高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册3 变压器精品学案设计

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【学习目标】
1.知道变压器的工作原理和理想变压器原、副线圈电压与匝数的关系，会推导理想变压器原、副线圈电流与匝数的关系，会用能量的观点理解变压器的工作原理。
2.知道理想变压器是忽略了能量损失的一种理想模型，进一步体会建立理想模型这种思维方法。
3.经历探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系的过程，提高科学探究的能力。
4.在实验中要养成避免触电和安全使用电表的习惯，养成尊重实验数据的严谨科学态度。
【学习重难点】
1.教学重点：变压器的工作原理和理想变压器的变压规律，会推导理想变压器原、副线圈电流与匝数的关系
2.教学难点：通过所学知识分析自耦变压器、电压互感器、电流互感器的工作原理及接入电路特点。
【知识回顾】
1．法拉第电磁感应定律
(1)内容：闭合电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比。
(2)公式：E＝eq \f(ΔΦ,Δt)。
若闭合电路是一个匝数为n的线圈，则E＝neq \f(ΔΦ,Δt)。
(3)在国际单位制中，磁通量的单位是韦伯，感应电动势的单位是伏特。
2.正弦式交变电流的公式和图像
【自主预习】
一、变压器的原理
1．变压器的构造
变压器由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成，如图所示。
(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．变压器的工作原理
变压器工作的基础是互感现象。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．作用
改变交变电流的电压。
4．理想变压器
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．电压与匝数的关系
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eq \f(U1,U2)＝eq \f(n1,n2)。
2．两类变压器
副线圈的电压比原线圈电压低的变压器叫降压变压器；副线圈的电压比原线圈电压高的变压器叫升压变压器。
3．变压器的效率
变压器的输出功率与输入功率之比，叫作变压器的效率。
【课堂探究】
【新课导入】
展示以下图片：
输电线输送的是大于100KV的高压，而家庭用电的电压是220V，如何将高压降为220V？在我们使用的各种用电器中，所需的电源电压各不相同， 那么如何使这些额定电压不是220V的电器设备正常工作的呢？
学生根据自己所知所解回答问题。
然后展示以下图片：
你知道变压器的工作原理吗？
学生根据自己所知所解回答问题。
【新课教学】
任务一、变压器的结构和工作原理
变压器的结构
①铁芯：绝缘硅钢片叠合而成
②原线圈：与交流电源相连的线圈，也叫初级线圈
③副线圈：与负载相连的线圈，也叫次级线圈
（二）变压器的示意图及电路符号
（三）变压器的工作原理
问题：变压器副线圈和原线圈电路是否相通？
变压器原副线圈不相通，那么在给原线圈接交变电压U1后，副线圈电压U2是怎样产生的？
------互感现象
若给原线圈接恒定电压U1,副线圈电压U2=?
学生根据自己所知所解回答问题。
（三）变压器的变压规律
若给原线圈接交变电动势 e1 =Em sinωt，则副线圈电动势e2 多大？
铁芯可使绝大部分（可近似认为全部）磁感线集中在铁芯上，即：
由法拉第电磁感应定律，得：
变压器作用：改变交流的电压，不改变周期和频率。
不考虑原副线圈的电阻的原、副线圈的电压：
此式无论副线圈一端是空载还是负载，都适用。
如何设计实验验证上述结论？
学生设计实验并观察使人，然后开展实验。
以下是某个小组实验数据：
从实验数据来看，在误差允许的范围内，原副线圈电压之比是否等于它们的匝数的匝数之比？
在误差允许的范围内，原副线圈匝数之比与电压之比相等。
实验数据没有严格遵从这样的规律，是为什么？
误差分析：
误差产生原因：能量损耗
①变压器线圈通过电流时会发热；
②铁芯在交变磁场的作用下也会发热；
③交变电流产生的磁场也不可能完全局限在铁芯呢。
我们把没有能量损失的变压器叫做理想变压器，那么这样的变压器有什么规律？
任务二、理想变压器
一个副线圈的理想变压器
变压器原副线圈的电压、电流关系满足什么样的规律？
理想变压器：
电压制约：
线圈两端电压之比等于匝数之比
功率制约：P入 = P出
原线圈电能全部转化为副线圈电能
“一原一副” 的电流制约：
原副线圈的电流跟匝数成反比，此式只适用于一个副线圈的变压器。
（二）多副线圈的理想变压器
电压关系：，
即：
任意两线圈两端电压之比等于匝数之比
“一原多副”的理想变压器
由 P入 =P出 （原线圈电能全部转化为两副线圈电能）得
得：
（三）理想变压器的规律
任务三、理想变压器的动态分析
自耦变压器
如图所示是自耦变压器的示意图。这种变压器的特点是铁芯上只绕有一个线圈。如果把整个线圈作原线圈，副线圈只取线圈的一部分，就可以降低电压；如果把线圈的一部分作原线圈，整个线圈作副线圈，就可以升高电压。
（二）电压互感器
