最新高中物理《变压器》教案9新人教版选修32精编版Word格式文档下载.docx
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(一)引入新课
师:
在实际应用中,常常需要改变交流的电压.大型发电机发出的交流,电压有几万伏,而远距离输电却需要高达几十万伏的电压。
各种用电设备所需的电压也各不相同。
电灯、电饭煲、洗衣机等家用电器需要220V的电压,机床上的照明灯需要36V的安全电压。
一般半导体收音机的电源电压不超过10V,而电视机显像管却需要10000V以上的高电压。
交流便于改变电压,以适应各种不同需要。
变压器就是改变交流电压的设备。
这节课我们学习变压器的有关知识。
[板书课题]变压器
(二)进行新课
1.变压器的原理
思考与讨论:
按上图所示连接好电路,接通电源,观察灯泡是否发光。
生:
灯泡亮了。
两个线圈并没有直接接触,灯泡为什么亮了呢?
这个实验说明了什么?
生1:
当一个线圈中同交变电流时,变化的电流产生变化的磁场,变化的磁场在另一个线圈中激起感生电场,从而产生感生电动势,灯泡中有了感应电流,故灯泡发光。
生2:
实验说明,通过互感现象,电源的能量可以从一个线圈传输给另一个线圈。
变压器就是由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈构成的。
一个线圈跟电源连接,叫原线圈(初级线圈),另一个线圈跟负载连接,叫副线圈(次级线圈)。
两个线圈都是绝缘导线绕制成的。
铁芯由涂有绝缘漆的硅钢片叠合而成。
画出变压器的结构示意图和符号,如下图所示:
互感现象时变压器工作的基础。
在原线圈上加交变电压U1,原线圈中就有交变电流,它在铁芯中产生交变的磁通量。
这个交变磁通量既穿过原线圈,也穿过副线圈,在原、副线圈中都要引起感应电动势。
如副线圈是闭合的,在副线圈中就产生交变电流,它也在铁芯中产生交变的磁通量,在原、副线圈中同样引起感应电动势。
副线圈两端的电压就是这样产生的。
所以,两个线圈并没有直接接触,通过互感现象,副线圈也能够输出电流。
在输入电压一定时,原线圈、副线圈取不同的匝数,副线圈输出的电压也不一样,变压器由此得名。
那么,变压器线圈两端的电压与匝数有何关系呢?
下面我们通过实验来探究。
实验:
目的:
探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系
器材:
可拆变压器,学生电源,多用电表,导线若干
实验步骤:
(1)按图示电路连接电路
(2)原线圈接低压交流电源6V,保持原线圈匝数n1不变,分别取副线圈匝数n2=
n1,n1,2n1,用多用电表交流电压档分别测出副线圈两端的电压,记入表格。
(3)原线圈接低压交流电源6V,保持副线圈匝数n2不变,分别取原线圈匝数n1=
n2,n2,2n2,用多用电表交流电压档分别测出副线圈两端的电压,记入表格。
U1=6V
实验次数
1
2
3
4
5
6
原线圈匝数n1
n1
n2
副线圈匝数n2
2n1
2n2
副线圈输出电压U2
结论
(4)总结实验现象,得出结论。
注意事项:
(1)连接好电路后,同组同学分别独立检查,然后由老师确认,电路连接无误才能接通电源。
(2)注意人身安全。
只能用低压交流电源,电源电压不能超过12V
(3)使用多用电表交流电压档测电压时,先用最大量程测试,然后再用适当的挡位进行测量。
2.电压与匝数的关系
从实验中可以发现什么规律?
原、副线圈两端的电压之比等于两个线圈的匝数之比。
写出数学表达式。
电流通过变压器线圈是会发热,铁芯在交变磁场的作用下也会发热。
所以,变压器工作时存在能量损失。
没有能量损失的变压器叫做理想变压器。
,只适用于理想变压器。
实际上变压器的工作效率都很高,在一般的计算中,可以把实际变压器视为理想变压器。
理想变压器原线圈的输入功率与副线圈的输出功率有什么关系?
因为理想变压器没有能量损失,所以P出=P入
若理想变压器只有一个副线圈,则原副线圈中的电流I1与I2有什么关系?
据P出=U2I2,P入=U1I1及P出=P入得:
U2I2=U1I1
则:
上式是理想变压器只有一个副线圈时,原副线圈中的电流比公式。
如果副线圈的电压高于原线圈的电压,这样的变压器叫升压变压器;
如果副线圈的电压低于原线圈的电压,这样的变压器叫降压变压器。
那么两种变压器的匝数关系如何?
升压变压器,n2>n1,降压变压器,n2<n1。
两种变压器原副线圈电流的大小关系如何?
升压变压器,I2<
I1,降压变压器,I2>
I1。
在绕制升压变压器原副线圈时,副线圈导线应比原线圈导线粗一些好,还是细一些好?
降压变压器呢?
