人教版(新教材)高中物理選擇性必修第二冊PAGEPAGE1第3節變壓器學習目標要求核心素養和關鍵能力1.了解變壓器的構造及幾種常見的變壓器，理解變壓器的工作原理。2.掌握理想變壓器的基本關系，并能用它解決相關問題。3.能夠利用閉合電路歐姆定律結合理想變壓器的基本關系對電路動態分析。1.核心素養(1)利用能量觀點分析變壓器的變壓過程。(2)知道理想變壓器是一種理想化物理模型。2.關鍵能力物理建模能力和分析推理能力。第1課時實驗：探究變壓器原、副線圈電壓與匝數的關系一、變壓器的原理1．構造：變壓器是由閉合鐵芯和繞在鐵芯上的兩個線圈組成的。2．原線圈：與交流電源連接的線圈叫原線圈，也叫初級線圈。副線圈：與負載連接的線圈叫副線圈，也叫次級線圈。3．工作原理：利用互感現象。〖想一想〗變壓器能改變恒定電流的電壓嗎？〖提*示〗變壓器的變壓原理是互感現象。若通過原線圈的電流為恒定電流，則在鐵芯中激發的磁場為恒定磁場，副線圈中無感應電動勢產生，因此變壓器不能改變恒定電流的電壓。二、實驗思路1．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生感應電動勢，副線圈就存在輸出電壓。2．本實驗通過與副線圈相連接的多用電表，觀察原線圈電壓變化時，副線圈的輸出電壓的變化；通過改變原、副線圈匝數，探究原、副線圈的電壓比與匝數比的關系。3．用控制變量法研究。三、實驗器材兩只多用電表、學生電源(低壓交流電源)、開關、可拆變壓器(如圖甲)、導線若干。四、實驗步驟1．按圖乙所示連接好電路，將兩個多用電表調到交流電壓擋，并記錄兩個線圈的匝數。2．接通學生電源，讀出電壓值，并記錄在表格中。3．保持匝數不變，多次改變輸入電壓，記錄每次改變后原、副線圈的電壓值。4．保持輸入電壓、原線圈的匝數不變，多次改變副線圈的匝數，記錄下每次的副線圈匝數和對應的電壓值。五、實驗結論實驗分析表明，原、副線圈的電壓之比等于兩個線圈的匝數之比，即eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)。六、注意事項1．在改變學生電源的電壓、線圈匝數前均要先斷開開關，再進行操作。2．為了保證人身安全，學生電源的電壓不能超過12V，通電時不能用手接觸裸露的導線和接線柱。3．為了保證多用電表的安全，使用交流電壓擋測電壓時，先用最大量程擋試測，大致確定被測電壓后再用適當的擋位進行測量。七、實驗誤差分析實驗中的誤差主要是(1)實驗所用變壓器存在各種損耗；(2)多用電表的讀數存在誤差。〖例1〗(2021·北京朝陽區期末)某班物理實驗課上，同學們用可拆變壓器探究變壓器的電壓與匝數的關系。可拆變壓器如圖甲、乙所示。(1)下列說法正確的是________。A．為確保實驗安全，實驗中要求原線圈匝數小于副線圈匝數B．變壓器的原線圈接低壓交變電流，測量副線圈電壓時應當用多用電表的“直流電壓擋”C．可以先保持原線圈電壓、匝數不變，改變副線圈的匝數，研究副線圈匝數對副線圈電壓的影響D．測量副線圈電壓時，先用最大量程擋試測，大致確定被測電壓后再選用適當的擋位進行測量E．變壓器開始正常工作后，鐵芯導電，把電能由原線圈輸送到副線圈F．變壓器開始正常工作后，若不計各種損耗，在原線圈上將電能轉化成磁場能，在副線圈上將磁場能轉化成電能，鐵芯起到“傳遞”磁場能的作用(2)如圖丙所示，某同學自己繞制了兩個線圈套在可拆變壓器的鐵芯上。原線圈接學生電源的交流輸出端，副線圈接小燈泡。下列說法正確的是________。A．與變壓器未通電時相比較，此時若將可拆變壓器上端的橫條鐵芯取下將更費力B．若僅增加原線圈繞制的圈數，小燈泡的亮度將保持不變C．若僅增加副線圈繞制的圈數，學生電源的過載指示燈可能會亮起(3)理想變壓器是一種理想化模型。請分析說明該模型應忽略哪些次要因素；并證明：理想變壓器原、副線圈的電壓之比等于兩個線圈的匝數之比，即eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)。〖答案〗(1)CDF(2)AC(3)見〖解析〗〖解析〗(1)為確保實驗安全，應該降低輸出電壓，實驗中要求原線圈匝數大于副線圈匝數，故A錯誤；變壓器只能改變交變電流的電壓，原線圈輸入交流電壓，副線圈輸出交流電壓，應用多用電表的“交流電壓擋”測量，故B錯誤；研究變壓器線圈兩端電壓和匝數的關系時，用到了控制變量法，可以先保持原線圈電壓、匝數不變，改變副線圈的匝數，研究副線圈匝數對副線圈電壓的影響，故C正確；為了保護電表，測量副線圈電壓時，先用最大量程擋試測，大致確定被測電壓后再選用適當的擋位進行測量，故D正確；變壓器的工作原理是電磁感應現象，即不計各種損耗時，在原線圈上將電能轉化成磁場能，在副線圈上將磁場能轉化成電能，鐵芯起到“傳遞”磁場能的作用，而不是鐵芯直接導電，傳輸電能，故E錯誤，F正確。