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高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册3 变压器导学案
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这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册3 变压器导学案，共10页。学案主要包含了课前自主学习等内容，欢迎下载使用。
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，进一步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。
5.通过对实际问题的分析，掌握推导理想变压器原、副线圈中电流与匝数的关系的思路和方法，培养学科核心素养中的科学推理；
【重点】通过变压器的工作原理和理想变压器的变压规律，推导理想变压器原、副线圈电流与匝数的关系
【难点】通过变压器的工作原理和理想变压器的变压规律，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。
【课前自主学习】
一、知识前置
闭合铁芯：绝缘硅钢片叠合而成。
（2）原线圈(初级线圈)：与交流电源相连的线圈叫做 也叫初级线圈。其匝数用 表示。原线圈两端的电压叫变压器的 用U1表示。
（3）副线圈(次级线圈)：与负载相连的线圈叫做 也叫次级线圈。其匝数用 表示。副线圈两端的电压叫变压器的 用U2表示。
（4）升压变压器： ，降压变压器 ，自耦变压器
（5）实际中的变压器：线圈有电阻、铁芯内产生涡流、铁芯导磁过程存在“漏磁”等变压器在忽略漏磁、线圈电阻、其它损耗的情况下，称为 。理想变压器特点： （1）变压器铁芯内 ；（2）原、副线圈不计 ；（3）忽略铁芯产生的 。理想变压器没有能量损失，工作效率为100%。
二、新知学习
1.认识生活中常见的变压器。思考这些变压器是如何实现交流电电压的变化？
发电站大型变压器 小型变压器 高压输电中的变压器
2.思考生活中为什么要用到这些变压器
在日常生活中，我们也经常有改变电压的需求。比如：家庭电路电压为220V，而我们手机的充电电压通常是5V左右，有些电动车的充电电压是48V，老式电视机的显像管需要一万多伏的高电压，给电子加速。
3.了解变压器的组成：
可拆变压器的零部件 组装后的变压器
4.思考：变压器原副线圈不相通，那么给原线圈接交变电源，副线圈链接一个小灯泡，通电后，小灯泡会发光吗，为什么？
答： ，原因：
这涉及变压器的工作原理
我们可以回忆一下，在初学电磁感应时，我们做过一个“探究感应电流产生条件”的实验。两个线圈也不在同一个回路中，当原线圈电流发生变化时，产生变化的磁场，副线圈中磁通量发生变化，产生感应电流。
在这些实验中，两个线圈之间是相互影响的，这就我们学习过的互感现象。
变压器与这个情境相类似，本质上也是电磁感应现象，是一个互感过程。
从能量转化的角度来看，是原线圈处电场能转化成了磁场能，副线圈处磁场能又转化为电场能，实现了能量的转换和传递。
简化图
5.互感现象
变压器能输送电能是利用了电磁感应。在原线圈上由变化的电流激发了一个变化的磁场，即电场的能量转变成磁场的能量；通过铁芯使这个变化的磁场几乎全部穿过了副线圈，于是在副线圈上产生了感应电流，磁场的能量转化成了电场的能量
三、实验探究变压器规律：
1.铁芯的作用：
如图，将变压器两线圈上下叠放，插入铁芯，原线圈接交流电，副线圈接一额定电压为3V灯泡，灯泡发光。将铁芯逐渐抽出，灯逐渐变暗。接近全部抽出时，灯熄灭。再将铁芯插回，灯又变亮。
将铁芯上部的一块逐渐拉开，灯变暗，再逐步推成闭合，灯变亮。
