高中物理《变压器》教案2 新人教版必修1.docx
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高中物理《变压器》教案2 新人教版必修1.docx
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高中物理《变压器》教案2新人教版必修1
2019-2020年高中物理《变压器》教案2新人教版必修1
教学目标:
知识与技能:
(1)知道变压器的构造
(2)理解互感现象,理解变压器的工作原理。
(3)理解理想变压器原、副线圈中电压与匝数的关系,能应用它分析解决有关问题。
(4)理解理想变压器原、副线圈中电流与匝数的关系,能应用它分析解决有关问题。
(5)知道课本中介绍的几种常见的变压器。
过程与方法:
(1)用电磁感应去理解变压的工作原理,培养学生综合应用所学知识的能力。
(2)讲解理想变压器使学生了解建立物理模型的意义.(抓主要因素,忽略次要因素,排除无关因素)
情感、态度与价值观:
(1)使学生体会到能量守恒定律是普遍适用的。
(2)培养学生实事求是的科学态度。
教学重点:
变压器工作原理
教学难点:
变压器是如何将原线圈的电能传输给副线圈的
教学过程:
新课导入:
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。
一般的家用电器需要220V的电压,动力用电需380V电压,机床上的照明灯需要36V的安全电压,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。
新课教学:
(一)变压器的原理:
1、构造:
出示可拆变压器,引导学生观察,变压器主要由哪几部分构成?
变压器是由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成。
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。
2、工作原理:
演示实验:
原线圈接交流电源,副线圈接小灯泡,小灯泡发光。
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。
这个交变的磁通量既穿过原线圈,也穿过副线圈,在原、副线圈中都要产生感应电动势。
当副线圈接负载时,副线圈相当于交流电源向负载供电。
在副线圈中产生交变电流,它也在铁芯中产生交变磁通量,这个交变磁通量既穿过副线圈,也穿过原线圈,在原、副线圈中同样要引起感应电动势。
在原副线圈中由于有交变电流而发生的互相感应现象,叫做互感现象。
互感现象是变压器工作的基础。
从能量转化的角度,变压器是把电能转化为磁场能,再将磁场能转化为电能的装置。
由于互感现象,尽管两个线圈之间没有导线相连,电能却可以通过磁场从原线圈到达副线圈。
问:
变压器的铁芯起什么作用?
如果无铁芯,并排放置的原副线圈也发生互感现象,但原副线圈所激发的交变磁场的磁感线只有一小部分穿过对方,漏失的磁感线不会在原副线圈中传送电能。
如有铁芯,由于磁化,绝大部分磁感线集中在铁芯内部,大大提高了变压器的效率。
变压器对恒定电流不能变压。
因为变压器接入恒定电流,在铁芯中不会产生交变的磁通量,没有互感现象出现。
(二)理想变压器:
没有漏磁及发热损失的变压器,即没有能量损失的变压器叫理想变压器。
1、实验探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系:
(1)保持原线圈匝数不变,改变副线圈的匝数,研究其对副线圈电压的影响;
(2)保持副线圈匝数不变,改变原线圈的匝数,研究其对副线圈电压的影响;
2、推导理想变压器的变压比公式:
设原线圈的匝数为N1,副线圈的匝数为N2,在不考虑铁芯漏磁的情况下,穿过原、副线圈的磁通量变化率相同。
在原副线圈中产生的感应电动势分别为:
,,;
对于理想变压器,不考虑原、副线圈的电阻,则,;
时,,变压器使电压升高,这种变压器叫做升压变压器;
时,,变压器使电压降低,这种变压器叫做降压变压器;
当有几组副线圈时,有:
3、功率关系:
对于理想变压器,不考虑能量损失,有;
4、电流关系:
当只有一个副线圈时,
当有多个副线圈时,
问:
绕制原副线圈的导线粗细一样吗?
