备战2024年高考物理二轮重难点复习 探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系（解析版）.docx

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实验14探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系1.会用实验探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系，体会控制变量法，了解实验误差.2.知道变压器的工作原理，掌握变压器的特点，并能分析、解决实际问题.1．实验原理(1)实验电路图(如图所示)：(2)实验方法采用控制变量法①n1、U1一定，研究n2和U2的关系．②n2、U1一定，研究n1和U2的关系．2．实验器材学生电源(低压交流电源，小于12V)1个、可拆变压器1个、多用电表1个、导线若干．3．实验过程(1)保持原线圈的匝数n1和电压U1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估计被测电压的大致范围，选择多用电表交流电压挡适当量程，若不知道被测电压的大致范围，则应选择交流电压挡的最大量程进行测量．②组装可拆变压器：把两个线圈穿在铁芯上，闭合铁芯，用交流电压挡测量输入、输出电压．(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．重复(1)中步骤．4．数据处理由数据分析变压器原、副线圈两端电压U1、U2之比与原、副线圈的匝数n1、n2之比的关系．5．注意事项(1)在改变学生电源电压、线圈匝数前均要先断开电源开关，再进行操作．(2)为了人身安全，学生电源的电压不能超过12V，通电时不能用手接触裸露的导线和接线柱．(3)为了多用电表的安全，使用交流电压挡测电压时，先用最大量程挡试测，大致确定被测电压后再选用适当的挡位进行测量．【典例1】（2022·全国·高三课时练习）某同学在实验室进行“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验。（1）下列实验器材必需要用的有___________（选填字母代号）。 A．干电池组        B．学生电源C．多用电表        D．直流电压表E．滑动变阻器   F．条形磁体G．可拆变压器（铁芯、两个已知匝数的线圈）（2）下列说法正确的是___________（选填字母代号）。A．为确保实验安全，实验中要求原线圈匝数小于副线圈匝数B．要研究副线圈匝数对副线圈电压的影响，应该保持原线圈电压、匝数不变，改变副线圈的匝数C．测量电压时，先用最大量程试测，大致确定电压后再选用适当的挡位进行测量D．变压器开始正常工作后，铁芯导电，把电能由原线圈输送到副线圈（3）该同学通过实验得到了如下表所示的实验数据，表中n1、n2分别为原、副线圈的匝数，U1、U2分别为原、副线圈的电压，通过实验数据分析可以得到的实验结论是：___________。实验次数n1/匝n2/匝U1/VU2/V1160040012.12.90280040010.24.95340020011.95.92【答案】    BCG    BC##CB    在误差允许的范围内，原、副线圈的电压之比，等于原、副线圈的匝数之比，即【解析】（1）[1]实验中，必须要有学生电源提供交流电，B需要，A不需要；学生电源本身可以调节电压，无需滑动变阻器；需要用多用电表测量交流电压，C需要，DE不需要；本实验不需要用条形磁体，需用可拆变压器来进行实验，G需要，F不需要。综上所述，需要的实验器材为BCG。（2）[2]A．为确保实验安全，应该降低输出电压，实验中要求原线圈匝数大于副线圈匝数，故A错误；B．要研究副线圈匝数对副线圈电压的影响，应该保持原线圈电压、匝数不变，改变副线圈的匝数，进而测得副线圈电压，找出相应关系，故B正确；C．为了保护电表，测量副线圈电压时，先用最大量程试测，大致确定电压后再选用适当的挡位进行测量，故C正确； D．