2021版江苏高考物理一轮复习讲义：第11章实验15　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

1．实验目的

探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系。

2．实验原理

(1)变压器是由原线圈、副线圈和铁芯组成的。电流通过原线圈时在铁芯中产生磁场，由于电流的大小、方向在不断变化，铁芯中的磁场也不断变化，变化的磁场在副线圈中产生感应电动势，副线圈就存在输出电压。

(2)本实验通过与副线圈相连接的多用电表，观察原线圈电压变化时，副线圈的输出电压的变化；通过改变原、副线圈匝数，探究原、副线圈的电压比与匝数比的关系。

(3)用控制变量法研究。

3．实验器材

可拆变压器(铁芯、两个已知匝数的线圈)，多用电表，低压交流电源等。

4．实验步骤

(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。

表格一　U1＝5 V，n1＝400匝

①选择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。

②将选择开关调至使原线圈两端电压为5 V。

③将多用电表与副线圈n2＝200匝的接线柱相连接，读出副线圈两端的电压U2。

④将n2、U2的数值记录在表格一中。

⑤保持n1＝400匝，U1＝5 V不变，将多用电表与副线圈n2＝800匝的接线柱相连接，读出副线圈两端的电压U2。

⑥将n2、U2的数值记录在表格一中。

⑦保持n1＝400匝，U1＝5 V不变。将多用电表与副线圈n2＝1 400匝的接线柱相连接，读出副线圈两端的电压U2。

⑧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。

②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。

③将选择开关拨至5 V挡。

④将多用电压与副线圈n1＝200匝的接线柱相连接，读出副线圈两端的电压U2。

⑤将n1、U2的数值记录在表格二中。

⑥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。

⑦将n1、U2的数值记录在表格二中。

⑧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。

⑨将n1、U2的数值记录在表格二中。

⑩拆除实验线路，整理好实验器材。

5．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压，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，只有这时才能接通电源。

实验原理与操作

1．实验采用控制变量法

①保持原线圈的匝数不变，增加副线圈的匝数，观察到副线圈两端的电压增大；

②保持副线圈的匝数不变，增加原线圈的匝数，观察到副线圈两端的电压减小。

2．变压器的原理是互感现象的应用

原线圈磁场的变化引起副线圈感应电流的变化，不能用直流电源；因为需要测量电压，所以需要多用电表(交流电压挡)。

1．理想变压器是指在变压器变压的过程中，线圈和铁芯不损耗能量、磁场被束缚在铁芯内不外漏的变压器。现有一个理想变压器有一个原线圈(匝数为n1)和一个副线圈(匝数为n2)。甲、乙两位同学想探究这个理想变压器的原、副线圈两端的电压与线圈匝数的关系。

(1)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____________________。

(2)为了验证理论推导的正确性，可以通过实验来探究，为保证实验安全、有效地进行，应选用________电源。

(3)在实验时，若采用多用电表进行测量，应先将选择开关置于________挡，并选用________量程进行测试，大致确定被测数据后，再选用适当的量程进行测量。

[解析]　(1)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。

(2)为了保证实验安全、有效地进行，应选用低压(一般低于12 V)交流电源。

(3)使用多用电表时，应先将选择开关置于交流电压挡，并选用较大(或最大)量程进行测试。

[答案]　(1)甲　法拉第电磁感应定律

(2)低压(一般低于12 V)交流

(3)交流电压　较大(或最大)

2．(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)，本实验中还需要用到的器材有________。

(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

[解析]　(1)变压器的原理是互感现象的应用，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，输出电压也是交流电压，故电表用交流电压挡，综合(1)可知，故应选C。

[答案]　(1)BC　 (2)低压交流电源　C

3．在“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验中，某同学利用“教学用的可拆变压器”进行探究。关于实验操作，下列说法正确的是(　　)

