第71讲　实验十五　探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系——2027届高三物理一轮复习讲义（含答案）

这是一份第71讲　实验十五　探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系——2027届高三物理一轮复习讲义（含答案），共56页。学案主要包含了实验原理，实验器材，实验过程，数据记录与处理，注意事项等内容，欢迎下载使用。
1．实验电路图(如图所示)
2．实验方法采用控制变量法
(1)n1、U1一定，研究n2和U2的关系。
(2)n2、U1一定，研究n1和U2的关系。
二、实验器材
学生电源(低压交流电源，小于12 V)1个、可拆变压器1个、多用电表1个、导线若干。
三、实验过程
1．保持原线圈的匝数n1和电压U1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)估计被测电压的大致范围，选择多用电表交流电压挡适当量程，若不知道被测电压的大致范围，则应选择交流电压挡的最大量程进行测量。
(2)组装可拆变压器：把两个线圈穿在铁芯上，闭合铁芯，用交流电压挡测量输入、输出电压。
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，重复1中步骤。
四、数据记录与处理
五、注意事项
1．在改变学生电源电压、线圈匝数前均要先断开电源开关，再进行操作。
2．为了人身安全，学生电源的电压不能超过12 V，通电时不能用手接触裸露的导线和接线柱。
3．为了多用电表的安全，使用交流电压挡测电压时，先用最大量程挡试测，大致确定被测电压后再选用适当的挡位进行测量。
考点1 教材原型实验
(基础考点·自主探究)
【跟踪训练】
(实验原理、实验器材和误差分析)某实验小组用如图1所示电路探究“变压器的电压与匝数的关系”，图中变压器为可拆变压器。
实验提供的器材有
A．多节干电池
B．学生电源
C．直流电压表
D．多用电表
(1)电源应选________，测量电压应选________(均选填字母代号)。
(2)若用匝数N1＝100匝和N2＝200匝的变压器做实验，在原线圈N1的两端分别加上2 V、4 V、6 V和8 V的电压，测量出副线圈两端的相应的电压，记录在下面的表格中。表格中第2次实验，副线圈上电压的示数如图2所示，电压量程为0～10 V交流电压挡，读数为________，并计算出此次实验U1∶U2＝________。
(3)实验可得结论_____________________________________________。
(4)导致实验误差的原因可能是________。
A．原线圈所加电压小
B．变压器的铁芯漏磁
C．变压器的铁芯产生涡流
[答案] (1)B D (2)7.9 1∶1.98 (3)在误差允许的范围内，理想变压器的原线圈与副线圈的电压之比等于线圈匝数之比 (4)BC
[解析] (1)实验需要提供交流电源，干电池只能提供直流电源，所以电源应选学生电源。
实验中要测量的是交流电压，故不能选直流电压表，只能选用多用电表。
(2)电压量程为0～10 V交流电压挡，交流电压读数为7.9 V，则此次实验中U1∶U2＝1∶1.98。
(3)原、副线圈匝数之比为eq \f(N1,N2)＝eq \f(1,2)，根据实验数据可得，在误差允许的范围内，理想变压器的原线圈与副线圈的电压之比等于线圈匝数之比。
(4)原线圈输入电压大小不会影响电压比和匝数比，故A错误；变压器的铁芯漏磁使得能量损耗，从而导致电压比与匝数比有差别，故B正确；变压器的铁芯产生涡流使得能量损耗，从而会导致电压比与匝数比有差别，故C正确。
(对注意事项和实验操作的考查)在“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”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、接线柱
D．为了多用电表的安全，使用交流电压挡测电压时，先用最大量程挡试测
(2)某同学在“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”的实验中，操作步骤如下：
①将两个线圈套到可拆变压器的铁芯上；
②闭合电源开关，用多用电表的交流电压挡分别测量原线圈和副线圈两端的电压；
