高中物理人教版 (新课标)选修34 变压器教学设计

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5.4 变压器【教学目标】（一）知识与技能1．知道变压器的构造，了解变压器的工作原理。2．理解理想变压器原、副线圈中电压与匝数的关系，能应用它分析解决有关问题。（二）过程与方法在探究变压比和匝数比的关系中培养学生运用物理理想化模型分析问题、解决问题的能力。（三）情感、态度与价值观1．使学生体会到能量守恒定律是普遍适用的。2．培养学生实事求是的科学态度。【教学重点】探究变压比和匝数比的关系。【教学难点】探究变压比和匝数比的关系。【教学方法】实验探究法、阅读法、讲解法。【教学工具】学生电源、可拆变压器、交流电压表、交流电流表、灯泡【教学过程】（一）引入新课师：在实际应用中，常常需要改变交流的电压.大型发电机发出的交流，电压有几万伏，而远距离输电却需要高达几十万伏的电压。各种用电设备所需的电压也各不相同。电灯、电饭煲、洗衣机等家用电器需要220 V的电压，机床上的照明灯需要36 V的安全电压。一般半导体收音机的电源电压不超过10 V，而电视机显像管却需要10000 V以上的高电压。交流便于改变电压，以适应各种不同需要。变压器就是改变交流电压的设备。这节课我们学习变压器的有关知识。［板书课题］变压器（二）进行新课1．变压器的原理思考与讨论：(见教材图5.4-1)师：按上图所示连接好电路，接通电源，观察灯泡是否发光。生：灯泡亮了。师：两个线圈并没有直接接触，灯泡为什么亮了呢？这个实验说明了什么？生1：当一个线圈中同交变电流时，变化的电流产生变化的磁场，变化的磁场在另一个线圈中激起感生电场，从而产生感生电动势，灯泡中有了感应电流，故灯泡发光。生2：实验说明，通过互感现象，电源的能量可以从一个线圈传输给另一个线圈。师：变压器就是由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈构成的。一个线圈跟电源连接，叫原线圈（初级线圈），另一个线圈跟负载连接，叫副线圈（次级线圈）。两个线圈都是绝缘导线绕制成的。铁芯由涂有绝缘漆的硅钢片叠合而成。师：画出变压器的结构示意图和符号，如下图所示：互感现象时变压器工作的基础。在原线圈上加交变电压U1，原线圈中就有交变电流，它在铁芯中产生交变的磁通量。这个交变磁通量既穿过原线圈，也穿过副线圈，在原、副线圈中都要引起感应电动势。如副线圈是闭合的，在副线圈中就产生交变电流，它也在铁芯中产生交变的磁通量，在原、副线圈中同样引起感应电动势。副线圈两端的电压就是这样产生的。所以，两个线圈并没有直接接触，通过互感现象，副线圈也能够输出电流。师：在输入电压一定时，原线圈、副线圈取不同的匝数，副线圈输出的电压也不一样，变压器由此得名。那么，变压器线圈两端的电压与匝数有何关系呢？下面我们通过实验来探究。实验：目的：探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系器材：可拆变压器，学生电源，多用电表，导线若干实验步骤：（1）按图示电路连接电路（2）原线圈接低压交流电源6V，保持原线圈匝数n1不变，分别取副线圈匝数n2=n1，n1，2 n1，用多用电表交流电压档分别测出副线圈两端的电压，记入表格。（3）原线圈接低压交流电源6V，保持副线圈匝数n2不变，分别取原线圈匝数n1=n2，n2，2 n2，用多用电表交流电压档分别测出副线圈两端的电压，记入表格。U1＝6V（4）总结实验现象，得出结论。注意事项：（1）连接好电路后，同组同学分别独立检查，然后由老师确认，电路连接无误才能接通电源。（2）注意人身安全。只能用低压交流电源，电源电压不能超过12V（3）使用多用电表交流电压档测电压时，先用最大量程测试，然后再用适当的挡位进行测量。2．电压与匝数的关系师：从实验中可以发现什么规律？生：原、副线圈两端的电压之比等于两个线圈的匝数之比。师：写出数学表达式。生：师：电流通过变压器线圈是会发热，铁芯在交变磁场的作用下也会发热。所以，变压器工作时存在能量损失。没有能量损失的变压器叫做理想变压器。，只适用于理想变压器。实际上变压器的工作效率都很高，在一般的计算中，可以把实际变压器视为理想变压器。师：理想变压器原线圈的输入功率与副线圈的输出功率有什么关系？生：因为理想变压器没有能量损失，所以P出=P入师：若理想变压器只有一个副线圈，则原副线圈中的电流I1与I2有什么关系？生：据P出=U2I2，P入=U1I1及P出=P入得：U2I2=U1I1则：师：上式是理想变压器只有一个副线圈时，原副线圈中的电流比公式。