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    鲁科版(2019)高中物理 选择性必修第二册 第3章 第3节 科学探究:变压器学案
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    鲁科版 (2019)选择性必修 第二册第3节 科学探究:变压器优秀导学案

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    这是一份鲁科版 (2019)选择性必修 第二册第3节 科学探究:变压器优秀导学案,共13页。

    3节 科学探究:变压器

    学习目标:1.[物理观念]知道变压器的构造及几种常见的变压器。 2.[科学思维]理解变压器的工作原理及工作规律。 3.[科学探究]通过实验探究变压器的原、副线圈中电压与匝数的关系。 4.[科学思维]应用变压器电压与匝数的关系求解具体问题。

    自主预习探新知新.TIF

    知识梳理.TIF

    阅读本节教材,回答第63问题并梳理必要知识点。

    教材P63问题提示:变压器是一种升高或降低电压的装置,因此可以利用变压器改变电压。

    一、变压器的工作原理

    1变压器的构造

    (1)变压器:能升高降低交变电流电压的装置称为变压器。

    (2)构造:由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个或两个以上的线圈组成,符号如图所示。

    LK20-339.TIF

    原线圈:与交流电源连接的线圈,也叫初级线圈,符号用n1

    副线圈:与负载连接的线圈,也叫次级线圈,符号用n2

    输入电压:原线圈两端的电压,用符号U1表示。

    输出电压:副线圈两端的电压,用符号U2表示。

    2原理

    (1)如图所示,当原线圈两端加上交变电压时,就有交变电流通过原线圈,并在铁芯中产生交变的磁场,铁芯中的磁通量发生变化,这个变化的磁通量在副线圈两端产生感应电动势

    (2)如果变压器在传输电能的过程中损失的能量很小,可以忽略不计,这种变压器就叫作理想变压器。

    LK20-340.TIF

    二、探究变压器电压与线圈匝数的关系

    1实验目的:探究变压器电压与线圈匝数的定量关系。

    2实验器材可拆变压器、低压交流电源、交流电压表、带夹的导线。

    3实验步骤

    (1)要先估计被测电压的大致范围,再选择恰当的量程,若不知道被测电压的大致范围,则应选择交流电压表的最大量程进行测量。

    (2)把两个线圈穿在铁芯上,闭合铁芯。

    (3)用交流电压表测量输入、输出电压。

    (4)改变输入端电压,重新测量输入、输出端电压,记录在设计好的表格内。

     

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    U1

     

     

     

     

     

     

    U2

     

     

     

     

     

     

    n1

     

     

     

     

     

     

    n2

     

     

     

     

     

     

    (5)改变线圈匝数,重新测量输入、输出端电压,记录在上面设计好的表格内。

    4注意事项

    (1)在改变低压交流电源电压、线圈匝数前均要先断开开关,再进行操作。

    (2)为了人身安全,低压交流电源的电压不能超过12 V,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。

    三、理想变压器的电压与线圈匝数的关系

    1电压与匝数的关系:原、副线圈的电压之比等于两个线圈的匝数之比,即

    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。

    基础自测.TIF

    1思考判断(正确的打“√”,错误的打“×”)

    (1)变压器只能改变交变电流的电压,不能改变直流电的电压。  ()

    (2)实际生活中,不存在原线圈与副线圈匝数相等的变压器。 ()

    (3)理想变压器不仅可以改变交变电流的电压和电流,还可以改变交变电流的功率和频率。                (×)

    (4)理想变压器是客观存在的。    (×)

    (5)适用于任何理想变压器。 ()

    2(多选)关于理想变压器,下面各说法中正确的是(  )

    A.它的输出功率等于它的输入功率

    B.它的输出功率可以大于它的输入功率

    C.原副线圈两端的电压与它们的匝数成正比

    D.原副线圈的电流与它们的匝数成正比

    AC [输入功率的大小是由输出功率的大小决定,并且大小相等,故A正确,B错误;输出电压是由输入电压和匝数比决定的,电压与匝数成正比,故C正确;原副线圈的电流与它们的匝数成反比,故D错误。]

    3.一输入电压为220 V,输出电压为36 V的变压器副线圈烧坏了,为获知此变压器原、副线圈匝数,某同学拆下烧坏的副线圈,用绝缘导线在铁芯上新绕了5匝线圈,如图所示,然后将原来线圈接到220 V交流电源上,测得新绕线圈电压为1 V,按理想变压器分析,该变压器烧坏前的原、副线圈匝数分别为(  )

