数n1=400匝和电压U1=5 V不变,改变副线圈的匝数n2,研究n2对副线圈电压U2的影响。

(1)选择原线圈的匝数n1=400匝,用导线将变压器原线圈接在学生电源的交流输出接线柱上,将选择开关调至使原线圈两端电压为5 V。将多用电表与原线圈n1=400匝的接线柱相连接,检查原线圈的电压是否为5 V,如图甲。

表格一　U1=5 V,n1=400匝

(2)将多用电表与副线圈n2=200匝的接线柱相连接,如图乙,读出副线圈两端的电压U2。将n2、U2的数值记录在表格一中。

(3)将多用电表与副线圈n2=800匝的接线柱相连接,如图丙,读出副线圈两端的电压U2。将n2、U2的数值记录在表格一中。

(4)将多用电表与副线圈n2=1 400匝的接线柱相连接,如图丁,读出副线圈两端的电压U2。将n2、U2的数值记录在表格一中。

2.保持副线圈的匝数n2和原线圈两端的电压U1不变,研究原线圈的匝数对副线圈电压的影响。

表格二　U1=5 V,n2=400匝

(1)将1中的原线圈作为副线圈,副线圈作为原线圈。选择n2=400匝,用导线将变压器原线圈接在学生电源的交流输出接线柱上。

(2)将选择开关拨至5 V挡。

(3)将多用电表与原线圈n1=200匝的接线柱相连接,读出副线圈两端的电压U2。将n1、U2的数值记录在表格二中。

(4)保持n2=400匝,U1=5 V不变,将连接电源的两根导线与原线圈n1=800匝的接线柱相连接,读出副线圈两端的电压U2。将n1、U2的数值记录在表格二中。

(5)保持n2=400匝,U1=5 V不变,将连接电源的两根导线与原线圈n1=1 400匝的接线柱相连接,读出副线圈两端的电压U2。将n1、U2的数值记录在表格二中。

(6)拆除实验线路,整理好实验器材。

【数据处理】

　分析表格一和表格二数据可知,理想变压器原、副线圈两端电压U1、U2之比等于两个线圈的匝数n1、n2之比。

【误差分析】

1.由于漏磁,通过原、副线圈的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、副线圈中的焦耳热损耗(铜损),造成误差。

3.铁芯中有磁损耗,产生涡流,造成误差。

4.多用电表的读数存在误差。

【注意事项】

(1)要事先推测副线圈两端电压的可能值。

(2)为了人身安全,只能使用低压交流电源,所用电压不要超过12 V,即使这样,通电时不要用手接触裸露的导线、接线柱。

(3)为了多用电表的安全,使用交流电压挡测电压时,先用最大量程挡测试,大致确定电压后再选择适当的挡位进行测量。

(4)连接电路后要由同组的几位同学分别独立检查,然后请老师确认,只有这样才能接通电源。

(5)在改变学生电源、线圈匝数前均要先断开开关,再进行操作。

【实验创新】

　本实验的创新有两个视角:

视角一:不改变实验原理,改变实验目的,在原线圈两端电压和匝数一定时,用多用电表测出副线圈两端电压就可以求出副线圈的匝数。

视角二:不改变实验装置和实验目的,还可以探究变压器是否是理想变压器。

教材原型实验

【典例1】(1)在“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”的实验中,实验室中备有下列可供选择的器材:

A.可拆变压器(铁芯、两个已知匝数的线圈)

B.条形磁铁

C.直流电源

D.多用电表

E.开关、导线若干

上述器材在本实验中不必用到的是　　　　　(填器材前的序号)。 

(2)做“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”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.原线圈接直流电压,电表用直流电压挡

B.原线圈接直流电压,电表用交流电压挡

C.原线圈接12 V以下交流电压,电表用交流电压挡

D.原线圈接220 V交流电压,电表用交流电压挡

(3)实验前甲同学的猜想是U1∶U2=n1∶n2;乙同学的猜想是U1∶U2=n2∶n1。你认为猜想合理的同学是　　　　　,你做出上述判断所依据的物理规律是　 　。 

创新型实验

类型一　不变目的和装置,探究变压器是否为理想变压器

【典例2】小华同学做了探究变压器线圈两端的电压与匝数关系的实验,请回答以下问题:

(1)本实验中需要测量电压,则在如图所示的器材中,应　　　　　。 

A.选甲图中的器材　　　　B.选乙图中的器材

C.都可以选     D.都不能选

(2)小华在做本实验时,选择的原线圈为100匝,副线圈为200匝;他将原线圈接入学生电源中的交流电压“6 V”挡位,用合适的电表测量出副线圈的电压为13 V,则下列叙述可能符合实际情况的一项是　　　。 

A.变压器的铁芯没有闭合

B.一定是电压的测量出了问题

C.副线圈实际匝数与标注的“200”不符,应该小于200匝

D.学生电源实际输出电压大于标注的“6 V”