因为升压变压器,I2<
I1,所以副线圈导线可以比原线圈导线细一些。
降压变压器,I2>
I1,所以副线圈导线要比原线圈导线粗一些。
课后请大家阅读教材47页“科学漫步”,了解互感器的工作原理和应用。
(三)课堂总结、点评
本节课主要学习了以下内容:
1.变压器主要由铁芯和线圈组成。
2.变压器可改变交变电的电压和电流,利用了原副线圈的互感现象。
3.理想变压器:
没有能量损失的变压器,是理想化模型。
有
P输出=P输入
(四)实例探究
☆理想变压器基本规律
【例1】一个正常工作的理想变压器的原副线圈中,下列的哪个物理量不一定相等()
A.交流的频率B.电流的有效值
C.电功率D.磁通量变化率
解析:
变压器可以改变原副线圈中的电流,因此原副线圈中的电流不一定有相同有效值,所以选B.由于穿过原线圈的磁通量全部穿过副线圈,因而原副线圈的磁通量变化率相同,D错.变压器的工作基础是电磁感应,副线圈中感应的交流频率与原线圈交流频率是相同的,A错.理想变压器原线圈输入功率等于副线圈输出功率,因此C错.
答案:
B
点评:
变压器工作时,原副线圈电压和电流不一定相同,但对理想变压器来说,原副线圈一定相同的量有
(1)电功率,
(2)磁通量变化率,(3)交流的频率
☆理想变压器的综合应用
【例2】如图所示为一理想变压器,K为单刀双掷开关,P为滑动变阻器的滑动触头,U1为加在原线圈两端的电压,I1为原线圈中的电流,则()
A.保持U1及P的位置不变,K由a合到b时,I1将增大
B.保持U1及P的位置不变,K由b合到a时,R消耗功率减小
C.保持U1不变,K合在a处,使P上滑,I1将增大
D.保持P的位置不变,K合在a处,若U1增大,I1将增大
K由a合到b时,n1变小,而
得I1=
I2由I2=
,U2=
U1所以I1=
·
U1,n2和R不变,n1减小时I1增大,所以A对。
K由b合到a时,P2=
,而U2=
U1,所以P2=
.U1、n2和R不变,n1增大时P2减小,所以B对。
P上滑时,R增大,由前I1=
,U1、n1和n2不变,R增大时,I1减小,所以C错。
U1增大时,由前I1=
,n1、n2和R不变,U1增大时,I1增大,所以D对。
所以应选A、B、D。
ABD
处理这类问题的关键是要分清变量与不变量,弄清理想变压器中各量间的联系和制约关系,在理想变压器中,U2由U1和匝数比决定;
I2由U2和负载电阻决定;
I1由I2和匝数比决定
【例3】如图所示,接于理想变压器的四个灯泡规格相同,且全部正常发光,求三个线圈的匝数比n1∶n2∶n3.
由于四个规格相同的灯泡都正常发光,所以三个线圈中的电流均相同,即I1=I2=I3=I.
设n1、n2、n3三个线圈两端的电压分别为:
U1、U2、U3,接在原线圈中灯泡两端的电压为U0,则有:
U0=U3=
,
所以,
,即
设电源电压为U,则有U=U0+U1
根据理想变压器输入功率等于输出功率,
则有:
UI=U0I+U2I+U3I,
即UI=4U3I
所以U=4U3,U1=U-U0=3U3
即
因此三个线圈的匝数比n1∶n2∶n3=3∶2∶1.
对理想变压器来说,变压公式和输入功率等于输出功率是普遍适用的规律,对于有几个副线圈的理想变压器,电流公式就不能使用了。
(五)巩固练习
1.理想变压器的原线圈的匝数为110匝,副线圈匝数为660匝,若原线圈接在6V的电池上,则副线圈两端电压为()
A.36VB.6VC.1VD.0V
因为电池是稳恒直流电源。
D
从变压器的工作原理入手思考。
2.当理想变压器副线圈空载时,副线圈的()
A.负载电阻为0B.输出电流为0
C.两端电压为0D.输出功率为0
BD
空载相当于负载电阻无穷大
3.理想变压器原、副线圈的电流为I1、I2,电压为U1、U2,功率为P1、P2,关于它们的关系,正确的是()
A.I2由I1决定B.U2与负载有关
C.P1由P2决定D.U1由U2决定
变压器工作时,原线圈接在电源上,对理想变压器来说,原线圈电压U1总等于电源电压,即U1是由电源电压决定,由U2=
U1知,对于一定变压器来说
一定,U2是由U1决定,当U1一定时,U2是由
决定,即U2与负载无关,即B和D错。
由I1=
U1知,U1和
确定时,U2是确定的,而I2=
,R为负载电阻,R变化时,I2发生变化,从而引起I1发生变化,因此I1由I2决定,所以A错.负载电阻变化,会引起副线圈电流变化,从而引起输出功率P2变化,P2变化又会引起P1的变化,即P1是由P2决定的,所以正确答案是C.