(2)與變壓器未通電時相比較，通電時，線圈產生磁性，對橫條鐵芯具有吸引力，若將可拆變壓器上端的橫條鐵芯取下將更費力，故A正確；增加原線圈繞制的圈數，根據原、副線圈的電壓比等于匝數比可知，輸出電壓減小，燈泡的亮度降低，故B錯誤；增加副線圈繞制的圈數，根據原、副線圈的電壓比等于匝數比可知，輸出電壓增大，根據歐姆定律可知，輸出電流增大，根據變流比可知，輸入電流增大，學生電源的過載指示燈可能會亮起，故C正確。(3)理想變壓器模型應忽略的次要因素如下：①不計漏磁，即通過原、副線圈每匝線圈的磁通量都相等，因而不計磁場能損失；②不計原、副線圈的電阻，因而不計線圈的熱能損失；③不計鐵芯中產生的渦流，因而不計鐵芯的熱能損失。綜上，理想變壓器在傳輸能量時沒有能量損失。根據法拉第電磁感應定律，原、副線圈產生的感應電動勢分別為E1＝n1eq\f(ΔΦ,Δt)，E2＝n2eq\f(ΔΦ,Δt)。因理想變壓器不計原、副線圈的電阻，則線圈兩端的電壓等于它產生的感應電動勢，即U1＝E1，U2＝E2，聯立解得eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)。〖例2〗某同學在實驗室進行“探究變壓器原、副線圈電壓與匝數關系”的實驗。(1)下列實驗器材必須要用的有________(選填字母代號)。A．干電池組B．學生電源C．多用電表D．直流電壓表E．滑動電阻器F．條形磁體G．可拆變壓器(鐵芯、兩個已知匝數的線圈)(2)該同學通過實驗得到了如下表所示的實驗數據，表中n1、n2分別為原、副線圈的匝數，U1、U2分別為原、副線圈的電壓，通過實驗數據分析可以得到的實驗結論是：___________________________________________________________。實驗次數n1/匝n2/匝U1/VU2/V1160040012.12.90280040010.24.95340020011.95.92〖答案〗(1)BCG(2)在誤差允許的范圍內，原、副線圈的電壓之比等于原、副線圈的匝數之比，即eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)〖解析〗(1)實驗中，必須要有學生電源提供交流電，B需要；學生電源本身可以調節電壓，無需滑動變阻器，需要用多用表測量電壓，C需要；本實驗不需要條形磁體，用可拆變壓器來進行實驗，G需要；綜上所述，需要的實驗器材為BCG。(2)通過數據計算可得，在誤差允許的范圍內，原、副線圈的電壓之比等于原、副線圈的匝數之比，即eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)。〖針對訓練〗理想變壓器是指在變壓器變壓的過程中，線圈和鐵芯不損耗能量、磁場被束縛在鐵芯內不外漏的變壓器。現有一個理想變壓器、一個原線圈(匝數為n1)和一個副線圈(匝數為n2)。甲、乙兩位同學想探究這個理想變壓器的原、副線圈兩端的電壓與線圈匝數的關系。(1)甲同學的猜想是U1∶U2＝n1∶n2；乙同學的猜想是U1∶U2＝n2∶n1。你認為猜想合理的同學是________，你做出上述判斷所依據的物理規律是___________________________________________________________________。(2)為了驗證理論推導的正確性，可以通過實驗來探究。為保證實驗安全、有效地進行，應選用____________電源。(3)在實驗時，若采用多用電表進行測量，應先將選擇開關置于____________擋，并選用________量程進行試測，大致確定被測數據后，再用適當的量程進行測量。〖答案〗(1)甲法拉第電磁感應定律(2)低壓(一般低于12V)交流(3)交流電壓最大〖解析〗(1)由變壓器的工作原理可知，猜想合理的同學是甲同學。做出上述判斷依據的物理規律是法拉第電磁感應定律。(2)為了保證實驗安全、有效地進行，應選用低壓(一般低于12V)交流電源。