    LK20-341.TIF

    A1 100 360 B1 100 180

    C2 200 180  D2 200 360

    B [对新绕线圈的理想变压器,根据变压比公式得n11 100,同理变压器烧坏前n2180,故B正确。]

    合作探究攻重难新.TIF

    考点1.TIF

    理想变压器的特点及原理

     

    样情境引入.TIF

    在课外,某同学在进行低压交流变压器实验的准备工作时,发现缺少电源,于是就用一种摩托车的蓄电池代替,按图所示进行实验。闭合电键后,灯泡是否发光?解释出现这种现象的原因。

    LK20-342.TIF

    提示:因蓄电池是直流电源,向外输出恒定电压,故连接到副线圈上的小灯泡不会发光。原因是:恒定电压加在原线圈上后,线圈内的磁通量不发生变化,因而副线圈中的磁通量也不发生变化,所以En0。故副线圈中无感应电动势。

    1理想变压器的特点

    (1)原、副线圈的电阻不计,不产生热量。

    (2)变压器的铁芯无漏磁,原、副线圈磁通量无差别。

    (3)变压器自身的能量损耗不计,原线圈的输入功率等于副线圈的输出功率。

    2工作原理

    (1)原线圈上通有交变电流时,铁芯中产生交变磁场,即在副线圈中产生交变磁通量,从而在副线圈中产生交变电动势;当副线圈接负载时,副线圈相当于交流电源向外界负载供电。

    (2)从能量转化角度看,变压器是把电能转化为磁场能,再将磁场能转化为电能的装置,一般地说,经过转化后电压、电流均发生了变化。

    【例1 关于理想变压器的工作原理,以下说法正确的是(  )

    A.通有正弦交变电流的原线圈产生的磁通量不变

    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

    C [通有正弦交变电流的原线圈产生的磁场是变化的,由于面积S不变,故磁通量Φ变化,故A错误;因理想变压器无漏磁,原、副线圈的磁通量总相等,故B错误;由互感现象知C正确;原线圈中的电能转化为磁场能又转化为副线圈的电能,原、副线圈通过磁联系在一起,故D错误。]

    理想变压器的四点注意

    (1)变压器不能改变直流电压。

    (2)变压器只能改变交变电流的电压和电流,不能改变交变电流的频率。

    (3)理想变压器本身不消耗能量。

    (4)理想变压器基本关系中的U1U2I1I2均为有效值。

    方法技巧3+.TIF

    1(多选)理想变压器的原、副线圈中一定相同的物理量有(  )

    A.交流电的频率 B.磁通量的变化率

    C.功率 D.交流电的峰值

    ABC [理想变压器没有漏磁,没有能量损失,所以原、副线圈中磁通量变化率相同,原、副线圈中功率相同,BC正确;变压器能改变交流电的峰值但不改变交流电频率,A正确,D错误。]

    考点2.TIF

    探究变压器电压与线圈匝数的关系

     

    样情境引入.TIF

    原线圈通过电流时,铁芯中产生磁场,由于交变电流的大小和方向都在不断变化,铁芯中的磁场也在不断地变化,变化的磁场在副线圈中产生感应电动势,副线圈中就存在输出电压。本实验中要解决电压与匝数的关系常用什么方法?

    提示:本实验通过改变原、副线圈匝数,探究原、副线圈的电压与匝数的关系。

    1数据处理

    根据实验中记录的数据分析完成表格:

     

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    U1

     

     

     

     

     

     

    U2

     

     

     

     

     

     

    n1

     

     

     

     

     

     

    n2

     

     

     

     

     

     

    U1/U2

     

     

     

     

     

     

    n1/n2

     

     

     

     

     

     

    2.实验结论:在误差允许的范围内,变压器线圈两端的电压与匝数成正比,数学表达式为:

    3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,造成误差。

    (3)铁芯中有磁损耗,产生涡流造成误差。

    【例2 在探究变压器线圈两端电压与匝数关系的实验中,小型可拆变压器的原、副线圈匝数分别为n1120匝、n2240匝,某实验小组在原线圈两端依次加上不同的电压,用多用电表的交流电压挡分别测量原、副线圈两端的电压,数据如表所示。