交流电压表的有一定的量度范围，不能直接并联到高压电测量其电压值。那么如何用交流电压表间接地测量出高压电的电压值？
电流互感器
交流电流表的有一定的量度范围，不能直接串联到在大电流电路中的电流值。那么如何用交流电流表间接地测量出大电流电路中的电流值？
【自我测评】
1．关于理想变压器的工作原理，以下说法正确的是( )
A．通有正弦式交变电流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．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
【答案】C
【详解】通有正弦式交变电流的原线圈产生的磁场是变化的，由于面积S不变，故穿过原线圈的磁通量Φ变化，A错误；因理想变压器无漏磁，故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，故D错误。
2．[多选]钳形电流表多用于大电流的估测。某钳形电流表如图所示，被测导线、铁芯、线圈构成一个电流互感器。按下手柄时，钳形电流表的铁芯可以被分开，把被测的载流导线放入后，松开手柄，铁芯闭合。导线中的交流在铁芯中产生交变磁场，电流表与套在铁芯上的线圈相连，可以间接得知导线中的电流。关于该钳形电流表，下列说法正确的是( )
A．该钳形电流表属于升压变压器
B．该钳形电流表属于降压变压器
C．若载流导线在钳口多绕几圈，则钳形电流表的示数将偏大
D．若载流导线在钳口多绕几圈，则钳形电流表的示数将偏小
【答案】AC
【详解】钳形电流表用于大电流的估测，输出电流很小，根据变压器的规律可知，钳形电流表实质上是一个升压变压器，故A正确，B错误；根据n1I1＝n2I2知，若将载流导线在钳口多绕几圈，即n1变大，I1、n2不变，则钳形电流表的示数I2将变大，即与原来示数相比偏大了，故C正确，D错误。
3．[多选]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、副线圈匝数之比n1∶n2＝11∶3
【答案】BD
【详解】理想变压器的输入功率等于输出功率，P1＝P2＝I2U2＝2．2×60 W＝132 W，选项A错误；由eq \f(U1,U2)＝eq \f(n1,n2)得eq \f(n1,n2)＝eq \f(U1,U2)＝eq \f(220 V,60 V)＝eq \f(11,3)，选项D正确；由eq \f(I1,I2)＝eq \f(n2,n1)得I1＝eq \f(n2,n1)I2＝eq \f(3,11)×2．2 A＝0.6 A，选项B正确；根据I＝eq \f(Im,\r(2))得通过副线圈的电流的最大值I2m＝eq \r(2)I2＝eq \f(11,5)eq \r(2) A≈3．1 A，选项C错误。
4．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．AB端的输入电压为3U
D．AB端的输入电压为4U
【答案】C
【详解】设灯泡正常发光时，流过它的电流为I，则该变压器原线圈电流I1＝I，副线圈中电流I2＝2I，则原、副线圈匝数之比eq \f(n1,n2)＝eq \f(I2,I1)＝2∶1；所以原线圈两端的电压U1＝eq \f(n1,n2)U2＝2U，则AB端输入电压为3U。故A、B、D错误，C正确。
5．[多选]如图所示，理想变压器原线圈输入电压u＝220eq \r(2)sin 100πt(V)，原、副线圈匝数之比为10∶1，副线圈电路中R0为定值电阻，R是光敏电阻(其阻值随光照强度的增大而减小)，图中电表均为理想电表。下列说法正确的是( )
A．变压器输出电压的频率为50 Hz
B．电压表V2的示数为22eq \r(2) V
C．照射R的光变强时，灯泡L变暗
D．照射R的光变强时，电压表V1、电流表A1的示数都不变
【答案】AC
【详解】原线圈接正弦式交流电，由题知角速度ω＝100π rad/s，所以f＝eq \f(100π,2π) Hz＝50 Hz，故A正确；由表达式知输入电压有效值为220 V，根据eq \f(U1,U2)＝eq \f(n1,n2)知，副线圈电压有效值即电压表V2的示数为22 V，故B错误；光敏电阻R受到的光照增强时，阻值减小，但不会影响变压器的输入电压及输出电压，则副线圈电路总电流变大，原线圈电流也变大，定值电阻分压增大，灯泡两端电压减小，灯泡变暗，故C正确，D错误。
【学后反思】本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？
物理量
函数表达式
图像
峰值和有效值的关系
电动势
e＝Emsin ωt
＝Emsin eq \f(2π,T)t
Em＝eq \r(2)E
电压
u＝Umsin ωt
＝Umsin eq \f(2π,T)t
Um＝eq \r(2)U
电流
i＝Imsin ωt
＝Imsin eq \f(2π,T)t
Im＝eq \r(2)I
理想变压器
①无铜损 ②无铁损 ③无磁损
基
本
关
系
功率关系
原线圈的输入功率等于副线圈的输出功率，P入＝P出
电压关系
①只有一个副线圈时：eq \f(U1,U2)＝eq \f(n1,n2)
②有多个副线圈时：eq \f(U1,n1)＝eq \f(U2,n2)＝eq \f(U3,n3)＝…
电流关系
①只有一个副线圈时：eq \f(I1,I2)＝eq \f(n2,n1)
②有多个副线圈时：由P入＝P出得n1I1＝n2I2＋n3I3＋…
频率关系
f1＝f2(变压器不改变交变电流的频率)