第3章交變電流

第3節(jié)變壓器

本節(jié)課程是學(xué)生在了解知道變壓器的工作原理和理想變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系，會

用能量的觀點理解變壓器的工作原理。知道理想變壓器是忽略了能量損失的一種理想模型，進一步

體會建立理想模型這種思維方法。經(jīng)歷探究變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系的過程，進一步提

高科學(xué)探究的能力。在實驗中要養(yǎng)成避免觸電和安全使用電表的習(xí)慣，養(yǎng)成尊重實驗數(shù)據(jù)的嚴(yán)謹(jǐn)科

學(xué)態(tài)度。

【物理觀念】知道變壓器的工作原理和理想變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系，會用能量的觀點

理解變壓器的工作原理。

【科學(xué)思維】知道理想變壓器是忽略了能量損失的一種理想模型，進一步體會建立理想模型這種思

維方法。

【科學(xué)探究】經(jīng)歷探究變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系的過程，進一步提高科學(xué)探究的能力。

通過對實際問題的分析，掌握推導(dǎo)理想變壓器原、副線圈中電流與匝數(shù)的關(guān)系的思路和方法，培養(yǎng)

學(xué)科核心素養(yǎng)中的科學(xué)推理。

【科學(xué)態(tài)度與責(zé)任】在實驗中要養(yǎng)成避免觸電和安全使用電表的習(xí)慣，養(yǎng)成尊重實驗數(shù)據(jù)的嚴(yán)謹(jǐn)科

學(xué)態(tài)度。通過對自耦變壓器、電壓互感器、電流互感器的工作原理、裝置特點、接入電路特點及其

作用的分析，深刻理解與運用理想變壓器的相關(guān)知識，體會科學(xué)、技術(shù)、社會三者的關(guān)系，逐步形

成良好的科學(xué)態(tài)度。

【教學(xué)重點】變壓器的工作原理和理想變壓器的變壓規(guī)律，會推導(dǎo)理想變壓器原、副線圈電流與匝

數(shù)的關(guān)系

【教學(xué)難點】通過所學(xué)知識分析自耦變壓器、電壓互感器、電流互感器的工作原理及接入電路特點。

一、【引入新課】

引導(dǎo)學(xué)生回憶

一、周期和頻率

二、峰值和有效值

三、正弦式交變電流的公式和圖像

四、電感器和電容器對交變電流的作用

二、【進行新課】

1.引導(dǎo)學(xué)生觀察圖表思考問題

我們國家民用統(tǒng)一供電均為220V，那么如何使這些額定電壓不是220V的電器設(shè)備正常工作的呢？

用電器額定工作電壓用電器額定工作電壓

隨身聽3V機床上的照明燈36V

掃描儀12V防身器3000V

手機充電器4.2V4.4V5.3V黑白電視機顯像管幾萬伏

錄音機6V9V12V彩色電視機顯像管十幾萬伏

2.引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識常見變壓器并了解變壓器的構(gòu)造

發(fā)電站大型變壓器小型變壓器高壓輸電中的變壓器

變壓器的構(gòu)造：

閉合鐵芯：絕緣硅鋼片疊合而成

原線圈(初級線圈)：與交流電源相連的線圈叫做原線圈也叫初級線圈

副線圈(次級線圈)：與負(fù)載相連的線圈叫做副線圈也叫次級線圈

(1)原線圈(初級線圈)其匝數(shù)用n1表示原線圈兩端的電壓叫變壓器的輸入電壓U1

(2)副線圈(次級線圈)其匝數(shù)用n2表示副線圈兩端的電壓叫變壓器的輸出電壓U2

3.提出問題引導(dǎo)學(xué)生邊觀察邊思考：我們發(fā)現(xiàn)變壓器原副線圈不相通，那么給原線圈接直變電源，

副線圈接一個小燈泡，通電后，小燈泡會發(fā)光嗎，為什么？如果將原線圈改接為交流電源，小燈泡

會發(fā)光嗎？

答：，原因：

老師陳述：這涉及變壓器的工作原理

我們可以回憶一下，在初學(xué)電磁感應(yīng)時，我們做過一個“探究感應(yīng)電流產(chǎn)生條件”的實驗。兩個線

圈也不在同一個回路中，當(dāng)原線圈電流發(fā)生變化時，產(chǎn)生變化的磁場，副線圈中磁通量發(fā)生變化，

產(chǎn)生感應(yīng)電流。

在這些實驗中，兩個線圈之間是相互影響的，這就我們學(xué)習(xí)過的互感現(xiàn)象。

變壓器與這個情境相類似，本質(zhì)上也是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，是一個互感過程。

