资源简介

3.3变压器
【教材分析】
变压器是一种能量转化和转换的装置，在社会生产生活中有重要的应用。本节课程内容主要有变压器的工作原理和理想变压器原、副线圈电压与匝数的关系。知道理想变压器是忽略了能量损失的一种理想模型，进—步体会建立理想模型这种思维方法。
【教学目标与核心素养】
物理观念∶会用能量的观点去分析变压器的变压原理。
科学思维∶通过探究原、副线圈电压与匝数的关系，知道理想变压器是忽略了能量损失的一种理想模型。
科学探究：通过对理想变压器电压与匝数的关系的应用，体会物理模型建立的重要意义。
科学态度与责任∶通过变压器在生产、生活中的应用，体会科技对社会发展的推动作用。
【教学重难点】
教学重点：电压器的工作原理和理想变压器的规律。
教学难点：推导理想变压器的电流电压与匝数的关系，并进行计算。
【教学准备】
多媒体课件、示教变压器模型。
【教学过程】
一、新课引入
生产生活中有各种变压器，有的把低压升为高压，有的把高压降为低压。变压器是如何改变电压的呢
展示：两种变压器的图片。
电压变化的问题都涉及到一个重要的电学元件——电压器。它是一种能改变交流电电压的装置，比如发电厂的这个，手机充电器的这一个，都是变压器。别看它们的体积有大有小，其实基本结构和工作原理都是相同的。
二、新课教学
（一）变压器的原理
1.变压器的构造
①铁芯：由绝缘硅钢片叠合而成。
②原线圈：与交流电源相连的线圈，也叫初级线圈。
③副线圈：与负载相连的线圈，也叫次级线圈。
2.变压器的示意图
①变压器的符号
②原线圈：其匝数用n1表示，两端接的电压叫变压器的输入电压用U1表示。
③副线圈：其匝数用n2表示，两端接的电压叫变压器的输入电压用U2表示，一般会在输出端接上一个电阻，这个电压就等于加在电阻两端的电压。
过渡问题：那变压器是怎么工作呢？
3.变压原理
第一原线圈接交变电流：当变压器工作时交流电I1通过原线圈，由电流的磁效应可知在原线圈会产生磁场，叫做原磁场。
第二原线圈中的磁场发生改变：由于交流电电流不断变化，因此原磁场也在不断变化。
第三副线圈中的磁通量发生改变：假设磁场磁感线方向是向上的，磁感线通过导磁铁芯穿过副线圈。由于原磁场不断变化，穿过副线圈的磁通量也随之变化。
第四副线圈产生感应电动势：如果副线圈接有负载，那就会有感应电流I2。通过一些方法可以改变这个感应电动势的大小，从而达到变压的目的。
总之变压器的基本原理就是利用电磁感应现象，或者说是原线圈和副线圈之间的互感现象来工作的。
注意：只有接交变电流时变压器才能工作。
过渡问题：变压器原、副线圈两端的电压与线圈匝数之间有什么关系呢
实验：探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
实验思路：控制变量法，保持原线圈电压U1和匝数n1不变，改变副线圈的匝数n2。
物理量的测量：副线圈的输出电压U2
数据分析：
U1/V n1/匝 n2/匝 U2/V
12 200 100 5.8 2.068 2
12 200 400 23.4 0.513 0.5
12 800 100 1.22 9.83 8
12 800 400 5.4 2.22 2
12 1400 100 0.84 14.28 14
12 1400 400 3 4 3.5
发现的数值和数值总是相差那么一点，这是为什么呢？
4.理想变压器
①变压器的能量损耗问题
主要有三个方面：第一、铜损。原线圈上有电阻，通过电流时会产生电热而损耗电能。
第二，铁损。铁芯的磁场变化时会产生涡流，进而造成电热和能量损耗。
第三，漏损。原线圈产生的磁场并没有完全通过副线圈，而是有一部分漏到外部使得磁场能量损失。
在这三种损耗中，中铁损又是最严重。为了减少节损，通常采用电阻率很大的硅钢来做铁芯，同时铁心，并不是一整块儿而是由很多片相互绝缘的回字型铁片叠到一起构成。这样就可以大大减少铁芯上的蜗流，减少能量损耗。
如果一个变压器没有能量损耗就称为理想变压器。如果不做特殊说明，咱们认为变压器都是理想变压器。
②理想变压器特点：磁通量全部集中在铁心内Φ1=Φ2；电能没有发热损耗P1＝P2。变压器上没有能量损耗，那么显然输入端提供的能量会全部传递到输出端，也就是说输出端功率应该跟输入端的功率相等P1=P2，
（二）电压与匝数关系
1.电压与匝数关系的推导
设穿过原线圈磁通量为Φ1，穿过副线圈磁通量为Φ2。
根据法拉第电磁感应定律
原线圈
副线圈
其中n1和n2分别表示原线圈和副线圈的匝数。由于理想变压器磁通量全部集中在铁心内Φ1=Φ2；
于是是两个线圈的感应电动势之比。
又由于理想变压器原线圈或者副线圈儿有电阻的螺线管儿，它两端的电压和线圈上的感应电动势相等，所以原副线圈上的电压之比
即，变压器原副线圈的电压比等于线圈匝数比。
①当n2>n1，那么U2>U1交流电经过变压器后电压上升， 称为升压变压器。
②当n2简单记忆：那边匝数多，它的电压就高。
比如某个变压器的原线圈有n1=20匝，副线圈儿只有n2=10匝，原线圈的电压U1=220V。那么根据这个公式，把数据带进去算出从副线圈输出的电压U2=110V。