A．为了人身安全，原线圈两端只能使用低压交流电源，所用电压不要超过12 V

B．实验通电时，可用手接触裸露的导线、接线柱等检查电路

C．使用多用电表测电压时，先用中等量程挡试测，再选用恰当的挡位进行测量

A　[变压器是改变电压，因此为了人身安全，原线圈两端只能使用低压交流电源，所用电压不超过12 V，故A正确；实验通电时，不能用手接触裸露的导线、接线柱等检查电路，故B错误；使用多用电表测电压时，先用最高量程挡试测，再选用恰当的挡位进行测量，故C错误。故选A。]

数据处理与误差分析

1．变压器的原理是互感现象的应用，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；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；原线圈接交流电压，输出电压也是交流电压。

2．实际实验中会存在漏磁现象。

1．(1)为完成“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”的实验，必须要选用的是________。

A．有闭合铁芯的原、副线圈

B．无铁芯的原、副线圈

C．交流电源

D．直流电源

E．多用电表(交流电压档)

F．多用电表(交流电流档)

(2)用匝数na＝60匝和nb＝120匝的变压器，实验测量数据如下表，

根据测量数据可判断连接电源的线圈是________(填na或nb)。

[解析]　(1)变压器的原理是互感现象的应用。是原线圈磁场的变化引起副线圈感应电流的变化，如果原线圈连接的是直流电源，则副线圈中不会有感应电流产生。题意为探究变压器线圈两端的电压和匝数的关系，需要测量电压，所以需要一个测电压的仪器，所以需要的器材有A有闭合铁芯的原、副线圈；C交流电源；E多用电表(交流电压档)；故选ACE。

(2)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)ACE　(2)nb

2.某研究性学习小组的同学想用220 V交流电源作为某小型电器的电源。他先制作了一个交流变为直流的整流器，但是这个整流器需要用6 V的交流电源，于是他又添置了一台220 V/6 V的变压器，如图所示。他看到这个变压器上有a、b、c、d四个引出线头，且a、d引线比b、c引线粗。

(1)他不知道如何接法，也没有相应的说明书。你能帮他判断正确的接法是a、d端接________(选填“220 V”或“6 V”)。

(2)这台220 V/6 V的理想变压器接6 V的线圈匝数是300匝，则接220 V的线圈匝数是________匝。

[解析]　(1)因为理想变压器的输入功率等于输出功率，采用的是降压变压器，根据P＝UI可知，副线圈中的电流大，为了减小输电线上功率的损失，副线圈电线电阻要小，由公式R＝ρ知，引线要粗，故a、d接6 V。

(2)根据变压器工作原理知：＝，若理想变压器接6 V的线圈匝数是300匝，则接220 V的线圈匝数是11 000匝。

[答案]　(1)6 V　(2)11 000

3．在探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系实验中，小李同学采用了如图所示的可拆式变压器(铁芯不闭合)进行研究。

(1)(多选)实验还需下列器材中的________。

A　　　　　　　　B

C　　　　　　　　D

(2)实验中，上图中变压器的原线圈接“0；8”接线柱，副线圈接线“0；4”接线柱，当副线圈所接电表的示数为5.0 V，则所接电源电压档位为________。

A．18.0 V   B．10.0 V 

C．5.0 V   D．2.5 V

[解析]　(1)本实验中，变压器的原线圈应接在交流电源上，为了知道原、副线圈的电压比和线圈匝数比之间的关系，还需要电压表，故学生电源和电压表两个器材不能缺少，选B、C。

(2)①理想变压器原、副线圈电压和匝数的关系为＝；若变压器的原线圈接“0；8”接线柱，副线圈接“0；4”接线柱，则原、副线圈匝数比为＝＝2，则原线圈两端电压U1＝U2＝2×5 V＝10 V。②本题中可拆变压器并非理想变压器，存在漏磁现象，要使副线圈所接电压表示数为5 V，则原线圈电压必须大于10 V，故选A。

[答案]　(1)BC　(2)A