2.功率关系
理想变压器无能量损失，所以输入功率等于 功率。
3.频率关系
在原线圈中接上周期性变化的电流在副线圈中激发出 频率的交流电。
4.电压关系
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
如图所示变压器是由原线圈、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。
③实验器材
可变匝数的变压器(铁芯)、多用电表、220V交流电源、导线若干。
④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．改变副线圈的匝数用交流电压表测量输出电压。
U1=220V n1=1600匝
⑤进行实验并记录数据
结论：n1和U1一定时，U2和n2成正比，在误差允许范围内，我们看到表中的数据基本符合这个规律。
重点说明：
本节课，我们了解了变压器的基本结构，并构建了一个理想化模型：理想变压器。
在物理学中，突出问题的主要因素，忽略次要因素，建立理想化的物理模型，并将其作为研究对象，是一种经常采用的科学研究方法。
在建构理想变压器这个模型过程中，我们忽略了能量的耗散，推出了理想变压器规律：
①功率关系：P入= P出 ②频率关系：f 1 = f 2
③电压关系： SKIPIF 1 < 0 ④电流关系： SKIPIF 1 < 0
发现在误差允许范围内，它与实验数据是基本吻合的，可见这个理想模型建构是有其合理之处的。
在后面的学习中，大家也可以有意识的运用这种科学思维方法。
四、认识几种常见的变压器并了解其工作原理
自耦变压器：自耦变压器的原副线圈共用一个线圈
降压变压器 降压变压器
互感器：
电压互感器 电流互感器
电压互感器：使用时把原线圈与电路并联，原线圈匝数多于副线圈匝数
电流互感器使用时把原线圈与电路串联，原线圈匝数少于副线圈匝数
1．(多选)关于变压器的构造和工作原理，下列说法中正确的是( )
A．原、副线圈缠绕在一个闭合铁芯上，是为了减少磁场能的损失，有效地传送电能
B．铁芯不用整块金属做成，是为了防止将原、副线圈短路，造成危险
C．变压器不改变交变电流的频率，只改变电压大小
D．当原线圈接入大小不断变化的直流电时，副线圈也有电压输出
2．如图所示四个电路，能够实现升压的是( )
3．(多选)理想变压器原、副线圈两侧一定相同的物理量有( )
A．交变电流的频率 B．交变电流的功率
C．磁通量的变化率 D．交变电流的最大值
4．(多选)理想变压器正常工作时，原、副线圈中的电流为I1、I2，电压为U1、U2，功率为P1、P2，关于它们之间的关系，下列说法中正确的是( )
A．I1由I2决定 B．U2与负载有关
C．P1由P2决定 D．以上说法都不正确
5.图甲是线圈绕垂直于磁场的轴在匀强磁场中匀速转动时所产生的正弦交流电的图象,把该交流电加在图乙中变压器的A、B两端。已知理想变压器原线圈Ⅰ和副线圈Ⅱ的匝数之比为5∶1,交流电流表和交流电压表均为理想电表,电阻R=1 Ω,其他各处电阻均不计,以下说法正确的是( )
A.在t=0.1 s、0.5 s时,穿过线圈的磁通量最大
B.线圈转动的角速度为10π rad/s
C.电压表的示数为2 V
D.电流表的示数为0.50 A
6．如图所示,理想变压器的原、副线圈匝数之比n1∶n2=4∶1,原线圈回路中的电阻A与副线圈回路中的负载电阻B的阻值相等。a、b两端加一交流电压后,求两电阻消耗的电功率之比和两电阻两端的电压之比。
参考答案
1.【答案】 ACD