注意：电压是有效值。
2.变压器的应用
实际应用中需要改变交流电压的场合是很多的。大型发电机发出的交流，电压为几万伏。而用电器使用电压不一样。由于有了变压器，交流的电压容易改变，所以交流得到了广泛的应用。
思考与讨论
我们知道导线可以输送电能，变压器上的原、副线圈之间并没有导线直接连接，却将电能从原线圈的电路输送到副线圈的电路。在变压器中能量是如何转化的
分析：变压器利用互感现象实现电能→磁场能→电能的转化和传递。
3.电流与匝数的关系
因为P1=P2
转换成U1I1=U2I2，
移项变形后得到
又因为
所以电流与匝数的关系为：
也就是说，原副线圈中的电流之比等于线圈匝数的反比。
课堂练习
例1：这是一个理想变压器，原线圈匝数n1=180，副线圈匝数n2=23，输入端输入的交流电表达式是U=311sin100wt，输出端的负载电阻R=88Ω。 那么你能求出原副线圈中的电压和电流有效值吗？
解：由输入端U=311sin100wt得，输入端电压的最大值Um=311V。这又是个正弦交流电，所以原线圈中的电压有效值=220v。再由，把U1和线圈匝数代入，解得U2=44V，这就是副线圈中的电压有效值。要算电流我们只能用这个负载电阻了。根据欧姆定律，把U2和R值代入，得I2=0.5A。最后再根据，把已知量都带进去得I1=0.1A。
4.输入输出电压、电流、功率大小之间的因果关系
变压器问题一般原线圈的电压U1是知道的，所以咱们先通过电压比，算出副线圈的电压U2，再利用欧姆定律算出副线圈的电流I2，最后根据电流比得到原线圈的电流I1。
①U1由电源决定
②U2由U1和匝数比决定
③I2由U2和负载决定
④I1由I2和匝数比决定
⑤输入功率P1由输出功率P2决定
5.原副线圈中的频率关系
在原线圈中接上周期性变化的电流在副线圈中激发出同频率的交流电。即
f1=f2
所以变压器只能改变电压的大小，进而影响电流的变化，但是变压器不会改变交变电流原线圈中的频率大小。
注意：以上的所有结论都是只适用于一个副线圈的变压器。
科学漫步：无限充电技术
动图展示：无线充电过程
基本工作原理：在初级线圈输入一定频率的交流电，通过电磁感应在次级线圈中产生一定的电流，从而将能量从传输端转移到接收端。初级线圈装在充电基座上，次级线圈装在手机内部，对于一个没有无线充电功能的移动电话，也可以通过在移动电话端连接一个无线充电接收器，将接收器放在无线充电基座上来进行充电。
课堂练习
例2：有些机床为了安全，照明电灯用的电压是36V，这个电压是把380V的电压降压后得到的。如果变压器的原线图是1140匝，副线圈是多少匝 在某次实际工作时输入电压只有220V，则输出电压是多少？
解：1.根据题目条件已知，U1=380V，U2=36V，n1=1140，求：n2=？
代入数据得：
解得：n2=108
2.根据题目条件已知，U1=220V，n1=1140，n2=108，求：U2=？
代入数据得：
解得：U2=20.8V
例3：街头变压器通过降压给用户供电的示意图。变压器的输入电压是市区电网电压，负载变化时输入电压不会有大的波动。输出电压通过输电线输送给用户，两条输电线的总电阻用R0表示，变阻器R代表用户用电器的总电阻，当用电器增加时，相当于R的值减小(滑动片向下移)。如果变压器上的能量损失可以忽略，当用户的用电器增加时，图中各表的读数如何变化。
解：明确各表示数代表什么，A1示数为输入电流I1；A2示数为输出电流I2；V1示数为输入电压U1；V2示数为输出电压U2；V3示数为滑动变阻器电压U3。
①输入电压U1由电源决定，所以V1示数为不变。
②输出电压U2是由U1和匝数，由于U1和匝数比不变，所以副线圈的输出的电压U2也不变，所以V2示数不变。
③由“串反并同”R的值减小，A2与R串联，所以A2示数增大，即输出电流I2增大。V3与R并联，所以V3示数减少，即滑动变阻器电压U3减少。
④I1由I2和匝数比决定：由，可得I1增大，即A1示数增大。
【板书设计】
3.3变压器
1.变压器原理∶利用互感现象实现电能→磁场能→电能的转化和传递。
2.理想变压器特点：①磁通量全部集中在铁心内Φ1=Φ2，②电能没有发热损耗P1＝P2。
3.理想变压器规律 ∶
①功率关系∶P1＝P2 ②频率关系∶f1=f2
③电压关系∶ ④电流关系∶
4.电压、电流、功率之间的因果关系
①U1由电源决定
②U2由U1和匝数比决定
③I2由U2和负载决定
④I1由I2和匝数比决定
⑤输入功率P1由输出功率P2决定
【教学反思】
本节课的公式推导过程有些繁琐，大量的应用到前面的知识，如果前面的知识学习得不扎实，本节课讲起来就会非常困难。鉴于学生的基础比较薄弱，所以本节课把许多的知识点进行分解，降低学习的困难度。在教学中也努力让学生明确，理想化是科学研究中心一种常用的方法，前面也有过许多例子。在讲解变压器工作时各个器件的作用，要分清主次，并突出主导因素，建立理想模型等。

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