如果副线圈的电压高于原线圈的电压，这样的变压器叫升压变压器；如果副线圈的电压低于原线圈的电压，这样的变压器叫降压变压器。那么两种变压器的匝数关系如何？生：升压变压器，n2＞n1，降压变压器，n2＜n1。师：两种变压器原副线圈电流的大小关系如何？生：升压变压器，I2I1。师：在绕制升压变压器原副线圈时，副线圈导线应比原线圈导线粗一些好，还是细一些好？降压变压器呢？生：因为升压变压器，I2I1，所以副线圈导线要比原线圈导线粗一些。师：课后请大家阅读教材47页“科学漫步”，了解互感器的工作原理和应用。（三）课堂总结、点评本节课主要学习了以下内容：1．变压器主要由铁芯和线圈组成。2．变压器可改变交变电的电压和电流，利用了原副线圈的互感现象。3．理想变压器：没有能量损失的变压器，是理想化模型。有P输出=P输入 （四）实例探究1、理想变压器基本规律【例1】一个正常工作的理想变压器的原副线圈中，下列的哪个物理量不一定相等 （ ）A．交流的频率 B．电流的有效值C．电功率 D．磁通量变化率解析：变压器可以改变原副线圈中的电流，因此原副线圈中的电流不一定有相同有效值，所以选B.由于穿过原线圈的磁通量全部穿过副线圈，因而原副线圈的磁通量变化率相同，D错.变压器的工作基础是电磁感应，副线圈中感应的交流频率与原线圈交流频率是相同的，A错.理想变压器原线圈输入功率等于副线圈输出功率，因此C错.答案：B点评：变压器工作时，原副线圈电压和电流不一定相同，但对理想变压器来说，原副线圈一定相同的量有（1）电功率，（2）磁通量变化率，（3）交流的频率2、理想变压器的综合应用【例2】如图所示为一理想变压器，K为单刀双掷开关，P为滑动变阻器的滑动触头，U1为加在原线圈两端的电压，I1为原线圈中的电流，则 （ ）A．保持U1及P的位置不变，K由a合到b时，I1将增大B．保持U1及P的位置不变，K由b合到a时，R消耗功率减小C．保持U1不变，K合在a处，使P上滑，I1将增大D．保持P的位置不变，K合在a处，若U1增大，I1将增大解析：K由a合到b时，n1变小，而得I1=I2由I2=，U2=U1所以I1=··U1，n2和R不变，n1减小时I1增大，所以A对。K由b合到a时，P2=，而U2=U1，所以P2=·.U1、n2和R不变，n1增大时P2减小，所以B对。P上滑时，R增大，由前I1=·，U1、n1和n2不变，R增大时，I1减小，所以C错。U1增大时，由前I1=·，n1、n2和R不变，U1增大时，I1增大，所以D对。所以应选A、B、D。答案：ABD点评：处理这类问题的关键是要分清变量与不变量，弄清理想变压器中各量间的联系和制约关系，在理想变压器中，U2由U1和匝数比决定；I2由U2和负载电阻决定；I1由I2和匝数比决定【例3】如图所示，接于理想变压器的四个灯泡规格相同，且全部正常发光，求三个线圈的匝数比n1∶n2∶n3.解析：由于四个规格相同的灯泡都正常发光，所以三个线圈中的电流均相同，即I1=I2=I3=I.设n1、n2、n3三个线圈两端的电压分别为：U1、U2、U3，接在原线圈中灯泡两端的电压为U0，则有：U0=U3=，所以，，即设电源电压为U，则有U=U0+U1根据理想变压器输入功率等于输出功率，则有：UI=U0I+U2I+U3I，即UI=4U3I所以U=4U3，U1=U-U0=3U3即，即因此三个线圈的匝数比n1∶n2∶n3=3∶2∶1.点评：对理想变压器来说，变压公式和输入功率等于输出功率是普遍适用的规律，对于有几个副线圈的理想变压器，电流公式就不能使用了。（五）巩固练习1．理想变压器的原线圈的匝数为110匝，副线圈匝数为660匝，若原线圈接在6 V的电池上，则副线圈两端电压为 （ ）A.36 V B.6 V C.1 V D.0 V解析：因为电池是稳恒直流电源。答案：D点评：从变压器的工作原理入手思考。2．当理想变压器副线圈空载时，副线圈的 （ ）A.负载电阻为0 B.输出电流为0C.两端电压为0 D.输出功率为0答案：BD点评：空载相当于负载电阻无穷大3．理想变压器原、副线圈的电流为I1、I2，电压为U1、U2，功率为P1、P2，关于它们的关系，正确的是 （ ）A.I2由I1决定 B.U2与负载有关C.P1由P2决定 D.U1由U2决定解析：变压器工作时，原线圈接在电源上，对理想变压器来说，原线圈电压U1总等于电源电压，即U1是由电源电压决定，由U2=U1知，对于一定变压器来说一定，U2是由U1决定，当U1一定时，U2是由决定，即U2与负载无关，即B和D错。由I1=U1知，U1和确定时，U2是确定的，而I2=，R为负载电阻，R变化时，I2发生变化，从而引起I1发生变化，因此I1由I2决定，所以A错.