(3)使用多用電表時，應先將選擇開關置于交流電壓擋，并選用最大量程進行試測。1．在“探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數的關系”的實驗中，實驗室中備有下列可供選擇的器材：A．可拆變壓器(鐵芯、兩個已知匝數的線圈)B．條形磁體C．直流電源D．多用電表E．開關、導線若干(1)上述器材在本實驗中不必用到的是________________(填器材前的序號)。(2)本實驗中還需用到的器材_______________________________________________________________________________________________________________。〖答案〗(1)B、C(2)(低壓)交流電源〖解析〗(1)由本實驗的實驗原理可知，本實驗不必用到的器材是B.條形磁體和C.直流電源。(2)為使實驗安全，本實驗用到的電源是學生電源，且利用低壓交流擋。2．在“探究變壓器原、副線圈電壓與匝數的關系”的實驗中。(1)為了確保實驗的安全，下列做法正確的是________。A．為了保證人身安全，只能使用低壓直流電源，所用電壓不要超過12VB．連接好電路后，可不經檢查電路是否正確，直接接通電源C．因為使用電壓較低，通電時可用手直接接觸裸露的導線和接線柱D．為了保證多用表的安全，使用交流電壓擋測電壓時，先用最大量程擋試測(2)某實驗小組通過實驗，記錄的數據如下表：原線圈匝數n1(匝)100200400400副線圈匝數n2(匝)400400200800原線圈兩端的電壓U1(V)1.964.908.004.86副線圈兩端的電壓U2(V)7.809.763.909.64通過分析實驗數據可得出的實驗結論是_______________________________________________________________________________________________________。〖答案〗(1)D(2)在誤差允許范圍內，變壓器原、副線圈的電壓比等于匝數比〖解析〗(1)變壓器改變的是交流電壓，因此為了保證人身安全，原線圈兩端只能使用低壓交流電源，所用電壓不超過12V，A錯誤；實驗通電前必須要先檢查電路是否正確，通電時用手接觸裸露的導線、接線柱等，會將人體并聯入電路中，導致所測數據不準確，同時也有安全隱患，B、C錯誤；使用多用電表測電壓時，先用最高量程擋試測，再選用恰當的擋位進行測量，故D正確。(2)分析每組實驗數據，可知eq\f(U1,U2)與eq\f(n1,n2)的值近似相等，可得出的實驗結論是，在誤差允許范圍內，變壓器原、副線圈的電壓比等于匝數比。3．如果把一個可拆變壓器看成理想變壓器，兩個線圈分別為A、B，現要測量A線圈的匝數，提供的器材有：一根足夠長的絕緣導線、一只多用電表和低壓交流電源。請簡要續填實驗步驟(寫出要測量的物理量，并用字母表示)(1)用長導線繞一個________，作為副線圈替代________。(2)把低壓交流電源接A線圈，用多用電表測得A線圈的輸入________和繞制線圈的輸出________。(3)A線圈的匝數nA＝________。〖答案〗(1)n匝線圈B線圈(2)電壓UA電壓U(3)eq\f(UA,U)n〖解析〗根據變壓器電壓比等于匝數比，有eq\f(UA,U)＝eq\f(nA,n)，所以nA＝eq\f(UA,U)n。第3節變壓器學習目標要求核心素養和關鍵能力1.了解變壓器的構造及幾種常見的變壓器，理解變壓器的工作原理。2.掌握理想變壓器的基本關系，并能用它解決相關問題。3.能夠利用閉合電路歐姆定律結合理想變壓器的基本關系對電路動態分析。1.核心素養(1)利用能量觀點分析變壓器的變壓過程。(2)知道理想變壓器是一種理想化物理模型。2.關鍵能力物理建模能力和分析推理能力。第1課時實驗：探究變壓器原、副線圈電壓與匝數的關系一、變壓器的原理1．構造：變壓器是由閉合鐵芯和繞在鐵芯上的兩個線圈組成的。2．原線圈：與交流電源連接的線圈叫原線圈，也叫初級線圈。副線圈：與負載連接的線圈叫副線圈，也叫次級線圈。3．工作原理：利用互感現象。〖想一想〗變壓器能改變恒定電流的電壓嗎？〖提*示〗變壓器的變壓原理是互感現象。若通過原線圈的電流為恒定電流，則在鐵芯中激發的磁場為恒定磁場，副線圈中無感應電動勢產生，因此變壓器不能改變恒定電流的電壓。二、實驗思路1．