粗细不一样。
高压线圈匝数多而通过的电流小,用较细的导线;低压线圈匝数少而通过的
电流大,用较粗的导线。
需注意的几个问题:
(1)变压器输出电压与输入电压的频率相等。
(2)当理想变压器原、副线圈的匝数不变时,如果变压器的负载发生变化,确定其他物理量时,依据以下原则:
①输入电压决定输出电压;,当不变时,不论负载电阻是否变化,
都不会改变。
②输出电流决定输入电流;在输入电压一定的情况下,输出电压也被确定。
当负载电阻R减小时,增大,则相应增大;当负载电阻R增大时,减小,则
相应减小;
③输出功率决定输入功率;理想变压器的输入功率与输出功率相等。
在输入电压
一定的情况下,输出电压也被确定。
当负载电阻R增大时,,减小,减小,
输入功率也相应的减小;当负载电阻R减小时,,增大,增大,输入功率也相应的增大;
(三)几种常见的变压器:
(1)自耦变压器:
如图所示是自耦变压器的示意图。
这种变压器的特点是
铁芯上只绕有一个线圈,如果把整个线圈作原线圈,
副线圈只取线圈的一部分,将可以降低电压;
如果把线圈的一部分作原线圈,这个线圈作副线圈,
就可以升高电压。
(2)调压变压器:
属于自耦变压器。
构造如图所示,线圈AB绕在一个
圆环形的铁芯上,AB之间加上输入电压,移动滑动
触头P的位置就可以调节输出电压。
(3)互感器:
交流电压表和电流表都有一定的量度范围,不能直接测量高电压和大电流。
可以用变压器把高电压变成低电压,或者把大电流变成小电流。
互感器分为电压互感器和电流互感器两种。
①用来把高电压变成低电压。
原线圈并联在高压电路中,
副线圈上接上交流电压表,根据电压表测得的电压
和铭牌上标明的变压比(),就可以算出高压电路中的电压。
为了工作安全,电压互感器的铁壳和副线圈应该接地。
②用来把大电流变成小电流。
它的原线圈串联在被测电路中,
副线圈上接入交流电流表。
根据电流表测得的电流和铭牌上
标明的变流比(),可以算出被测电路中的电流。
如果被测电路是高压电路,为了工作安全,同样要把电流互感器的外壳和副线圈接地。
例1、
如图所示,理想变压器原、副线圈的匝数比n1:
n2=4:
1,当导体棒在匀强磁场中向左做匀速直线运动切割磁感线时,电流表A1的示数是12mA,则电流表A2的示数为(B)
A、2mA
B、0mA
C、48mA
D、与负载R的值有关
解析:
变压器不能工作在恒定电压和恒定电流的电路,导体棒向左匀速切割磁感线时,在原线圈中通过的是恒定电流,不能引起副线圈磁通量的变化,在副线圈中无感应电动势产生,所以A2中无电流通过。
例2、
如图所示,理想变压器的原、副线圈匝数之比为n1:
n2=4:
1,原线圈回路中的电阻A与副线圈回路中的负载电阻B的阻值相等。
a、b端加一交流电压后,两电阻消耗的电功率之比
PA:
PB=________,两电阻两端的电压之比UA:
UB=_________。
解析:
原、副线圈中的电流之比:
,,
例3、
如图所示,(a)是一理想变压器的电路连接,(b)是在原线圈两端所加的电压随时间变化的关系图象,已知原副线圈的匝数比为10:
1,电流表A2的示数为2A,开关S断开,求:
(1)变压器输入功率和电压表的示数;
(2)将开关S闭合,定性分析电路中三只电表的示数变化情况。
解析:
(1)由图(b)可知电压的有效值U1=200V,由得副线圈电压=20V,变压器的输入功率P1等于P2,P1=P2=U2I2=20×2=40W。
(2)将S闭合,U2不变,即电压表示数保持为20V不变,由于负载增多,负载的总电阻减小,电流表A2的示数增大,副线圈的输出功率增加,原线圈的输入功率随之增加,电流表A1的示数增大。
例4、
如图所示,理想变压器有两个副线圈,原线圈1接220V的交流电源,副线圈2的匝数为30匝,两端并有“12V、12W”的灯泡L正常发光,副线圈3的输出电压为110V,接有电阻R,通过R的电流为0.4A,求:
(1)副线圈3的匝数n3;
(2)原线圈1的匝数n1和通过它的电流I1。
解析:
理想变压器线圈两端的电压与匝数成正比,输入功率等于输出的总功率,对于有几个副线圈的情况也成立,但存在多个副线圈时电流关系要从功率关系来确定。
(1)由得=275匝
(2)由得=550匝
由P1=P2+P3=(12+110×0.4)W=56W得原线圈中的电流=0.255A
例5、