③将匝数较多的一组线圈接到学生电源的交流电源输出端上，另一个作为副线圈，接上小灯泡；
④将原线圈与副线圈对调，重复以上步骤。
以上操作的合理顺序是________(只填步骤前数字序号)。
[答案] (1)D (2)①③②④
[解析] (1)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，故A错误；连接好电路后，要先检查电路是否正确，然后再接通电源，故B错误；通电时，不可直接用手接触裸露的导线、接线柱，否则无形之中将人体连在电路中，导致所测数据不准确，同时也有安全隐患，故C错误；为了多用电表的安全，使用交流电压挡测电压时，应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。
(2)在“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”的实验中，首先将两个线圈套到可拆变压器的铁芯上；再将匝数较多的一组线圈接到学生电源的交流电源输出端上，另一个作为副线圈，接上小灯泡；闭合电源开关，用多用电表的交流电压挡分别测量原线圈和副线圈两端的电压；最后将原线圈与副线圈对调，重复以上步骤。故合理的顺序是①③②④。
考点2 创新实验提升
(能力考点·深度研析)
有一个教学用的可拆变压器，其铁芯粗细一致，如图甲所示。它有两个外观基本相同的线圈A、B(内部导线电阻率、横截面积相同)，线圈外部还可以再绕线圈。
(1)某同学用多用电表的“×1”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)如果把该变压器看作理想变压器，现要测量A线圈的匝数，提供的器材有：一根足够长绝缘导线，一只多用电表和低压交流电源。请完成以下实验步骤：
①用绝缘导线在线圈B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________(选填“绕制”或“B”)线圈的输出电压U；
④则A线圈的匝数为________(用已知和测得量的符号表示)。
[答案] (1)22 A (2)③绕制 ④eq \f(UA,U)n
[解析] (1)多用电表欧姆挡读数＝指针指示值×倍率。a的读数为22，倍率为“×1”，所以A线圈的电阻为22 Ω。根据电阻定律，导线越长，电阻越大，因为A的电阻比B大，所以A线圈匝数多。
(2)③因为要测量A线圈匝数，所以要把A线圈与低压交流电源相连接。变压器输入、输出电压都是交流电，所以要用交流电压挡测绕制线圈的输出电压U。
④根据变压器电压比等于匝数比，有eq \f(UA,U)＝eq \f(nA,n)，所以nA＝eq \f(UA,U)n。
提能训练 练案[71]
1．在“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验中，利用如图所示的可拆变压器能方便地探究原、副线圈的电压比与匝数比的关系。
(1)为实现探究目的，保持原线圈输入的电压一定，通过改变原、副线圈匝数，测量副线圈上的电压。这个探究过程采用的科学探究方法是________。
A．控制变量法B．等效替代法
C．演绎法D．理想实验法
(2)原、副线圈上的电压之比是否等于它们的匝数之比呢？发现上述实验数据没有严格遵从这样的规律，分析下列可能的原因，你认为正确的是________。
A．原、副线圈的电压不同步
B．变压器线圈中有电流通过时会发热
C．铁芯在交变磁场的作用下会发热
D．原线圈中电流产生的磁场能在向副线圈转移过程中有损失
[答案] (1)A (2)BCD
[解析] (1)当一个物理量与多个物理量相关时，应采用控制变量法，探究该物理量与某一个量的关系，如本实验中，保持原线圈输入的电压U1一定，探究副线圈输出的电压U2与匝数n1、n2的关系。故选A。
(2)变压器并非理想变压器，能量损失主要来源于三个方面，分别是B、C、D项中的绕制线圈的铜导线发热损耗(俗称铜损)、铁芯中的涡流发热损耗(俗称铁损)、铁芯对磁场的约束不严密损耗(俗称磁损)。故选BCD。
2．物理实验课上，某班同学用可拆变压器探究“变压器原、副线圈两端电压与匝数的关系”。
(1)某同学用同种规格的导线绕制成a、b两个线圈，并用一多用电表的同一欧姆挡先后测量了a、b两个线圈的电阻值，指针分别对应图甲中的位置，由此可判断________线圈匝数多；
(2)在具体操作过程中，下列说法中正确的为________。