变压器的工作原理是电磁感应现象，若不计各种损耗，在原线圈上将电能转化成磁场能，在副线圈上将磁场能转化成电能，铁芯起到传递磁场能的作用，而不是靠铁芯导电来传输电能，故D错误。故选BC。（3）[3]通过数据分析可得，在误差允许的范围内，原、副线圈的电压之比，等于原、副线圈的匝数之比，即。【典例2】（2022·全国·高三专题练习）某学校高二（9）班物理实验课上，同学们用可拆变压器探究“变压器的电压与匝数的关系”。可拆变压器如图甲、乙所示。（1）下列说法正确的是___________。A．为确保实验安全，实验中要求原线圈匝数小于副线圈匝数B．变压器原线圈接低压交流电时，可以用多用电表的“直流电压挡”测量副线圈电压C．测量副线圈电压时，先用中间挡位的量程试测，大致确定后再选用适当的挡位D．研究副线圈匝数对副线圈电压的影响时，需保持原线圈电压、匝数不变，改变副线圈的匝数（2）变压器铁芯是由相互绝缘的薄硅钢片平行叠压而成的，而不是采用一整块硅钢，这样设计的原因是___________。A．减小涡流，提高变压器的效率B．增大涡流，提高变压器的效率C．增大铁芯中的电阻，以产生更多的热量（3）一位同学实验时，发现两个线圈的导线粗细不同。他选择的原线圈为800匝，副线为400匝，原线圈接学生电源的正弦交流输出端“6V”挡位，测得副线圈的电压为3.2V。则下列分析正确的是___________。A．原线圈导线比副线圈导线粗B．学生电源实际输出电压大于标注的“6V”C．原线圈实际匝数与标注的“800”不符，应大于800D．副线圈实际匝数与标注的“400”不符，应小于400 【答案】    D    A    B【解析】（1）[1]A．为确保实验安全，应该降低输出电压，实验中要求原线圈匝数大于副线圈匝数，故A错误；B．变压器只能改变交流电的电压，原线圈输入交流电压，副线圈输出交流电压，应用多用电表的“交流电压挡”测量，故B错误；C．为了保护电表，测量副线圈电压时，先用最大量程试测，大致确定电压后再选用适当的挡位进行测量，故C错误；D．研究变压器电压和匝数的关系，用到控制变量法，可以先保持原线圈电压、匝数不变，改变副线圈的匝数，研究副线圈匝数对副线圈电压的影响，故D正确。故选D；（2）[2]变压器只能改变交流电，不能改变直流电，变压器的铁芯如果是整块导体，内部发生电磁感应而产生感应电流的现象称为涡流现象，要损耗能量，不用整块的硅钢铁芯，其目的是增大电阻，从而减小涡流，减小发热量，提高变压器的效率，故A正确，BC错误。故选A；（3）[3]A．原线圈的匝数多，因此电压大电流小，由可知原线圈导线应该选用细的，故A错误；B．根据测得副线圈的电压偏高，可能是因为学生电源实际输出电压大于标注的“”，故B正确；C．如果原线圈实际匝数与标注的“800”不符，大于800，则测得副线圈的电压应偏低，而不是偏高，故C错误；D．如果副线圈实际匝数与标注的“400”不符，小于400，测得副线圈的电压应偏低，而不是偏高，故D错误。故选B。【典例3】（2022·北京大兴精华学校三模）物理实验一般都涉及实验目的、实验原理、实验仪器、实验方法、实验操作、数据分析等。例如： （1）实验仪器。下表是用图1中的多用电表进行测量的四次记录，a、b分别为测量时的指针位置。其中有的记录了量程（或倍率）但没有记录读数，有的记录了读数但没有记录量程（或倍率），请你填写表格中的各个空格。序号所测物理量量程或倍率指针读数①直流电压5Va______②直流电流______a11.3mA③电阻______a5.0×103Ω④电阻×100Ωb______（2）数据分析。某学生选用匝数可调的可拆变压器（视为理想变压器），如图2所示，做“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”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n2对输出电压U2的影响。以U2为纵坐标，n2为横坐标。在图3中画出变压器的输出电压U2与其匝数n2关系图像的示意图______，并说明U2-n2图像斜率的物理意义。