在绕制变压器时,某人将两个线圈在如图所示变压器铁芯的左右两个臂上。
当通以交流电时,每个线圈产生的磁通量都一半通过另一个线圈,另一半通过中间的臂。
已知线圈1、2的
匝数之比为。
在不接负载的情况下(BD)
A、当线圈1输入电压为220V时,线圈2输出电压为110V
B、当线圈1输入电压为220V时,线圈2输出电压为55V
C、当线圈2输入电压为110V时,线圈1输出电压为220V
D、当线圈2输入电压为110V时,线圈1输出电压110V
解析:
,
,
小结:
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流的电压和电流,利用了原副线圈的互感现象。
对于理想变压器:
,,;
(3)日常生活中常见的变压器。
作业:
创新课时训练:
P27-28
2019-2020年高中物理《变压器》教案2新人教版选修3-2
●本节教材分析
变压器是交变电路中常见的一种电器设备,也是远距离输送交流电不可缺少的装置.在讲解变压器的原理时,要积极引导学生从电磁感应的角度说明:
原线圈上加交流电压产生交流电流,铁芯中产生交变磁通量,副线圈中产生交变电动势,副线圈相当于交流电源对外界负载供电.要向学生强调,从能量转换的角度看,变压器是把电能通过磁场能转换成电能的装置,经过转换后一般电压、电流都发生了变化.有的学生认为变压器铁芯是带电的.针对这种错误认识,可让学生根据电磁感应原理,经过独立思考了解到变压器铁芯并不带电,铁芯内部有磁场(铁芯外部磁场很弱).
要让学生明白,互感现象是变压器工作的基础.要让学生在学习电磁感应的基础上理解互感现象.这里的关键是明白原线圈和副线圈有共同的铁芯,穿过它们的磁通量和磁通量变化时刻都是相同的.因而,其中的感应电动势之比只与匝数有关.这样,原副线圈的匝数不同,就可以改变电压了.
要使学生明白,理想变压器是忽略了变压器中的能量损耗,它的输出功率与输入功率相等,这样才得出原、副线圈的电压、电流与匝数的关系.在解决有两个副线圈的变压器的问题时,不做统一的要求,不必急于去分析这类问题,对学有余力的学生,可引导他们进行分析讨论.
变压器在生产和生活中有十分广泛的应用.课本中介绍了一些,教学中可根据实际情况向学生进行介绍,或看挂图、照片、实物或参观,以开阔学生眼界,增加实际知识.
●教学目标
一、知识目标
1.知道变压器的构造.
2.理解互感现象,理解变压器的工作原理.
3.理解理想变压器原、副线圈中电压与匝数的关系,能应用它分析解决有关问题.
4.理解理想变压器原、副线圈中电流与匝数的关系,能应用它分析解决有关问题.
5.知道课本中介绍的几种常见的变压器.
二、技能目标
1.用电磁感应去理解变压的工作原理,培养学生综合应用所学知识的能力.
2.讲解理想变压器使学生了解建立物理模型的意义.(抓主要因素,忽略次要因素,排除无关因素)
三、情感态度目标
1.使学生体会到能量守恒定律是普遍适用的.
2.培养学生实事求是的科学态度.
●教学重点
变压器工作原理.
●教学难点
变压器是如何将原线圈的电能传输给副线圈的.
●教学方法
实验探究、演绎推理.
●教学用具
可拆变压器、交流电压表、交流电流表、灯泡、自耦变压器、调压器、导线等.
●课时安排
1课时
●教学过程
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.
二、新课教学
1.变压器原理
[师]出示可拆变压器,引导学生观察,变压器主要由哪几部分构成?
[生]变压器是由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成.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.
[师]画出变压器的结构示意图和符号,如下图所示:
[演示]将原线圈接照明电源,交流电压表接到不同的副线圈上,观察交流电压表是否有示数?
[生]电压表有示数且示数不同.
[师]变压器原、副线圈的电路并不相同,副线圈两端的交流电压是如何产生的?
请同学们从电磁感应的角度去思考.
[生]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.
[师]物理上把原副线圈中由于有交变电流而发生的互相感应现象,叫做互感现象.互感现象是变压器工作的基础.
[生]变压器的铁芯起什么作用?