【解析】 闭合铁芯的导磁能力比真空或空气强得多，当原、副线圈绕在同一闭合铁芯上时，原线圈产生的磁场几乎全部沿铁芯通过副线圈，漏到空气中的磁场很少，因此可以有效地将原线圈中的电能传递到副线圈中，选项A正确。若用整块金属做铁芯，当通过它的磁通量发生变化时，就会在铁芯中产生感应电流，导致铁芯发热，烧坏变压器，同时大大降低了电能的传输效率，故选项B错误。对于正弦式交变电流，铁芯中磁通量的变化率正比于原线圈中电流的变化率，在副线圈中，感应电动势正比于磁通量的变化率，因此感应电动势的变化随着磁通量变化率的变化而变化，所以副线圈输出交变电流的频率等于输入交变电流的频率，所以选项C正确。由电磁感应定律知，只要输入原线圈的电流发生变化，穿过副线圈的磁通量就发生变化，在副线圈中就有感应电动势产生，故选项D正确。
2.【答案】 D
【解析】 变压器只能对交变电流变压，不能对直流变压，故A、B错误。由于电压与线圈匝数成正比，所以选项D能实现升压。
3.【答案】 ABC
【解析】 变压器可以改变交变电流的电压、电流，但不改变交变电流的频率、功率和磁通量的变化率。故选A、B、C。
4.【答案】 AC
【解析】 对理想变压器的电流关系可写成I1＝eq \f(n2,n1)I2，原线圈中的电流与副线圈中的电流成正比，所以原线圈中的电流由副线圈中的电流决定；功率关系为：负载用多少，原线圈端就输入多少，因此选项A、C正确。
5.【答案】：C
【解析】：根据题图甲可知,在t=0.1 s、0.5 s时,感应电动势最大,线圈平面和磁场方向平行,此时穿过线圈的磁通量为零,故A错误。根据题图甲可知线圈转动的周期为T=0.4 s,角速度为ω== rad/s=5π rad/s,故B错误。原线圈电压的有效值为U1= V=10 V,根据原、副线圈的电压与匝数关系U1∶U2=n1∶n2,解得U2==2 V,故C正确。副线圈的电流为I2== A=2 A,根据原、副线圈的电流与匝数关系I2∶I1=n1∶n2,解得I1=0.40 A,故D错误。
6．【答案】：
【解析】：变压器原、副线圈中的电流之比== 所以两电阻消耗的电功率之比==
两电阻两端的电压之比==。
实验次数
原线圈匝数n1（匝）
副线圈匝数n2（匝）
输入电压U1（V）
输出电压U2（V）
n1/ n2
1
220V
2
220V
3
220V
4
220V
5
220V
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，进一步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。
5.通过对实际问题的分析，掌握推导理想变压器原、副线圈中电流与匝数的关系的思路和方法，培养学科核心素养中的科学推理；
【重点】通过变压器的工作原理和理想变压器的变压规律，推导理想变压器原、副线圈电流与匝数的关系
【难点】通过变压器的工作原理和理想变压器的变压规律，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。
【课前自主学习】
一、知识前置
闭合铁芯：绝缘硅钢片叠合而成。
（2）原线圈(初级线圈)：与交流电源相连的线圈叫做 也叫初级线圈。其匝数用 表示。原线圈两端的电压叫变压器的 用U1表示。
（3）副线圈(次级线圈)：与负载相连的线圈叫做 也叫次级线圈。其匝数用 表示。副线圈两端的电压叫变压器的 用U2表示。
（4）升压变压器： ，降压变压器 ，自耦变压器
（5）实际中的变压器：线圈有电阻、铁芯内产生涡流、铁芯导磁过程存在“漏磁”等变压器在忽略漏磁、线圈电阻、其它损耗的情况下，称为 。理想变压器特点： （1）变压器铁芯内 ；（2）原、副线圈不计 ；（3）忽略铁芯产生的 。理想变压器没有能量损失，工作效率为100%。
二、新知学习
1.认识生活中常见的变压器。思考这些变压器是如何实现交流电电压的变化？
发电站大型变压器 小型变压器 高压输电中的变压器
2.思考生活中为什么要用到这些变压器
在日常生活中，我们也经常有改变电压的需求。比如：家庭电路电压为220V，而我们手机的充电电压通常是5V左右，有些电动车的充电电压是48V，老式电视机的显像管需要一万多伏的高电压，给电子加速。