C
对于一定的变压器来说,U2由U1决定,I1由I2决定,P1由P2决定
4.一台理想变压器原、副线圈匝数比为22∶1,当原线圈两端输入u1=220
sin314tV的交变电压时,下列说法正确的是()
A.]副线圈两端电压为12
V
B.副线圈接一10Ω电阻时,原线圈中的电流为1A
C.副线圈接一10Ω电阻时,原线圈中输入功率为10W
D.变压器铁芯中磁通量变化率的最大值是220
原线圈两端的电压为U1=220V,由变压器的变压比
=
得副线圈两端电压为U2=10V,副线圈接一10Ω电阻,副线圈中电流I2=1A,电功率P2=U2I2=10W,原线圈输入功率也为10W;
由变压器的变流比
A,铁芯中磁通量的变化率最大值为
,由于具体的匝数未知,所以磁通量变化率的最大值未知.所以正确答案是C.
利用理想变压器的关系求解
5.一理想变压器原线圈接交流、副线圈接电阻,下列哪些方法可使输入功率增加为原来的2倍()
A.次级线圈的匝数增加为原来的2倍
B.初级线圈的匝数增加为原来的2倍
C.负载电阻变为原来的2倍
D.副线圈匝数和负载电阻均变为原来的2倍
变压器的输入功率由输出功率决定,即P入=P出,输出功率P出=
,U增大为原来的2倍,负载电阻也变为原来的2倍时,P出为原来2倍。
输入功率由输出功率决定
6.用理想变压器给负载R供电,下列哪些办法可以减小变压器原线圈中的电流()
A.增加原线圈的匝数
B.增加副线圈的匝数
C.减小负载电阻R的数值
D.增加负载电阻R的数值
根据
,P入=P出,即I1U1=I2U2,I2=
得变压器原线圈中的电流I1=
,即输入电流与n1、n2、U1、R都有关系,U1不变,要减小I1,需增大R的阻值,或增加原线圈匝数n1,或减小副线圈匝数n2.
AD
原线圈中电流由输出电流决定
7.在图所示的电路中,理想变压器的变压比为2∶1,四个灯泡完全相同,若已知灯泡L3和L4恰能正常工作,那么()
A.L1和L2都能正常工作
B.L1和L2都不能正常工作
C.L1和L2中只有一个能正常工作
D.条件不足,无法判断
根据电流与线圈匝数的关系进行分析,由于副线圈两端并联着两个相同的灯泡L3、L4,每个灯泡正常工作时的实际电流都等于额定电流,因此副线圈中的电流等于一个灯泡额定电流的两倍;
根据原、副线圈的电流与匝数成反比,可知原线圈中的电流等于副线圈中电流的二分之一,即恰好等于灯泡L1、L2的额定电流,从而判定:
L1、L2都能正常发光.
A
由电流和线圈匝数的关系分析。
8.如图所示,理想变压器的原、副线圈分别接有相同的白炽灯,原、副线圈的匝数比为n1∶n2=2∶1,电源电压为U,求B灯两端的电压UB为多少?
由串联电路分压原理可知U=UA+U1①
由变压器原理可知:
U1∶U2=2∶1②
I1∶I2=1∶2③
由欧姆定律可知:
UA=I1R④
UB=I2R⑤
联立①~⑤式,得UB=
U
原线圈上串有灯泡,灯泡与原线圈上电压的分配遵循串联电路的分压原理。
9.如图中所示,理想变压器B的原线圈跟副线圈的匝数比n1∶n2=2∶1,交流电源电压U1=220V,F为熔断电流为I0=1.0A的保险丝,负载为一可变电阻.
(1)当电阻R=100Ω时,保险丝能否被熔断?
(2)要使保险丝不被熔断,电阻R的阻值应不小于多少?
变压器输出的电功率不能超过多少?
由
得副线圈两端的电压
U2=
U1=
×
220V=110V
(1)当R=100Ω时,副线圈中电流
I2=
A=1.10A
由U1I1=U2I2得原线圈中的电流为
I1=
1.10A=0.55A
由于I1<I0(熔断电流),故保险丝不会熔断.
(2)设电阻R取某一值R0时,原线圈中的电流I1刚好到达熔断电流I0,即I1=0.1A,则副线圈中的电流为I2=
I1=2×
1.0A=2.0A
变阻器阻值为:
R0=
Ω=55Ω
此时变压器的输出功率为
P2=I2·
U2=2.0×
110W=220W
可见,要使保险丝F不被熔断,电阻R的阻值不能小于55Ω,输出的电功率不能大于220W
当保险丝中电流是I0时,负载电阻应为允许最小的值。
★课余作业
书面完成P48“问题与练习”第2、3、5题;
思考并回答第1、4题。
★教学体会
思维方法是解决问题的灵魂,是物理教学的根本;
亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键,离开了思维方法和实践活动,物理教学就成了无源之水、无本之木。
学生素质的培养就成了镜中花,水中月。
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