從能量轉(zhuǎn)化的角度來看，是原線圈處電場能轉(zhuǎn)化成了磁場能，副線圈處磁場能又轉(zhuǎn)化為電場能，實

現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)換和傳遞。

簡化圖

4.引入互感現(xiàn)象中的能量傳輸關(guān)系

變壓器能輸送電能是利用了電磁感應(yīng)。在原線圈上由變化的電流激發(fā)了一個變化的磁場，即電

場的能量轉(zhuǎn)變成磁場的能量；通過鐵芯使這個變化的磁場幾乎全部穿過了副線圈，于是在副線圈上

產(chǎn)生了感應(yīng)電流，磁場的能量轉(zhuǎn)化成了電場的能量。

5.引出理想變壓器的定義

現(xiàn)實中的變壓器：

1．由于漏磁，通過原、副線圈的每一匝的磁通量不嚴(yán)格相等造成誤差。

2．原、副線圈有電阻，原、副線圈中的焦耳熱損耗(銅損)，造成誤差。

3．鐵芯中有磁損耗，產(chǎn)生渦流造成誤差。

理想變壓器：

我們把沒有能量損失的變壓器叫作理想變壓器。理想變壓器也是一個理想化模型。本章涉及的

習(xí)題不做特殊說明我們一般認(rèn)為是理想變壓器。

6.引入實驗并引導(dǎo)學(xué)生開始探究實驗

鐵芯的作用：

如圖，將變壓器兩線圈上下疊放，插入鐵芯，原線圈接交流電，副線圈接一額定電壓為3V燈泡，燈

泡發(fā)光。將鐵芯逐漸抽出，燈逐漸變暗。接近全部抽出時，燈熄滅。再將鐵芯插回，燈又變亮。

將鐵芯上部的一塊逐漸拉開，燈變暗，再逐步推成閉合，燈變亮。

師生總結(jié)：可見，閉合鐵芯可以將更多的磁感線限制在其內(nèi)，形成一個閉合的磁路。盡量減小磁場

能的散失。

功率關(guān)系

理想變壓器無能量損失，所以輸入功率等于輸出功率。

頻率關(guān)系

在原線圈中接上周期性變化的電流在副線圈中激發(fā)出相同頻率的交流電。

電壓關(guān)系

4.電壓關(guān)系

①實驗?zāi)康?/p>

探究變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系。

②實驗原理

如圖所示變壓器是由原線圈、副線圈和鐵芯組成的。電流通過原線圈時在鐵芯中產(chǎn)生磁場，由

于電流的大小、方向在不斷變化，鐵芯中的磁場也不斷變化，變化的磁場在副線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動

勢，副線圈就存在輸出電壓。

③實驗器材

可變匝數(shù)的變壓器(鐵芯)、多用電表、220V交流電源、導(dǎo)線若干。

④實驗步驟

1．要先估計被測電壓的大致范圍，再選擇恰當(dāng)?shù)牧砍蹋舨恢辣粶y電壓的大致范圍，則應(yīng)選擇交

流電的最大量程進行測量。

2．把兩個線圈穿在鐵芯上，閉合鐵芯。

3．改變副線圈的匝數(shù)用交流電壓表測量輸出電壓。

U1=220Vn1=1600匝

實驗次數(shù)原線圈匝數(shù)副線圈匝數(shù)n2輸入電壓輸出電壓n1/n2

n1（匝）（匝）U1（V）U2（V）

1220V

2220V

3220V

4220V

5220V

4.進行實驗并記錄數(shù)據(jù)

⑤注意事項

1．要事先推測副線圈兩端電壓的可能值。

2．通電時不要用手接觸裸露的導(dǎo)線、接線柱。

3．為了多用電表的安全，使用交流電壓擋測電壓時，先用最大量程擋測試，大致確定電壓后再選擇

適當(dāng)?shù)膿跷贿M行測量。

7.師生總結(jié)：誤差允許范圍內(nèi)：

Un

11

U2n2

誤差產(chǎn)生原因：能量在鐵芯及原副線圈處有損耗

引出升壓變壓器與降壓變壓器的概念：

n2>n1U2>U1——升壓變壓器

n2<n1U2<U1——降壓變壓器

老師說明：原副線圈的磁通量變化率相同

電流關(guān)系

理想變壓器輸入功率等于輸出功率

P入=P出即U1I1=U2I2

師生總結(jié)：理想變壓器原副線圈的電流跟它們的匝數(shù)成反比。

IUn

122

I2U1n1

老師強調(diào)：此公式只適用于一個副線圈的變壓器

8引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識幾種常見的變壓器并了解其工作原理

自耦變壓器：自耦變壓器的原副線圈共用一個線圈

降壓變壓器降壓變壓器

互感器：

電壓互感器電流互感器

電壓互感器：使用時把原線圈與電路并聯(lián)，原線圈匝數(shù)多于副線圈匝數(shù)