3.了解变压器的组成：
可拆变压器的零部件 组装后的变压器
4.思考：变压器原副线圈不相通，那么给原线圈接交变电源，副线圈链接一个小灯泡，通电后，小灯泡会发光吗，为什么？
答： ，原因：
这涉及变压器的工作原理
我们可以回忆一下，在初学电磁感应时，我们做过一个“探究感应电流产生条件”的实验。两个线圈也不在同一个回路中，当原线圈电流发生变化时，产生变化的磁场，副线圈中磁通量发生变化，产生感应电流。
在这些实验中，两个线圈之间是相互影响的，这就我们学习过的互感现象。
变压器与这个情境相类似，本质上也是电磁感应现象，是一个互感过程。
从能量转化的角度来看，是原线圈处电场能转化成了磁场能，副线圈处磁场能又转化为电场能，实现了能量的转换和传递。
简化图
5.互感现象
变压器能输送电能是利用了电磁感应。在原线圈上由变化的电流激发了一个变化的磁场，即电场的能量转变成磁场的能量；通过铁芯使这个变化的磁场几乎全部穿过了副线圈，于是在副线圈上产生了感应电流，磁场的能量转化成了电场的能量
三、实验探究变压器规律：
1.铁芯的作用：
如图，将变压器两线圈上下叠放，插入铁芯，原线圈接交流电，副线圈接一额定电压为3V灯泡，灯泡发光。将铁芯逐渐抽出，灯逐渐变暗。接近全部抽出时，灯熄灭。再将铁芯插回，灯又变亮。
将铁芯上部的一块逐渐拉开，灯变暗，再逐步推成闭合，灯变亮。
2.功率关系
理想变压器无能量损失，所以输入功率等于 功率。
3.频率关系
在原线圈中接上周期性变化的电流在副线圈中激发出 频率的交流电。
4.电压关系
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
如图所示变压器是由原线圈、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。
③实验器材
可变匝数的变压器(铁芯)、多用电表、220V交流电源、导线若干。
④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．改变副线圈的匝数用交流电压表测量输出电压。
U1=220V n1=1600匝
⑤进行实验并记录数据
结论：n1和U1一定时，U2和n2成正比，在误差允许范围内，我们看到表中的数据基本符合这个规律。
重点说明：
本节课，我们了解了变压器的基本结构，并构建了一个理想化模型：理想变压器。
在物理学中，突出问题的主要因素，忽略次要因素，建立理想化的物理模型，并将其作为研究对象，是一种经常采用的科学研究方法。
在建构理想变压器这个模型过程中，我们忽略了能量的耗散，推出了理想变压器规律：
①功率关系：P入= P出 ②频率关系：f 1 = f 2
③电压关系： SKIPIF 1 < 0 ④电流关系： SKIPIF 1 < 0
发现在误差允许范围内，它与实验数据是基本吻合的，可见这个理想模型建构是有其合理之处的。
在后面的学习中，大家也可以有意识的运用这种科学思维方法。
四、认识几种常见的变压器并了解其工作原理
自耦变压器：自耦变压器的原副线圈共用一个线圈
降压变压器 降压变压器
互感器：
电压互感器 电流互感器
电压互感器：使用时把原线圈与电路并联，原线圈匝数多于副线圈匝数
电流互感器使用时把原线圈与电路串联，原线圈匝数少于副线圈匝数
1．(多选)关于变压器的构造和工作原理，下列说法中正确的是( )
A．原、副线圈缠绕在一个闭合铁芯上，是为了减少磁场能的损失，有效地传送电能
B．铁芯不用整块金属做成，是为了防止将原、副线圈短路，造成危险
C．变压器不改变交变电流的频率，只改变电压大小
D．当原线圈接入大小不断变化的直流电时，副线圈也有电压输出
2．如图所示四个电路，能够实现升压的是( )
3．(多选)理想变压器原、副线圈两侧一定相同的物理量有( )
