高考物理一轮复习第12章实验15探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系课时学案

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教材原型实验
实验原理与操作
[典例1] (2023·辽宁葫芦岛模拟)(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)。
(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，多用电表用直流电压挡
B．原线圈接直流电压，多用电表用交流电压挡
C．原线圈接12 V以下交流电压，多用电表用交流电压挡
D．原线圈接220 V交流电压，多用电表用交流电压挡
(3)实验前甲同学的猜想是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________。
[解析] (1)变压器的原理是互感现象，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，故直流电源不必用到，故选BC。
(2)原线圈接交流电压，为了安全，电源选用12 V以下交流电压，输出电压也是交流电压，故多用电表用交流电压挡，应选C。
(3)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。
[答案] (1)BC (2)C (3)见解析
数据处理与误差分析
[典例2] (2022·山东德州模拟)在“探究变压器原、副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n1＝120匝、n2＝240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。
(1)实验小组根据测得的数据在表格中算出U1、U2的比值，还有一组U1、U2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：在误差允许的范围内，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________(选填“升压”或“降压”)变压器。
[解析] (1)第三组数据为：eq \f(U1,U2)＝eq \f(7.8,15.2)≈eq \f(1,1.9)。
(2)线圈匝数之比eq \f(n1,n2)＝eq \f(120,240)＝eq \f(1,2)，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eq \f(U1,U2)＝eq \f(n1,n2)。
(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)1∶1.9 (2)eq \f(U1,U2)＝eq \f(n1,n2) (3)升压
拓展创新实验
实验器材创新
[典例3] 有一个教学用的可拆变压器，其铁芯粗细一致，如图所示，它有两个外观基本相同的线圈A、B(内部导线电阻率、横截面积相同)，线圈外部还可以再绕线圈。
(1)某同学用多用电表的同一欧姆挡先后测量了A、B线圈的电阻值，指针分别对应图中的a、b位置，则A线圈的电阻为________ Ω，由此可推断________(选填“A”或“B”)线圈的匝数较多。
(2)如果把该变压器看作理想变压器，现要测量A线圈的匝数，提供的器材有：一根足够长绝缘导线、一只多用电表和低压交流电源，请完成以下实验步骤：
①用绝缘导线在线圈B上绕制n匝线圈；
②将A线圈与低压交流电源相连接；
③用多用电表的“交流电压”挡分别测量A线圈的输入电压UA和________(选填“绕制”或“B”)线圈的输出电压U；
④则A线圈的匝数为________(用已知和测得量的符号表示)。
[解析] (1)多用电表欧姆挡读数＝指针指示值×倍率。A的读数为24，倍率为“×1”，所以电阻为24 Ω。根据电阻定律，导线越长，电阻越大，因为A的电阻比B大，所以A线圈匝数多。
(2)③因为要测量A线圈匝数，所以要把A线圈与低压交流电源相连接。变压器输入、输出电压都是交流电，所以要用交流电压挡测绕制线圈的输出电压U。
④根据变压器电压比等于匝数比，有eq \f(UA,U)＝eq \f(nA,n)，
所以nA＝eq \f(UA,U)n。
[答案] (1)24 A (2)绕制 eq \f(UA,U)n
本实验创新点在于根据变压器的原理，电压与匝数成正比，写出实验步骤，计算原线圈的匝数。
数据处理创新
[典例4] 小华同学做了探究变压器线圈两端的电压与匝数关系的实验，请回答以下问题：
(1)本实验中需要测量电压，则在如图所示的器材中，应________。
甲 乙
A．选甲图中的器材 B．选乙图中的器材
C．都可以选 D．都不能选
(2)小华在做本实验时，选择的原线圈为100匝，副线圈为200匝；他将原线圈接入学生电源中的交流电压“6 V”挡位，用合适的电表测量出副线圈的电压为13 V，则下列叙述可能符合实际情况的一项是________。
A．变压器的铁芯没有闭合
B．一定是电压的测量出了问题
C．副线圈实际匝数与标注的“200”不符，应该小于200匝
D．学生电源实际输出电压大于标注的“6 V”
(3)用匝数na＝100匝和nb＝200匝的变压器进行实验，实验测量数据如表，
根据测量数据可判断连接电源的线圈是________(选填“na”或“nb”)。
[解析] (1)由题图可知，甲图是多用电表，而乙图是电压表，实验需要测量交流电压，因此选用甲图，故A正确，B、C、D错误。
(2)根据理想变压器的原、副线圈的电压与其匝数关系式eq \f(U1,U2)＝eq \f(n1,n2)，若变压器的铁芯没有闭合，则得出副线圈的电压小于12 V，A错误；若是电压的测量出了问题，可能小于12 V，也可能大于12 V，B错误；副线圈实际匝数与标注的“200”不符，若小于200匝，由以上公式可知，副线圈的电压小于12 V，C错误；若学生电源实际输出电压大于标注的“6 V”，由以上公式可知，副线圈的电压可能为13 V，D正确。
(3)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)A (2)D (3)nb
本实验创新点在于：①根据已有电压数据判断器材问题；②根据已有匝数及电压数据判断所选线圈。
实验
序号
原线圈两端
的电压U1/V
副线圈两端
的电压U2/V
eq \f(U1,U2)
1
3.9
7.7
1∶2.0
2
5.9
11.6
1∶2.0
3
7.8
15.2
U1/V
1.60
2.50
3.70
4.60
U2/V
3.70
5.30
7.60
9.70