    实验序号

    原线圈两端的

    电压U1(V)

    副线圈两端

    的电压U2(V)

    1

    3.9

    8.2

    12.1

    2

    5.9

    11.8

    12.0

    3

    7.8

    15.2

     

    (1)实验小组根据测得的数据在表格中算出U1U2的比值,还有一组U1U2的比值没有算出,把求出的结果填在表格中。

    (2)本实验可得出结论:变压器线圈两端电压与匝数关系为________(用题目中给出的字母表示)

    (3)该变压器是________变压器(选填升压降压)

    [解析] (1)第三组数据为:

    (2)线圈匝数之比,结合表格中的数据知,在误差允许的范围内线圈两端电压与匝数的关系是

    (3)从表格中的数据可知副线圈匝数多、电压高,所以该变压器是升压变压器。

    [答案] (1)11.9 (2) (3)升压

    2.在探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系的实验中,操作步骤如下:

    将两个线圈套到可拆变压器的铁芯上;

    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;

    将匝数较多的一组线圈接到交流电源输出端上,另一作为副线圈,接上小灯泡;

    将原线圈与副线圈对调,重复以上步骤。

    (1)以上操作的合理顺序是________(只填步骤前数字序号)

    (2)如图所示,在实验中,两线圈的匝数n11 600n2400,当将n1作为原线圈时,U116 V,副线圈两端电压U24 V;原线圈与副线圈对调后,当U18 V时,U232 V,那么可初步确定,变压器两个线圈的电压U1U2与线圈匝数n1n2的关系是________

    LK20-343.TIF

    [解析] (1)探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系实验中,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交流电源输出端上,另一作为副线圈,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

    (2)两线圈的匝数n11 600n2400,当将n1做原线圈时,U116 V,副线圈两端电压U24 V;当原线圈与副线圈对调后,U18 V时,U232 V,此时U2为原线圈的电压,而U1为副线圈的电压;由以上数据可得

    [答案] (1)①③②④ (2)

    考点3.TIF

    理想变压器的基本关系应用

     

    样情境引入.TIF

    学生电源(低压交流12 V),可拆变压器,多用表(交流电压挡),电路图如图所示。对于理想变压器,只有一组副线圈的情况下,原线圈和副线圈的电流跟它们的匝数的关系。

    LK20-344.TIF

    提示:。因为P1P2,即I1U1I2U2,又,所以推导出

    1理想变压器的变压(变流)规律

     

    规律表示

    依据

    备注

    变压规律

    En

    适于一个原线圈及多个副线圈的情况

    功率关系

    PP

    能量守恒

    适于理想变压器

    变流规律

    U1I1U2I2

    适于一个原线圈一个副线圈

    n1I1n2I2n3I3

    U1I1U2I2U3I3

    适于一个原线圈,多个副线圈

    U1I1U2I2

    适于一个原线圈一个副线圈

    2.理想变压器各物理量间的制约关系

    (1)输入电压决定输出电压:由,得U2U1

    U1不变时,U2也不会变,与负载电阻R多大及是否变化无关。

    (2)输出功率决定输入功率:对理想变压器PP

    (3)负载决定输出电流:当U1一定时,U2也一定,对副线圈有I2,所以当R变化时,I2也随之变化,即R变大,I2变小;R变小,I2变大。

    (4)输出电流决定输入电流:由n1I1n2I2I1I2,所以当I2变化时,I1也随之变化。即I2变大,I1变大;I2变小,I1也变小。

    【例3 如图所示,理想变压器原、副线圈匝数比n1n221V.TIFA.TIF均为理想电表,灯泡电阻RL6 ΩAB两端电压u112sin  100πt(V)。下列说法正确的是(  )

    LK20-345.TIF

    A.电流频率为100 Hz

    B.V.TIF的读数为24 V

    C.A.TIF的读数为0.5 A

    D.变压器输入功率为6 W

    D [根据u112sin  100πt(V)UU112 Vf50 Hz,选项A错误;根据U2U1×12 V6 V,即V.TIF的读数为6 V,选项B错误;又I2 A1 A,即A.TIF的读数为1 A,选项C错误;根据P1P2P2 W6 W,选项D正确。]