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生感應電動勢，副線圈就存在輸出電壓。2．本實驗通過與副線圈相連接的多用電表，觀察原線圈電壓變化時，副線圈的輸出電壓的變化；通過改變原、副線圈匝數，探究原、副線圈的電壓比與匝數比的關系。3．用控制變量法研究。三、實驗器材兩只多用電表、學生電源(低壓交流電源)、開關、可拆變壓器(如圖甲)、導線若干。四、實驗步驟1．按圖乙所示連接好電路，將兩個多用電表調到交流電壓擋，并記錄兩個線圈的匝數。2．接通學生電源，讀出電壓值，并記錄在表格中。3．保持匝數不變，多次改變輸入電壓，記錄每次改變后原、副線圈的電壓值。4．保持輸入電壓、原線圈的匝數不變，多次改變副線圈的匝數，記錄下每次的副線圈匝數和對應的電壓值。五、實驗結論實驗分析表明，原、副線圈的電壓之比等于兩個線圈的匝數之比，即eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)。六、注意事項1．在改變學生電源的電壓、線圈匝數前均要先斷開開關，再進行操作。2．為了保證人身安全，學生電源的電壓不能超過12V，通電時不能用手接觸裸露的導線和接線柱。3．為了保證多用電表的安全，使用交流電壓擋測電壓時，先用最大量程擋試測，大致確定被測電壓后再用適當的擋位進行測量。七、實驗誤差分析實驗中的誤差主要是(1)實驗所用變壓器存在各種損耗；(2)多用電表的讀數存在誤差。〖例1〗(2021·北京朝陽區期末)某班物理實驗課上，同學們用可拆變壓器探究變壓器的電壓與匝數的關系。可拆變壓器如圖甲、乙所示。(1)下列說法正確的是________。A．為確保實驗安全，實驗中要求原線圈匝數小于副線圈匝數B．變壓器的原線圈接低壓交變電流，測量副線圈電壓時應當用多用電表的“直流電壓擋”C．可以先保持原線圈電壓、匝數不變，改變副線圈的匝數，研究副線圈匝數對副線圈電壓的影響D．測量副線圈電壓時，先用最大量程擋試測，大致確定被測電壓后再選用適當的擋位進行測量E．變壓器開始正常工作后，鐵芯導電，把電能由原線圈輸送到副線圈F．變壓器開始正常工作后，若不計各種損耗，在原線圈上將電能轉化成磁場能，在副線圈上將磁場能轉化成電能，鐵芯起到“傳遞”磁場能的作用(2)如圖丙所示，某同學自己繞制了兩個線圈套在可拆變壓器的鐵芯上。原線圈接學生電源的交流輸出端，副線圈接小燈泡。下列說法正確的是________。A．與變壓器未通電時相比較，此時若將可拆變壓器上端的橫條鐵芯取下將更費力B．若僅增加原線圈繞制的圈數，小燈泡的亮度將保持不變C．若僅增加副線圈繞制的圈數，學生電源的過載指示燈可能會亮起(3)理想變壓器是一種理想化模型。請分析說明該模型應忽略哪些次要因素；并證明：理想變壓器原、副線圈的電壓之比等于兩個線圈的匝數之比，即eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)。〖答案〗(1)CDF(2)AC(3)見〖解析〗〖解析〗(1)為確保實驗安全，應該降低輸出電壓，實驗中要求原線圈匝數大于副線圈匝數，故A錯誤；變壓器只能改變交變電流的電壓，原線圈輸入交流電壓，副線圈輸出交流電壓，應用多用電表的“交流電壓擋”測量，故B錯誤；研究變壓器線圈兩端電壓和匝數的關系時，用到了控制變量法，可以先保持原線圈電壓、匝數不變，改變副線圈的匝數，研究副線圈匝數對副線圈電壓的影響，故C正確；為了保護電表，測量副線圈電壓時，先用最大量程擋試測，大致確定被測電壓后再選用適當的擋位進行測量，故D正確；變壓器的工作原理是電磁感應現象，即不計各種損耗時，在原線圈上將電能轉化成磁場能，在副線圈上將磁場能轉化成電能，鐵芯起到“傳遞”磁場能的作用，而不是鐵芯直接導電，傳輸電能，故E錯誤，F正確。(2)與變壓器未通電時相比較，通電時，線圈產生磁性，對橫條鐵芯具有吸引力，若將可拆變壓器上端的橫條鐵芯取下將更費力，故A正確；增加原線圈繞制的圈數，根據原、副線圈的電壓比等于匝數比可知，輸出電壓減小，燈泡的亮度降低，故B錯誤；增加副線圈繞制的圈數，根據原、副線圈的電壓比等于匝數比可知，輸出電壓增大，根據歐姆定律可知，輸出電流增大，根據變流比可知，輸入電流增大，學生電源的過載指示燈可能會亮起，故C正確。(3)理想變壓器模型應忽略的次要因素如下：①不計漏磁，即通過原、副線圈每匝線圈的磁通量都相等，因而不計磁場能損失；②不計原、副線圈的電阻，因而不計線圈的熱能損失；③不計鐵芯中產生的渦流，因而不計鐵芯的熱能損失。