[师]如果无铁芯,并排放置的原副线圈也发生互感现象,但原副线圈所激发的交变磁场的磁感线只有一小部分穿过对方,漏失的磁感线不会在原副线圈中传送电能.如有铁芯,由于磁化,绝大部分磁感线集中在铁芯内部,大大提高了变压器的效率.
[生]原副线圈中,感应电动势大小跟什么有关系?
[师]与线圈中磁通量变化率及线圈匝数成正比.
师生共同活动:
1.实验探究得出理想变压器得变比关系
2.推导理想变压器的变压比公式.
设原线圈的匝数为N1,副线圈的匝数为N2,穿过铁芯的磁通量为Φ,则原副线圈中产生的感应电动势分别为
E1=N1
E2=N2
在忽略漏磁的情况下,ΔΦ1=ΔΦ2,由此可得
在忽略线圈电阻的情况下,原线圈两端的电压U1与感应电动势E1相等,则有U1=E1;副线圈两端的电压U2与感应电动势E2相等,则有U2=E2.于是得到
[师]请同学们阅读教材,回答下列问题:
(1)什么叫理想变压器?
(2)什么叫升压变压器?
(3)什么叫降压变压器?
(4)电视机里的变压器和复读机里的变压器各属于哪一类变压器?
[生1]忽略原、副线圈的电阻和各种电磁能量损失的变压器,叫做理想变压器.
[生2]当N2>N1时,U2>U1,这样的变压器叫升压变压器.
[生3]当N2<N1时,U2<U1,这样的变压器叫降压变压器.
[生4]电视机里的变压器将220V电压升高到10000V以上属升压变压器;复读机的变压器将220V电压降到6V,属于降压变压器.
[师]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?
[生]P出=P入
[师]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?
[生]据P出=U2I2,P入=U1I1及P出=P入得:
U2I2=U1I1
则:
[师]绕制原副线圈的导线粗细一样吗?
[生]粗细不一样.高压线圈匝数多而通过的电流小,用较细的导线;低压线圈匝数少而通过的电流大,用较粗的导线.
2.几种常见的变压器
[师]变压器的种类很多,请同学们阅读教材,了解几种常见的变压器,并回答下列问题:
(1)自耦变压器有何特点?
(2)自耦变压器如何作升压变压器?
又如何作降压变压器?
(3)互感器分为哪几类?
(4)电压互感器的作用是什么?
(5)电流互感器的作用是什么?
[生1]自耦变压器只有一个线圈,滑动头位置变化时,输出电压会连续发生变化.
[生2]若把整个线圈作副线圈,线圈的一部分作原线圈,为升压变压器;若把线圈的一部分作副线圈,整个线圈作原线圈,为降压变压器.
[生3]互感器分为两类,即电压互感器和电流互感器.
[生4]电压互感器用来把高电压变成低电压.它的原线圈并联在高压电路中,副线圈上接入交流电压表,根据电压表测得的电压U2和变压比,就可以算出高压电路中的电压.
[生5]电流互感器用来把大电流变成小电流.它的原线圈串联在被测电路中,副线圈上接入交流电流表.根据电流表测得的电流I2和变流比,可以算出被测电路中的电流.
三、小结
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:
忽略一切电磁损耗,有
P输出=P输入
4.日常生活和生产中使用各种类型的变压器,但它们遵循同样的原理.
四、作业(略)
五、板书设计
六、本节优化训练设计
【例1】理想变压器原、副线圈的匝数比n1:
n2=4:
1,当导体棒在匀强磁场中向左做匀速直线运动切割磁感线时,图中电流表A1的示数12mA,则电流表A2的示数为()
A.3mAB.0C.48mAD.与负载R的值有关
【例2】一理想变压器,其原线圈2200匝,副线圈440匝,并接一个100Ω的负载电阻,如图所示。
(1)当原线圈接在44V直流电源电源上时,电压表示数为________V,电流表示数为______A.
(2)当原线圈接在220V交变电源上时,电压表示数为________V,电流表示数为_______A,此时输入功率为_______W.
【例3】钳形电流表的外形和结构如图(a)所示。
图(a)中电流表的读数为1.2A。
图(b)中用同一电缆线绕了3匝,则()
A.这种电流表能测直流电流,图(b)的读数为2.4A
B.这种电流表能测交流电流,图(b)的读数为0.4A
C.这种电流表能测交流电流,图(b)的读数为3.6A
D.这种电流表既能测直流电流,又能测交流电流,图(b)的读数为3.6A
【例4】为了保证用电安全,家庭居室的室内电路前端一般都安装漏电保护开关,如图所示是保护开关的电路原理简图.
