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(共29张PPT)
实验十八　探究变压器原、副线圈
电压与匝数的关系
必备知识·自主排查
关键能力·分层突破
必备知识·自主排查
一、实验目的
探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系．
二、实验原理
1．实验电路图
2．实验方法采取控制变量法
(1)n1一定，研究n2和U2的关系．
(2)n2一定，研究n1和U2的关系．
三、实验器材
学生电源(低压交流电小于12 V)1个、可拆变压器(铁芯、两个已知匝数的线圈)、多用电表(交流电压挡)1个、导线若干．
四、实验过程
1．保持原线圈的匝数n1＝400匝和电压U1＝5 V不变，改变副线圈的匝数n2，研究n2对副线圈电压U2的影响．
(1)选择原线圈的匝数n1＝400匝，用导线将变压器原线圈接在学生电源的交流输出接线柱上，将选择开关调至使原线圈两端电压为5 V．将多用电表与原线圈n1＝400匝的接线柱相连接，检查原线圈的电压是否为5 V，如图甲．
表格一　U1＝5 V，n1＝400匝
(2)将多用电表与副线圈n2＝200匝的接线柱相连接，如图乙，读出副线圈两端的电压U2.
将n2、U2的数值记录在表格一中．
(3)将多用电表与副线圈n2＝800匝的接线柱相连接，如图丙，读出副线圈两端的电压U2.
将n2、U2的数值记录在表格一中．
(4)将多用电表与副线圈n2＝1 400匝的接线柱相连接，如图丁，读出副线圈两端的电压U2.
将n2、U2的数值记录在表格一中．
实验次数 1 2 3
n2/匝
U2/V
2．保持副线圈的匝数n2和原线圈两端的电压U1不变，研究原线圈的匝数对副线圈电压的影响．
表格二　U1＝5 V，n2＝400匝
(1)将1中的原线圈作为副线圈，副线圈作为原线圈．选择n2＝400匝，用导线将变压器原线圈接在学生电源的交流输出接线柱上．
(2)将选择开关拨至5 V挡．
(3)将多用电表与原线圈n1＝200匝的接线柱相连接，读出副线圈两端的电压U2.将n1、U2的数值记录在表格二中．
实验次数 1 2 3
n1/匝
U2/V
(4)保持n2＝400匝，U1＝5 V不变，将连接电源的两根导线与原线圈n1＝800匝的接线柱相连接，读出副线圈两端的电压U2.将n1、U2的数值记录在表格二中．
(5)保持n2＝400匝，U1＝5 V不变，将连接电源的两根导线与原线圈n1＝1 400匝的接线柱相连接，读出副线圈两端的电压U2.将n1、U2的数值记录在表格二中．
(6)拆除实验线路，整理好实验器材．
五、数据处理
分析表格一和表格二数据可知，理想变压器原、副线圈两端电压U1、U2之比等于两个线圈的匝数n1、n2之比．
六、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．
4．多用电表的读数存在误差．
七、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．
关键能力·分层突破
考点一　教材原型实验
例1 (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)．
BC
解析：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B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C不必用到，需要用到低压交流电源；
(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，电表用直流电压挡
B．原线圈接直流电压，电表用交流电压挡
C．原线圈接12 V以下交流电压，电表用交流电压挡
D．原线圈接220 V交流电压，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__________________．
C
甲
法拉第电磁感应定律
解析：(2)变压器的工作原理是互感现象，故原线圈接交流电压，为了安全，电压选用实验室12 V以下电压，输出电压也是交流电压，故电表用交流电压挡，综合(1)可知，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．
【跟进训练】
1.[2022·山东泰安模拟]在“探究变压器两个线圈的电压关系”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_________(只填步骤前的数字序号)；
(2)如图所示，在实验中，两线圈的匝数n1＝1 600，n2＝400，当将n1作为原线圈时，U1＝16 V，副线圈两端电压U2＝4 V；原线圈与副线圈对调后，当U′1＝8 V时，U′2＝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________．
①③②④
＝
解析：(1)在“探究变压器两个线圈的电压关系”的实验中，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，接上小灯泡；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；最后将原线圈与副线圈对调，重复以上步骤，顺序为①③②④.(2)两线圈的匝数n1＝1 600，n2＝400，当将n1作为原线圈时，U1＝16 V，副线圈两端电压U2＝4 V；当原线圈与副线圈对调后，U′1＝8 V时，U′2＝32 V，此时U′2为原线圈的电压，而U′1为副线圈的电压，由以上数据可得：＝.
2．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，数据如下表所示．
(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．
实验序号 原线圈两端的电压U1/V 副线圈两端的电压U2/V
1 3.9 7.7 1∶2.0
2 5.9 11.6 1∶2.0
3 7.8 15.2
1∶1.9
解析：第三组数据为：＝＝.
(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．
＝
升压
解析：(2)线圈匝数之比＝＝，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＝.
