2024年高考物理复习第一轮：创新实验课(14)　探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系

实验基础知识

一、实验基本技能

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)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．

(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．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、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，则应选择交流电压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．

(5)改变线圈匝数，重新测量输入、输出端电压 .

二、规律方法总结

1．数据处理

(1)分析实验数据记录表：

(2)实验结果分析及结论得出：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：＝.

2．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(铜损)，造成误差．

(3)铁芯中有磁损耗，产生涡流造成误差．

3．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源，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．

命题点一　实验原理与操作

　(2021·北京西城质检)物理研究课上，同学们用可拆变压器“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”．可拆变压器如图甲、乙所示：

(1)下列说法正确的是__________；

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．变压器的原线圈接低压交流电源，测量副线圈电压时应当用多用电表的“直流电压挡”

C．可以先保持原线圈电压、匝数不变，改变副线圈的匝数，研究副线圈匝数对副线圈电压的影响

D．测量副线圈电压时，先用最大量程试测，大致确定电压后再选用适当的挡位进行测量

E．变压器开始正常工作后，铁芯导电，把电能由原线圈输送到副线圈

F．变压器开始正常工作后，若不计各种损耗，在原线圈上将电能转化成磁场能，在副线圈上将磁场能转化成电能，铁芯起到“传递”磁场能的作用

(2)如图丙所示，某同学自己绕制了两个线圈套在可拆变压器的铁芯上．原线圈接学生电源的交流输出端，副线圈接小灯泡．下列说法正确的是__________．

A．与变压器未通电时相比较，此时若将可拆变压器上端的横条铁芯取下将更费力

B．若仅增加原线圈绕制的圈数，小灯泡的亮度将保持不变

C．若仅增加副线圈绕制的圈数，学生电源的过载指示灯可能会亮起

解析：(1)为确保实验安全，实验中要求副线圈匝数小于原线圈匝数，使得次级电压较小，故A错误；变压器的原线圈接低压交流电源，测量副线圈电压时应当用多用电表的“交流电压挡”测量，故B错误；实验时可采用控制变量法，先保持原线圈电压、匝数不变，改变副线圈的匝数，研究副线圈匝数对副线圈电压的影响，故C正确；测量副线圈电压时，先用最大量程试测，大致确定电压后再选用适当的挡位进行测量，防止烧坏电压表，故D正确；变压器开始正常工作后，若不计各种损耗，在原线圈上将电能转化成磁场能，在副线圈上将磁场能转化成电能，铁芯起到“传递”磁场能的作用，故E错误，F正确．故选CDF.

(2)变压器线圈通电会产生磁场，而变压器上端的横条相当于磁铁，下端对横条有吸引力作用，因此与变压器未通电时相比较，此时若将可拆变压器上端的横条铁芯取下将更费力，故A正确；仅增加原线圈匝数，副线圈两端电压将减小，小灯泡亮度将变暗，故B错误；若仅增加副线圈绕制的圈数，副线圈两端电压增大，小灯泡消耗的功率变大，学生电源输出的功率变大，有可能会使学生电源的过载指示灯亮起，故C正确．

答案：(1)CDF　(2)AC

[对点演练]

1．有一个教学用的可拆变压器，如图甲所示，它有两个外观基本相同的线圈A、B，线圈外部还可以绕线．

(1)某同学用一多用电表的同一欧姆挡先后测量了A、B线圈的电阻值，指针分别对应图乙中的a、b位置，由此可推断________线圈的匝数较多(选填“A”或“B”)．

(2)如果把它看成理想变压器，现要测定A线圈的匝数，提供的器材有：一根足够长的绝缘导线、一只多用电表和低压交流电源，请简要叙述实验的步骤(写出要测的物理量，并用字母表示)．

解析：(1)欧姆表示数等于指针示数与挡位的乘积，用同一挡位测电阻，指针偏角越大，所测电阻阻值越小，指针偏角越小，电阻阻值越大，由题图所示可知，a位置指针偏角小，线圈A的电阻大，线圈A的匝数较多．

(2)实验步骤：

①用长导线绕一个n匝线圈，作为副线圈替代A线圈；

②把低压交流电源接B线圈，测得线圈的输出电压为U；

③用A线圈换下绕制的线圈测得A线圈的输出电压为UA，由＝可得线圈A的匝数nA＝n.

答案：(1)A　(2)见解析

命题点二　数据处理与误差分析

　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．你觉得正确的接法是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．

(3)为了进一步探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系，他又取匝数na＝80匝和nb＝160匝的一个变压器重新接在电源上，测量结果记录如下，则接电源的是______(选填“na”或“nb”)．

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端接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．

(3)理想变压器忽略变压器的损耗，但是一些小型的变压器却不能忽略这些损耗，考虑到这些因素，变压器副线圈两端的电压要小于理论值，结合表格中的数据可知接电源的应该是匝数多的线圈，所以接电源的是nb.

答案：(1)6 V　(2)11 000　(3)nb

[对点演练]

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：

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．

(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n1＝1600，n2＝400，当将n1做原线圈时，U1＝16 V，副线圈两端电压U2＝4 V；原线圈与副线圈对调后，当U1′＝8 V时，U2′＝32 V，那么可初步确定，变压器两个线圈的电压U1、U2与线圈匝数n1、n2的关系是________．

解析：(1)在“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学生电源的交流电源输出端上，另一个作为副线圈，连上小灯泡；闭合电源开关，用多用电压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n1＝1600，n2＝400，当将n1做原线圈时，U1＝16 V，副线圈两端电压U2＝4 V；当原线圈与副线圈对调后，U1′＝8 V时，U2′＝32 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)＝

3．(2021·东营质检)在“探究变压器原、副线圈电压与匝数关系”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)多用表刻度盘上交流电压的刻度是______(选填“均匀”或“不均匀”)的．

(3)某实验小组通过实验，记录的数据如下表：

通过分析实验数据可得出的实验结论是_______________________.

(4)一次实验中，变压器原、副线圈的匝数分别为400匝和200匝，测得的电压分别为8.00 V和3.90 V，据此可知电压比与匝数比并不相等，主要原因是_________(至少说出两个原因)．

解析：(1)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错误；实验通电时，不可用手接触裸露的导线、接线柱等检查电路，防止发生触电，故C错误；连接好电路，需经检查后才可接通电源，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D正确．

(2)由多用电表的表盘可知，多用电表刻度盘上交流电压的刻度是不均匀的．

(3)通过分析实验数据可得出的实验结论是，在误差允许范围内，变压器原、副线圈的电压比等于匝数比．

(4)电压比与匝数比并不相等，主要原因是变压器是不理想的，有漏磁、铁芯发热、导线发热等影响输出电压．

答案：(1)D　(2)不均匀　(3)在误差允许范围内，变压器原、副线圈的电压比等于匝数比　(4)有漏磁、铁芯发热、导线发热等影响输出电压