问:
(1)电路正常工作时,b线圈是没有电流的,原因是什么?
(2)如果站在地上的人不小心接触火线时,b线圈为什么会产生感应电流?
【例5】一台理想变压器原线圈匝数n1=1100匝,两个副线圈的匝数分别是n2=60匝,n3=600匝。
若通过两个副线圈中的电流分别为I2=1A,I3=4A,求原线圈中的电流。
【例6】在绕制变压器时,某学生误将两个线圈绕在如图所示变压器左右两臂上,当通以交变电流时,每个线圈产生的磁通量都只有一半通过另一个线圈,另一半通过中部的臂,已知线圈的匝数之比n1:
n2=2:
1.在不接负载的情况下,则----------()
A.当线圈1输入电压为220V时,线圈2输出电压为110V
B.当线圈1输入电压为220V时,线圈2输出电压为55V
C.当线圈2输入电压为110V时,线圈1输出电压为220V
D.当线圈2输入电压为110V时,线圈1输出电压为110V
【例7】一理想变压器如图所示,在n1两端接交流电U1=220V,n1为4400匝,n2为1100匝。
若要使U3=U2,求n3。
●备课资料
理想变压器与实际变压器
理想变压器是对实际变压器作理想化处理后得到的结果.中学物理教材对变压器的讨论,都是在理想化基础上进行的,即认为变压器线圈电阻为零,磁通量全部集中在铁芯中以及变压器运行时内部损耗忽略不计.由此导出原、副绕组的电压平衡方程:
U1=E1,U2=E2;电压关系:
;电流关系:
和功率传输关系:
P1=P2.
上述关系基本上反映了变压器的运行规律,但理想变压器与实际变压器存在一定的差距,在某些条件下,这种差距还相当大,以致个别公式并不适用.下面从四个方面作进一步分析.
(1)原、副绕组的电压平衡方程
实际变压器考虑了线圈电阻以及漏磁通的影响,因此其电压平衡方程为:
空载时;负载运行时
.式中R1、X1和R2、X2分别为原副绕组的电阻和漏电抗,为空载电流,为副边开路电压.
由于电流(I0)在R1、X1上的压降与主磁感应电动势相比数值很小,可以忽略,故有=-.同理,如将在R2和X2上产生的压降忽略,则在空载和负载下,均有=.仅考虑数值大小,我们就得到了理想变压器的电压平衡方程:
=,=.不过从下面的分析可知,U2=E2的处理是近似的.
(2)原、副绕组的电压关系式
对于实际变压器,空载时有U1E1,U20=E2,因此=.负载时从图所示的外特性曲线可知,当负载为电阻性及电感性时,U2随I2的增大而下降,并且功率因数cosφ2愈小,U2下降愈厉害;当负载为电容性时,U2随I2的增大而升高,U2≠E2,故≠.不过由于电压变动率一般在5%左右,所以近似认为=,即理想变压器的电压关系成立.
(3)原、副绕组的电流关系
由磁势平衡方程,可得到实际变压器原、副绕组的电流关系:
.因为变压器运行在额定负载时,只占的百分之几,故可略去,即有.如只考虑数值关系,则有,这就是理想变压器的电流关系式.
这里我们要指出,当变压器运行在轻载或空载状态时,I1/I2=N2/N1不成立,原因是此时与相比,绝对不可以忽略.
(4)功率传输关系及效率
效率曲线
实际变压器输入、输出功率关系为P1=PFe+PCu+P2,式中PFe为铁损,包括磁滞损耗和涡流损耗;PCu为铜损,即电流在线圈电阻上消耗的功率.变压器的效率η=P1/P2×100%,效率η与输出功率的关系如图所示.
如忽略PFe和PCu,则得到理想变压器功率传输关系:
P1=P2和η=100%.由于大型变压器运行在额定值附近时,效率可达97%~99.5%,故此时理想变压的关系式均成立.不过请注意,当变压器在轻载和空载条件下运行,其效率是比较低的,也就是此时P1=P2、η=100%均不成立.
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