A．交变电流的频率 B．交变电流的功率
C．磁通量的变化率 D．交变电流的最大值
4．(多选)理想变压器正常工作时，原、副线圈中的电流为I1、I2，电压为U1、U2，功率为P1、P2，关于它们之间的关系，下列说法中正确的是( )
A．I1由I2决定 B．U2与负载有关
C．P1由P2决定 D．以上说法都不正确
5.图甲是线圈绕垂直于磁场的轴在匀强磁场中匀速转动时所产生的正弦交流电的图象,把该交流电加在图乙中变压器的A、B两端。已知理想变压器原线圈Ⅰ和副线圈Ⅱ的匝数之比为5∶1,交流电流表和交流电压表均为理想电表,电阻R=1 Ω,其他各处电阻均不计,以下说法正确的是( )
A.在t=0.1 s、0.5 s时,穿过线圈的磁通量最大
B.线圈转动的角速度为10π rad/s
C.电压表的示数为2 V
D.电流表的示数为0.50 A
6．如图所示,理想变压器的原、副线圈匝数之比n1∶n2=4∶1,原线圈回路中的电阻A与副线圈回路中的负载电阻B的阻值相等。a、b两端加一交流电压后,求两电阻消耗的电功率之比和两电阻两端的电压之比。
参考答案
1.【答案】 ACD
【解析】 闭合铁芯的导磁能力比真空或空气强得多，当原、副线圈绕在同一闭合铁芯上时，原线圈产生的磁场几乎全部沿铁芯通过副线圈，漏到空气中的磁场很少，因此可以有效地将原线圈中的电能传递到副线圈中，选项A正确。若用整块金属做铁芯，当通过它的磁通量发生变化时，就会在铁芯中产生感应电流，导致铁芯发热，烧坏变压器，同时大大降低了电能的传输效率，故选项B错误。对于正弦式交变电流，铁芯中磁通量的变化率正比于原线圈中电流的变化率，在副线圈中，感应电动势正比于磁通量的变化率，因此感应电动势的变化随着磁通量变化率的变化而变化，所以副线圈输出交变电流的频率等于输入交变电流的频率，所以选项C正确。由电磁感应定律知，只要输入原线圈的电流发生变化，穿过副线圈的磁通量就发生变化，在副线圈中就有感应电动势产生，故选项D正确。
2.【答案】 D
【解析】 变压器只能对交变电流变压，不能对直流变压，故A、B错误。由于电压与线圈匝数成正比，所以选项D能实现升压。
3.【答案】 ABC
【解析】 变压器可以改变交变电流的电压、电流，但不改变交变电流的频率、功率和磁通量的变化率。故选A、B、C。
4.【答案】 AC
【解析】 对理想变压器的电流关系可写成I1＝eq \f(n2,n1)I2，原线圈中的电流与副线圈中的电流成正比，所以原线圈中的电流由副线圈中的电流决定；功率关系为：负载用多少，原线圈端就输入多少，因此选项A、C正确。
5.【答案】：C
【解析】：根据题图甲可知,在t=0.1 s、0.5 s时,感应电动势最大,线圈平面和磁场方向平行,此时穿过线圈的磁通量为零,故A错误。根据题图甲可知线圈转动的周期为T=0.4 s,角速度为ω== rad/s=5π rad/s,故B错误。原线圈电压的有效值为U1= V=10 V,根据原、副线圈的电压与匝数关系U1∶U2=n1∶n2,解得U2==2 V,故C正确。副线圈的电流为I2== A=2 A,根据原、副线圈的电流与匝数关系I2∶I1=n1∶n2,解得I1=0.40 A,故D错误。
6．【答案】：
【解析】：变压器原、副线圈中的电流之比== 所以两电阻消耗的电功率之比==
两电阻两端的电压之比==。
实验次数
原线圈匝数n1（匝）
副线圈匝数n2（匝）
输入电压U1（V）
输出电压U2（V）
n1/ n2
1
220V
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220V
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220V
4
220V
5
220V
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