    规律方法1.TIF

    理想变压器的电压关系和电流关系

    (1)理想变压器的电压关系对有一个或多个副线圈的情况都成立。

    (2)电流关系只适用于有一个副线圈的情况,若有多个副线圈,则电流关系应根据功率关系PP求出。

    方法技巧3+.TIF

    3.如图所示,理想变压器原、副线圈匝数之比为201,原线圈接正弦交流电源,副线圈接入220 V  60 W灯泡一只,且灯泡正常发光,则(  )

    LK20-346.TIF

    A.电流表的示数为 A

    B.电源输出功率为1 200 W

    C.电流表的示数为 A

    D.原线圈端电压为11 V

    C [由灯泡正常发光,可知副线圈电压为220 V,由可知,原线圈电压U120×220 V4 400 V,故D错;又因输入功率等于输出功率,P1P260 W,故B错;电流表读数为有效值,原线圈中电流I1 A A,故A错,C正确。]

    样课堂小结.TIF

    1.物理观念:原线圈、副线圈、输入电压、输出电压等概念。

    2.科学思维:变压器的原、副线圈中电压与匝数的关系的应用。

    3.科学探究:探究变压器的原、副线圈中电压与匝数的关系。

    当堂达标固双基新.TIF

    1.如图所示,理想变压器原、副线圈匝数之比n1n241,当导线在平行导轨上匀速切割磁感线时,电流表A1的示数是12 mA,则副线圈中电流表A2的示数是(  )

    LK20-347.TIF

    A3 mA B48 mA

    C0  D.与R的阻值有关

    C [当导线在平行导轨上匀速运动时,产生的电流是恒定的电流,不会使副线圈的磁通量变化,因而副线圈中无感应电流,选项C正确。]

    2.如图所示四个电路,能够实现升压的是(  )

    LK20-348.TIF

    D [变压器只能对交流电变压,不能对直流电变压,故AB错误;由于电压与线圈匝数成正比,所以D能实现升压。]

    3.如图所示,一理想变压器原、副线圈的匝数比为12,副线圈电路中接有灯泡,灯泡的额定电压为220 V,额定功率为22 W,原线圈电路中接有电压表和电流表。现闭合开关,灯泡正常发光。若用UI分别表示此时电压表和电流表的读数,则(  )

    LK20-349.TIF

    AU110 VI0.2 A

    BU110 VI0.05 A

    CU110 VI0.2 A

    DU110 VI0.2 A

    A [交流电压表、电流表测得的是交变电流的有效值,由灯泡正常发光可知,变压器的输出电压为220 V,而变压器的输入与输出电压之比等于原、副线圈的匝数比,故变压器的输入电压为110 V,电压表的示数为110 V;又因为变压器的输入功率等于输出功率,因此可知变压器的输入电流为0.2 AA正确。]

    4.一含有理想变压器的电路如图所示,图中电阻R1R2R3的阻值分别为3 Ω1 Ω4 ΩA.TIF为理想交流电流表,U为正弦交流电压源,输出电压的有效值恒定。当开关S断开时,电流表的示数为I;当S闭合时,电流表的示数为4I。该变压器原、副线圈匝数比为(  )

    LK20-350.TIF

    A2  B3  C4  D5

    B [设原、副线圈匝数比为n,根据能量守恒,当S断开时,UII2R1(nI)2(R2R3);当S闭合时,4UI(4I)2R1(4nI)2R2,联立解得n3,所以B正确。]

    5.如图所示,一个变压器(可视为理想变压器)的原线圈接在220 V的交流电上,向额定电压为1.80×104 V的霓虹灯供电,使它正常发光。为了安全,需在原线圈回路中接入熔断器,使副线圈电路中电流超过12 mA时,熔丝就熔断。

    (1)熔丝的熔断电流是多大?

    (2)当副线圈电路中电流为10 mA时,变压器的输入功率是多大?

    LK20-351.TIF

    [解析] (1)设原、副线圈上的电压、电流分别为U1U2I1I2,根据理想变压器的输入功率等于输出功率,则

    U1I1U2I2,当I212 mA时,I1即为熔断电流,

    I1I20.98 A

    (2)当副线圈上的电流为I210 mA时,变压器的输入功率为P1,所以P1P2I2U2180 W

    [答案] (1)0.98 A (2)180 W

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