綜上，理想變壓器在傳輸能量時沒有能量損失。根據法拉第電磁感應定律，原、副線圈產生的感應電動勢分別為E1＝n1eq\f(ΔΦ,Δt)，E2＝n2eq\f(ΔΦ,Δt)。因理想變壓器不計原、副線圈的電阻，則線圈兩端的電壓等于它產生的感應電動勢，即U1＝E1，U2＝E2，聯立解得eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)。〖例2〗某同學在實驗室進行“探究變壓器原、副線圈電壓與匝數關系”的實驗。(1)下列實驗器材必須要用的有________(選填字母代號)。A．干電池組B．學生電源C．多用電表D．直流電壓表E．滑動電阻器F．條形磁體G．可拆變壓器(鐵芯、兩個已知匝數的線圈)(2)該同學通過實驗得到了如下表所示的實驗數據，表中n1、n2分別為原、副線圈的匝數，U1、U2分別為原、副線圈的電壓，通過實驗數據分析可以得到的實驗結論是：___________________________________________________________。實驗次數n1/匝n2/匝U1/VU2/V1160040012.12.90280040010.24.95340020011.95.92〖答案〗(1)BCG(2)在誤差允許的范圍內，原、副線圈的電壓之比等于原、副線圈的匝數之比，即eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)〖解析〗(1)實驗中，必須要有學生電源提供交流電，B需要；學生電源本身可以調節電壓，無需滑動變阻器，需要用多用表測量電壓，C需要；本實驗不需要條形磁體，用可拆變壓器來進行實驗，G需要；綜上所述，需要的實驗器材為BCG。(2)通過數據計算可得，在誤差允許的范圍內，原、副線圈的電壓之比等于原、副線圈的匝數之比，即eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)。〖針對訓練〗理想變壓器是指在變壓器變壓的過程中，線圈和鐵芯不損耗能量、磁場被束縛在鐵芯內不外漏的變壓器。現有一個理想變壓器、一個原線圈(匝數為n1)和一個副線圈(匝數為n2)。甲、乙兩位同學想探究這個理想變壓器的原、副線圈兩端的電壓與線圈匝數的關系。(1)甲同學的猜想是U1∶U2＝n1∶n2；乙同學的猜想是U1∶U2＝n2∶n1。你認為猜想合理的同學是________，你做出上述判斷所依據的物理規律是___________________________________________________________________。(2)為了驗證理論推導的正確性，可以通過實驗來探究。為保證實驗安全、有效地進行，應選用____________電源。(3)在實驗時，若采用多用電表進行測量，應先將選擇開關置于____________擋，并選用________量程進行試測，大致確定被測數據后，再用適當的量程進行測量。〖答案〗(1)甲法拉第電磁感應定律(2)低壓(一般低于12V)交流(3)交流電壓最大〖解析〗(1)由變壓器的工作原理可知，猜想合理的同學是甲同學。做出上述判斷依據的物理規律是法拉第電磁感應定律。(2)為了保證實驗安全、有效地進行，應選用低壓(一般低于12V)交流電源。(3)使用多用電表時，應先將選擇開關置于交流電壓擋，并選用最大量程進行試測。1．在“探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數的關系”的實驗中，實驗室中備有下列可供選擇的器材：A．可拆變壓器(鐵芯、兩個已知匝數的線圈)B．條形磁體C．直流電源D．多用電表E．開關、導線若干(1)上述器材在本實驗中不必用到的是________________(填器材前的序號)。(2)本實驗中還需用到的器材_______________________________________________________________________________________________________________。〖答案〗(1)B、C(2)(低壓)交流電源〖解析〗(1)由本實驗的實驗原理可知，本實驗不必用到的器材是B.條形磁體和C.直流電源。(2)為使實驗安全，本實驗用到的電源是學生電源，且利用低壓交流擋。2．在“探究變壓器原、副線圈電壓與匝數的關系”的實驗中。(1