A．为确保实验安全，实验中要求原线圈匝数小于副线圈匝数
B．测量副线圈电压时，先用最大量程挡试测，大致确定后再选用适当的挡位
C．研究副线圈匝数对副线圈电压的影响时，需保持原线圈电压、匝数不变，改变副线圈的匝数
D．实验中，必须在副线圈上接上用电器以形成闭合回路
(3)在实验中将电源接在原线圈的“0”和“8”两个接线柱之间，用电表测得副线圈的“0”和“4”两个接线柱之间的电压如图乙所示，则该电压值为________。
(4)某同学发现通电后，使很大的劲都不能把变压器铁芯B取出，断电后，就可以轻松取出，这是为什么？请简单描述其原因______________________。
[答案] (1)a (2)B、C (3)6.3 V(6.2～6.4 V均可) (4)电磁感应现象，通电后，铁芯B就相当于一个电磁铁，除了受自身的重力外，还受到很大的磁场力作用
[解析] (1)由图甲可知，a线圈电阻较大，根据电阻定律可知a线圈匝数多。
(2)为确保实验安全，实验中要求原线圈匝数大于副线圈匝数，选项A错误；测量副线圈电压时，先用最大量程挡试测，大致确定后再选用适当的挡位，选项B正确；实验时可以保持原线圈电压、匝数不变，改变副线圈的匝数，探究副线圈匝数对副线圈电压的影响，选项C正确；实验中，不需要在副线圈上接上用电器以形成闭合回路，副线圈也能产生感应电动势，选项D错误。
(3)由图乙可知，该电压值为6.3 V。
(4)使很大的劲都不能把变压器铁芯B取出，断电后，就可以轻松取出，是因为电磁感应现象，通电后，铁芯B就相当于一个电磁铁，除了受自身的重力外，还受到很大的磁场力作用。
3．在“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验中，李辉同学采用了如图所示的可拆式变压器进行研究，图中各接线柱对应的数字表示倍率为“×100匝”的匝数。
(1)本实验中，实验室有下列器材：
A．可拆变压器(铁芯、两个已知匝数的线圈)
B．条形磁铁
C．多用电表
D．直流电源
E．开关、导线若干
上述器材在本实验中不需要的有________(填器材序号)，本实验中还需用到的器材有________。
(2)实验中，电源接变压器原线圈“0”“8”接线柱，副线圈接“0”“4”接线柱，当副线圈所接电表的示数为4.0 V，若变压器是理想变压器，则原线圈的电压应为________。
A．12.0 VB．10.0 V
C．8.0 VD．2.0 V
E．2.5 V
(3)组装变压器时，李辉同学没有将铁芯闭合，如图所示，原线圈接8.0 V的学生电源，原、副线圈的匝数比为8∶1，副线圈两端接交流电压表，则交流电压表的实际读数可能是________。
A．0 VB．0.7 V
C．1.0 VD．64.0 V
(4)李辉同学观察实验室中一降压变压器的两个线圈的导线，发现导线粗细不同，结合以上实验结论，应将较细的线圈作为线圈________(填“原”或“副”)。
[答案] (1)BD 低压交流电源 (2)C (3)B (4)原
[解析] (1)变压器的原理是互感现象，是原线圈磁场的变化在副线圈中产生感应电流，所以不需要外界的磁场，故不用条形磁铁；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，故不用直流电源，需要用到低压交流电源，本实验中还需补充的器材是低压交流电源。
(2)该变压器为理想变压器，根据理想变压器的规律可知eq \f(U1,U2)＝eq \f(n1,n2)＝eq \f(8,4)，U1＝eq \f(8,4)×4 V＝8 V，故C正确。
(3)根据理想变压器的规律eq \f(U2,U1)＝eq \f(n2,n1)，可知U2＝eq \f(n2,n1)U1＝eq \f(1,8)×8 V＝1 V，但是此处铁芯没有闭合，故所测得的电压应小于1 V，故选B。
(4)理想变压器的输入功率等于输出功率，因为是降压变压器，所以副线圈的电压小于原线圈的电压，而功率又相等，所以副线圈的电流大于原线圈的电流，为了减少功率损失，根据电阻定律可知副线圈应用较粗的铜导线绕制，故应将较细的线圈作为原线圈。
次序
n1(匝)
n2(匝)
n1∶n2
U1(V)
U2(V)
U1∶U2
1
2
3
4
实验次数
1
2
3
4
U1/V
2
4
6
8
U2/V
3.9
11.8
15.7
eq \f(U1,U2)
1∶1.95
1∶1.97
1∶1.96