電流互感器使用時把原線圈與電路串聯(lián)，原線圈匝數(shù)少于副線圈匝數(shù)

9.科學(xué)漫步

對移動電話進行無線充電無線充電器中的接收線圈

基本工作原理：

在初級線圈輸入一定頻率的交流電，通過電磁感應(yīng)在次級線圈中產(chǎn)生一定的電流，從而將能

量從傳輸端轉(zhuǎn)移到接收端。

初級線圈裝在充電基座上，次級線圈裝在手機內(nèi)部，對于一個沒有無線充電功能的移動電話，

也可以通過在移動電話端連接一個無線充電接收器，將接收

器放在無線充電基座上來進行充電。

10.師生總結(jié)

變壓器原理：

利用互感現(xiàn)象實現(xiàn)電能到磁場能到電能的轉(zhuǎn)化和傳遞。

理想變壓器特點：

①變壓器鐵芯內(nèi)無漏磁

②原、副線圈不計內(nèi)阻

③忽略鐵芯產(chǎn)生的熱量

理想變壓器規(guī)律：

①功率關(guān)系：P入=P出②頻率關(guān)系：f1=f2

UnIn

③電壓關(guān)系：11④電流關(guān)系：12

U2n2I2n1

幾種常見變壓器

三、【課堂練習(xí)】

例1、如圖所示，P是電壓互感器，Q是電流互感器，如果兩個互感器的變壓比和變流比都是50，

電壓表的示數(shù)為220V，電流表的示數(shù)為3A，則輸電線路中的電壓和電流分別是()

【答案】A

【解析】：由兩個互感器的變壓比和變流比可知輸電線路中的電壓為U＝220×50V＝11000V，電流

為I＝3×50A＝150A，故A正確。

例2、如圖所示為一理想變壓器，其原、副線圈匝數(shù)之比n1∶n2＝4∶1，原線圈兩端連接光滑導(dǎo)軌，

副線圈與電阻R組成閉合電路。當(dāng)直導(dǎo)線MN在勻強磁場中沿導(dǎo)軌向左勻速切割磁感線時，電流表

A1的示數(shù)是10mA，那么電流表A2的示數(shù)是()

A．40mAB．0

C．10mAD．2.5mA

【答案】B

【解析】：當(dāng)導(dǎo)體棒在勻強磁場中向左做勻速直線運動切割磁感線時，回路中產(chǎn)生的是直流電而非

交流電，與副線圈不會形成互感現(xiàn)象。故副線圈中的感應(yīng)電流大小為0.

例3、（單選）如圖所示的電路中，變壓器為理想變壓器，a、b接在電壓有效值不變的交流電源兩

端，R0為定值電阻，R為滑動變阻器。現(xiàn)將變阻器的滑片從一個位置滑動到另一位置，觀察到電流

表A1的示數(shù)增大了0.2A，電流表A2的示數(shù)增大了0.8A，則下列說法正確的是()

A．電壓表V1示數(shù)增大

B．電壓表V2、V3示數(shù)均增大

C．該變壓器起升壓作用

D．變阻器滑片是沿c→d的方向滑動

【答案】D

【解析】：由于a、b接在電壓有效值不變的交流電源兩端，故電壓表V1示數(shù)不變，選項A錯誤；

U1n1

由理想變壓器原理公式＝且U1、n1、n2不變，則U2不變，即V2的示數(shù)不變，V3的示數(shù)U3＝U2

U2n2

I1n2n1ΔI20.8

－I2R0應(yīng)減小，故選項B錯誤；由公式＝得：＝＝＝4，則n1>n2，該變壓器起降壓作用，

I2n1n2ΔI10.2

U2

故C錯誤；又I2＝，I2增大，R應(yīng)減小，故滑片應(yīng)沿c→d方向滑動，故D正確。

R0＋R

例4、（單選）如圖所示，理想變壓器的原線圈接在u＝2202sin100πt(V)的交流電源上，副線圈接

有R＝55Ω的負(fù)載電阻，原、副線圈匝數(shù)之比為2∶1，電流表、電壓表均為理想電表。下列說法正

確的是()

A．原線圈的輸入功率為2202W

B．電流表的讀數(shù)為1A

C．電壓表的讀數(shù)為1102V

D．副線圈輸出交流電的周期為50s

【答案】B

U1n1n2U1

【解析】理想變壓器原線圈兩端電壓的有效值為U1＝220V，由＝得U2＝＝110V，即電壓