(3)用匝数na=100匝和nb=200匝的变压器,实验测量数据如表,

根据测量数据可判断连接电源的线圈是　　　　　(选填“na”或“nb”)。 

类型二　不变原理,变目的(计算线圈匝数)

【典例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,则A线圈的电阻为　　　　　Ω,由此可推断　　　　　(选填“A”或“B”)线圈的匝数较多。 

(2)如果把它看成理想变压器,现要测量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)　　　　　　　　　。A线圈的匝数为nA=　　　　　。(用所测物理量符号表示) 

答案解析

教材原型实验

【典例1】(1)在“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”的实验中,实验室中备有下列可供选择的器材:

A.可拆变压器(铁芯、两个已知匝数的线圈)

B.条形磁铁

C.直流电源

D.多用电表

E.开关、导线若干

上述器材在本实验中不必用到的是　　　　　(填器材前的序号)。 

(2)做“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”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.原线圈接直流电压,电表用直流电压挡

B.原线圈接直流电压,电表用交流电压挡

C.原线圈接12 V以下交流电压,电表用交流电压挡

D.原线圈接220 V交流电压,电表用交流电压挡

(3)实验前甲同学的猜想是U1∶U2=n1∶n2;乙同学的猜想是U1∶U2=n2∶n1。你认为猜想合理的同学是　　　　　,你做出上述判断所依据的物理规律是　 　。 

【解析】(1)变压器的原理是互感现象,是原线圈磁场的变化引起副线圈感应电流的变化,所以不需要外界的磁场,故条形磁铁B不必用到,如果原线圈中通的是直流电源,则副线圈中不会有感应电流产生,故直流电源C不必用到,需要用到低压交流电源;

(2)变压器的工作原理是互感现象,故原线圈接交流电压,为了安全,电压选用实验室12 V以下电压,输出电压也是交流电压,故电表用交流电压挡,综合(1)可知,应选C。

(3)由变压器的工作原理可知:猜想合理的同学是甲同学。做出上述判断依据的物理规律是法拉第电磁感应定律。

答案:(1)B、C　(2)C　(3)见解析

创新型实验

类型一　不变目的和装置,探究变压器是否为理想变压器

【典例2】小华同学做了探究变压器线圈两端的电压与匝数关系的实验,请回答以下问题:

(1)本实验中需要测量电压,则在如图所示的器材中,应　　　　　。 

A.选甲图中的器材　　　　B.选乙图中的器材

C.都可以选     D.都不能选

(2)小华在做本实验时,选择的原线圈为100匝,副线圈为200匝;他将原线圈接入学生电源中的交流电压“6 V”挡位,用合适的电表测量出副线圈的电压为13 V,则下列叙述可能符合实际情况的一项是　　　。 

A.变压器的铁芯没有闭合

B.一定是电压的测量出了问题

C.副线圈实际匝数与标注的“200”不符,应该小于200匝

D.学生电源实际输出电压大于标注的“6 V”

(3)用匝数na=100匝和nb=200匝的变压器,实验测量数据如表,

根据测量数据可判断连接电源的线圈是　　　　　(选填“na”或“nb”)。 

【解析】(1)由题图可知,甲图是多用电表,而乙图是电压表,实验需要测量交流电压,因此选用甲图,故A正确,B、C、D错误。

(2)根据理想变压器的原副线圈的电压与其匝数关系式=,若变压器的铁芯没有闭合,则得出副线圈的电压小于12 V,A错误;若是电压的测量出了问题,应该是小于12 V,不应该大于12 V,B错误;副线圈实际匝数与标注的“200”不符,若小于200匝,由以上公式可知,副线圈的电压小于12 V,C错误;若学生电源实际输出电压大于标注的“6 V”,由以上公式可知,副线圈的电压可能为13 V,D正确。

(3)根据题意,电压比与匝数比不相等,可知该变压器为非理想变压器,考虑到变压器有漏磁、铁芯发热、导线发热等影响,判断出U2为原线圈上电压大小,则判断出接电源的是nb。

答案:(1)A　(2)D　(3)nb

【创新解读】　

(1)如果原线圈中通的是直流电源,则副线圈中不会有感应电流产生;

(2)原线圈接交流电压,输出电压也是交流电压。实际实验中会存在漏磁现象,则副线圈的端电压U2<U1。

类型二　不变原理,变目的(计算线圈匝数)

【典例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,则A线圈的电阻为　　　　　Ω,由此可推断　　　　　(选填“A”或“B”)线圈的匝数较多。 

(2)如果把它看成理想变压器,现要测量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)　　　　　　　　　。A线圈的匝数为nA=　　　　　。(用所测物理量符号表示) 

【解析】(1)观察多用电表测的是电阻指向“×1挡”,故A线圈的电阻为24 Ω。由此可推断A的线圈匝数较多。

(2)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。

A线圈的匝数为nA=n(其他方法,只要合理即可)

答案:(1)24　A　(2)见解析