(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．
考点二　拓展创新型实验
例2 [2022·首都师范大学附属中学高三考试]某学生选用匝数可调的可拆变压器(该变压器视为理想变压器)，如图甲所示，做“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”的实验时，保持原线圈匝数和电压不变，改变副线圈的匝数，可以研究副线圈匝数对输出电压的影响．
(1)在U2为纵坐标，n2为横坐标．在图乙中画出变压器的输出电压U2与匝数n2关系图像的示意图，并说明U2 n2图像斜率的物理意义．
解析：根据题意作出图像如图所示．

U2 n2图像斜率的物理意义表示每匝线圈产生的电压．
(2)设变压器原线圈的匝数为n1，感应电动势为E1，端电压为U1；副线圈的匝数为n2，感应电动势为E2，端电压为U2.请理论推导理想变压器线圈两端的电压与匝数的关系．
解析：由于互感现象没有漏磁，原、副线圈中的每匝线圈都具有相同的，根据法拉第电磁感应定律有：E1＝n1，E2＝n2，所以联立有：＝.
由于不计原、副线圈的电阻，因此原线圈两端电压U1＝E1，副线圈两端电压U2＝E2，所以有：＝.
(3)如图丙、丁所示，是电压互感器和电流互感器的原理图(“○”中的电表未画出)，根据它们的工作原理填写下列表格．
“○”中所用的电表(选填“电压表”或“电流表”) 比较原线圈与副线圈导线的粗细(选填“较粗”或“较细”)
丙
丁
解析：根据电压互感器和电流互感器原理和特点可填表如下：
“○”中所用的电表(选填“电压表”或“电流表”) 比较原线圈与副线圈导线的粗细(选填“较粗”或“较细”)
丙 电压表 较细
丁 电流表 较粗
【跟进训练】
3.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，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．
24
A
解析：观察多用电表测的是电阻指向“×1挡”，故A线圈的电阻为24 Ω.由此可推断A的线圈匝数较多．
(2)如果把它看成理想变压器，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).
A线圈的匝数为nA＝______．(用所测物理量符号表示)
n
解析：①用绝缘导线在线圈的外部或变压器的铁芯上绕制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和绕制线圈的输出电压U.A线圈的匝数为nA＝n(其他方法，只要合理即可)
4．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)他不知道接法，也没有相应的说明书．你能帮他判断正确的接法是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．
6 V
11 000
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．实验十八　探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
【必备知识·自主排查】
一、实验目的
探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系．
二、实验原理
1．实验电路图
2．实验方法采取控制变量法
(1)n1一定，研究n2和U2的关系．
(2)n2一定，研究n1和U2的关系．
三、实验器材
学生电源(低压交流电小于12 V)1个、可拆变压器(铁芯、两个已知匝数的线圈)、多用电表(交流电压挡)1个、导线若干．
四、实验过程
1．保持原线圈的匝数n1＝400匝和电压U1＝5 V不变，改变副线圈的匝数n2，研究n2对副线圈电压U2的影响．
(1)选择原线圈的匝数n1＝400匝，用导线将变压器原线圈接在学生电源的交流输出接线柱上，将选择开关调至使原线圈两端电压为5 V．将多用电表与原线圈n1＝400匝的接线柱相连接，检查原线圈的电压是否为5 V，如图甲．
表格一　U1＝5 V，n1＝400匝
实验次数 1 2 3
n2/匝
U2/V
(2)将多用电表与副线圈n2＝200匝的接线柱相连接，如图乙，读出副线圈两端的电压U2.
将n2、U2的数值记录在表格一中．
(3)将多用电表与副线圈n2＝800匝的接线柱相连接，如图丙，读出副线圈两端的电压U2.
将n2、U2的数值记录在表格一中．
(4)将多用电表与副线圈n2＝1 400匝的接线柱相连接，如图丁，读出副线圈两端的电压U2.