负载电阻变化，会引起副线圈电流变化，从而引起输出功率P2变化，P2变化又会引起P1的变化，即P1是由P2决定的，所以正确答案是C.答案：C点评：对于一定的变压器来说，U2由U1决定，I1由I2决定，P1由P2决定4．一台理想变压器原、副线圈匝数比为22∶1，当原线圈两端输入u1=220sin314t V的交变电压时，下列说法正确的是 （ ）A.]副线圈两端电压为12 VB.副线圈接一10 Ω电阻时，原线圈中的电流为1 AC.副线圈接一10 Ω电阻时，原线圈中输入功率为10 WD.变压器铁芯中磁通量变化率的最大值是220 V解析：原线圈两端的电压为U1=220 V，由变压器的变压比=得副线圈两端电压为U2=10 V，副线圈接一10 Ω电阻，副线圈中电流I2=1 A，电功率P2=U2I2=10 W，原线圈输入功率也为10 W；由变压器的变流比得I1= A，铁芯中磁通量的变化率最大值为，由于具体的匝数未知，所以磁通量变化率的最大值未知.所以正确答案是C.答案：C点评：利用理想变压器的关系 求解5．一理想变压器原线圈接交流、副线圈接电阻，下列哪些方法可使输入功率增加为原来的2倍 （ ）A.次级线圈的匝数增加为原来的2倍B.初级线圈的匝数增加为原来的2倍C.负载电阻变为原来的2倍D.副线圈匝数和负载电阻均变为原来的2倍解析：变压器的输入功率由输出功率决定，即P入=P出，输出功率P出=，U增大为原来的2倍，负载电阻也变为原来的2倍时，P出为原来2倍。答案：D点评：输入功率由输出功率决定6．用理想变压器给负载R供电，下列哪些办法可以减小变压器原线圈中的电流 （ ）A．增加原线圈的匝数 B．增加副线圈的匝数C．减小负载电阻R的数值 D．增加负载电阻R的数值解析：根据，P入=P出，即I1U1=I2U2，I2=得变压器原线圈中的电流I1=，即输入电流与n1、n2、U1、R都有关系，U1不变，要减小I1，需增大R的阻值，或增加原线圈匝数n1，或减小副线圈匝数n2.答案：AD点评：原线圈中电流由输出电流决定7．在图所示的电路中，理想变压器的变压比为2∶1，四个灯泡完全相同，若已知灯泡L3和L4恰能正常工作，那么 （ ）A. L1和L2都能正常工作 B.L1和L2都不能正常工作C.L1和L2中只有一个能正常工作 D.条件不足，无法判断解析：根据电流与线圈匝数的关系进行分析，由于副线圈两端并联着两个相同的灯泡L3、L4，每个灯泡正常工作时的实际电流都等于额定电流，因此副线圈 中的电流等于一个灯泡额定电流的两倍；根据原、副线圈的电流与匝数成反比，可知原线圈中的电流等于副线圈中电流的二分之一，即恰好等于灯泡L1、L2的额定电流，从而判定：L1、L2都能正常发光.答案：A点评：由电流和线圈匝数的关系分析。8．如图所示，理想变压器的原、副线圈分别接有相同的白炽灯，原、副线圈的匝数比为n1∶n2=2∶1，电源电压为U，求B灯两端的电压UB为多少?解析：由串联电路分压原理可知U=UA+U1 ①由变压器原理可知：U1∶U2=2∶1 ②I1∶I2=1∶2 ③由欧姆定律可知：UA=I1R ④UB=I2R ⑤联立①~⑤式，得UB=U点评：原线圈上串有灯泡，灯泡与原线圈上电压的分配遵循串联电路的分压原理。9．如图中所示，理想变压器B的原线圈跟副线圈的匝数比 n1∶n2=2∶1，交流电源电压U1=220 V，F为熔断电流为I0=1.0 A的保险丝，负载为一可变电阻.（1）当电阻R=100 Ω时，保险丝能否被熔断?（2）要使保险丝不被熔断，电阻R的阻值应不小于多少?变压器输出的电功率不能超过多少?解析：由得副线圈两端的电压U2=U1=×220 V=110 V（1）当R=100 Ω时，副线圈中电流I2= A=1.10 A由U1I1=U2I2得原线圈中的电流为I1=I2=×1.10 A=0.55 A由于I1＜I0（熔断电流），故保险丝不会熔断.（2）设电阻R取某一值R0时，原线圈中的电流I1刚好到达熔断电流I0，即I1=0.1 A，则副线圈中的电流为I2=·I1=2×1.0 A=2.0 A变阻器阻值为：R0= Ω=55 Ω此时变压器的输出功率为P2=I2·U2=2.0×110 W=220 W可见，要使保险丝F不被熔断，电阻R的阻值不能小于55 Ω，输出的电功率不能大于220 W点评：当保险丝中电流是I0时，负载电阻应为允许最小的值。（六）课余作业书面完成P48“问题与练习”第2、3、5题；思考并回答第1、4题。实验次数123456原线圈匝数n1n1n1n1n2n2n2副线圈匝数n2n1n12 n1n2n22 n2副线圈输出电压U2结论