将n2、U2的数值记录在表格一中．
2．保持副线圈的匝数n2和原线圈两端的电压U1不变，研究原线圈的匝数对副线圈电压的影响．
表格二　U1＝5 V，n2＝400匝
实验次数 1 2 3
n1/匝
U2/V
(1)将1中的原线圈作为副线圈，副线圈作为原线圈．选择n2＝400匝，用导线将变压器原线圈接在学生电源的交流输出接线柱上．
(2)将选择开关拨至5 V挡．
(3)将多用电表与原线圈n1＝200匝的接线柱相连接，读出副线圈两端的电压U2.将n1、U2的数值记录在表格二中．
(4)保持n2＝400匝，U1＝5 V不变，将连接电源的两根导线与原线圈n1＝800匝的接线柱相连接，读出副线圈两端的电压U2.将n1、U2的数值记录在表格二中．
(5)保持n2＝400匝，U1＝5 V不变，将连接电源的两根导线与原线圈n1＝1 400匝的接线柱相连接，读出副线圈两端的电压U2.将n1、U2的数值记录在表格二中．
(6)拆除实验线路，整理好实验器材．
五、数据处理
分析表格一和表格二数据可知，理想变压器原、副线圈两端电压U1、U2之比等于两个线圈的匝数n1、n2之比．
六、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．
4．多用电表的读数存在误差．
七、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．
【关键能力·分层突破】
考点一　教材原型实验
例1 (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，电表用直流电压挡
B．原线圈接直流电压，电表用交流电压挡
C．原线圈接12 V以下交流电压，电表用交流电压挡
D．原线圈接220 V交流电压，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________________________________________．
【跟进训练】
1.[2022·山东泰安模拟]在“探究变压器两个线圈的电压关系”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________(只填步骤前的数字序号)；
(2)如图所示，在实验中，两线圈的匝数n1＝1 600，n2＝400，当将n1作为原线圈时，U1＝16 V，副线圈两端电压U2＝4 V；原线圈与副线圈对调后，当U′1＝8 V时，U′2＝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________．
2．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，数据如下表所示．
实验序号 原线圈两端的电压U1/V 副线圈两端的电压U2/V
1 3.9 7.7 1∶2.0
2 5.9 11.6 1∶2.0
3 7.8 15.2
(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．
考点二　拓展创新型实验
例2 [2022·首都师范大学附属中学高三考试]某学生选用匝数可调的可拆变压器(该变压器视为理想变压器)，如图甲所示，做“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”的实验时，保持原线圈匝数和电压不变，改变副线圈的匝数，可以研究副线圈匝数对输出电压的影响．
(1)在U2为纵坐标，n2为横坐标．在图乙中画出变压器的输出电压U2与匝数n2关系图像的示意图，并说明U2 n2图像斜率的物理意义．
(2)设变压器原线圈的匝数为n1，感应电动势为E1，端电压为U1；副线圈的匝数为n2，感应电动势为E2，端电压为U2.请理论推导理想变压器线圈两端的电压与匝数的关系．
(3)如图丙、丁所示，是电压互感器和电流互感器的原理图(“○”中的电表未画出)，根据它们的工作原理填写下列表格．
“○”中所用的电表(选填“电压表”或“电流表”) 比较原线圈与副线圈导线的粗细(选填“较粗”或“较细”)
丙
丁
【跟进训练】
3.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，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)如果把它看成理想变压器，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)________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________.
A线圈的匝数为nA＝______．(用所测物理量符号表示)
4．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)他不知道接法，也没有相应的说明书．你能帮他判断正确的接法是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．
实验十八　探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
关键能力·分层突破
例1　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B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C不必用到，需要用到低压交流电源；(2)变压器的工作原理是互感现象，故原线圈接交流电压，为了安全，电压选用实验室12 V以下电压，输出电压也是交流电压，故电表用交流电压挡，综合(1)可知，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)甲　法拉第电磁感应定律
1．解析：(1)在“探究变压器两个线圈的电压关系”的实验中，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，接上小灯泡；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；最后将原线圈与副线圈对调，重复以上步骤，顺序为①③②④.(2)两线圈的匝数n1＝1 600，n2＝400，当将n1作为原线圈时，U1＝16 V，副线圈两端电压U2＝4 V；当原线圈与副线圈对调后，U′1＝8 V时，U′2＝32 V，此时U′2为原线圈的电压，而U′1为副线圈的电压，由以上数据可得：＝.
答案：(1)①③②④　(2)＝
2．解析：(1)第三组数据为：＝＝.
(2)线圈匝数之比＝＝，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＝.
(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)＝　(3)升压
例2　解析：(1)根据题意作出图像如图所示．
U2 n2图像斜率的物理意义表示每匝线圈产生的电压．
(2)由于互感现象没有漏磁，原、副线圈中的每匝线圈都具有相同的，根据法拉第电磁感应定律有：E1＝n1，E2＝n2，所以联立有：＝.
由于不计原、副线圈的电阻，因此原线圈两端电压U1＝E1，副线圈两端电压U2＝E2，所以有：＝.
(3)根据电压互感器和电流互感器原理和特点可填表如下：
“○”中所用的电表(选填“电压表”或“电流表”) 比较原线圈与副线圈导线的粗细(选填“较粗”或“较细”)
丙 电压表 较细
丁 电流表 较粗
答案：(1)图见解析，物理意义为每匝线圈的电压　(2)推导过程见解析　(3)见解析
3．解析：(1)观察多用电表测的是电阻指向“×1挡”，故A线圈的电阻为24 Ω.由此可推断A的线圈匝数较多．
(2)①用绝缘导线在线圈的外部或变压器的铁芯上绕制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和绕制线圈的输出电压U.A线圈的匝数为nA＝n(其他方法，只要合理即可)
答案：(1)24　A　(2)见解析
4．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．
答案：(1)6 V　(2)11 000

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