______ 【答案】    1.14V##1.15V##1.16V    50mA    ×100Ω    400Ω        每匝线圈（原线圈或副线圈均可）产生的电压；或表示铁芯中磁通量的变化率【解析】（1）[1]电压表的读数为1.15V；[2]电流表的量程为50mA；[3]欧姆表的倍率为×100Ω[4]欧姆表的读数为（2）[5]根据解得变压器的输出电压U2与其匝数n2关系图像的示意图为[6]图像的斜率为每匝线圈（原线圈或副线圈均可）产生的电压；或表示铁芯中磁通量的变化率【典例4】（2022·北京·清华附中模拟预测）某实验小组用可拆变压器探究“变压器的电压与匝数的关系”，可拆变压器如图所示。（1）以下给出的器材中，本实验需要用到的是___________； A．干电池B．学生电源C．实验室用电压表D．多用电表（2）关于本实验，下列说法正确的是___________；A．为确保实验安全，实验中要求原线圈匝数小于副线圈匝数B．因为使用的电压较低，通电时可直接用手接触裸露的导线进行连接C．实验时可以保持原线圈电压、匝数不变，改变副线圈的匝数，探究副线圈匝数对副线圈电压的影响D．变压器开始正常工作后，通过铁芯导电将电能从原线圈传递到副线圈（3）某次实验中，用匝数匝和匝的线圈实验，测量的数据如下表所示，下列说法中正确的是___________；Ua/V1.802.803.804.90Ub/V4.006.018.029.98A．原线圈的匝数为na，用较粗导线绕制       B．副线圈的匝数为na，用较细导线绕制C．原线圈的匝数为nb，用较细导线绕制       D．副线圈的匝数为nb，用较粗导线绕制（4）为了减小能量传递过程中的损失，铁芯是由相互绝缘的硅钢片平行叠成。作为横档的铁芯Q的硅钢片应按照下列哪种方法设计___________。A．       B．     C．   D．   【答案】    BD##DB    C    C    D【解析】（1）[1]AB．实验中变压器原线圈需要输入交流电压，而干电池只能输出恒定直流电压，学生电源可以输出交流电压，故A不符合题意，B符合题意；CD．实验中变压器副线圈输出交流电压，而实验室用电压表只能测量直流电压，多用电表可以测量交流电压，故C不符合题意，D符合题意。故选BD。 （2）[2]A．为确保实验安全，实验中要求原线圈匝数大于副线圈匝数，从而使副线圈输出电压较低，故A错误；B．虽然使用的电压较低，但实验中仍有可能出现错接或者短路等情况发生，为了人身安全，通电时不能用手接触裸露的导线进行连接，故B错误；C．实验时可以保持原线圈电压、匝数不变，改变副线圈的匝数，探究副线圈匝数对副线圈电压的影响，故C正确；D．互感现象是变压器的工作基础，电流通过原线圈时在铁芯中激发磁场，由于电流的大小、方向在不断变化，铁芯中的磁场也在不断变化。变化的磁场在副线圈中产生感应电动势，因此变压器是通过铁芯传导磁路将电能从原线圈传递到副线圈，故D错误。故选C。（3）[3]由表格数据可知考虑到实验中所用变压器并非理想变压器，即存在功率损失，使得原、副线圈电压之比大于匝数比，所以原线圈的匝数为nb，副线圈的匝数为na，而副线圈电压较小，电流较大，所以为了尽量减少能量损失，副线圈所用导线应比原线圈粗，故ABD错误，C正确。故选C。（4）[4]由于变压器工作时会在铁芯Q中存在变化的磁通量，为了减小能量传递过程中的损失，应尽可能使铁芯Q中不产生较大的涡流，如图所示，应通过相互绝缘的硅钢片使平行于efgh的各平面和平行于abfe的各平面都不能形成闭合回路，所以作为横档的铁芯Q的硅钢片应按照平行于adhe平面的形式设计。故选D。【典例5】（2022·北京一七一中高三阶段练习）在“探究变压器线圈两端的电压和匝数的关系”实验中，可拆变压器如图所示。 （1）观察变压器的铁芯，它的结构和材料是：_________；A．整块硅钢铁芯            B．整块不锈钢铁芯            C．绝缘的铜片叠成            D．绝缘的硅钢片叠成（2）观察两个线圈的导线，发现粗细不同，导线粗的线圈匝数_________；（填“多”或“少”）（3）以下给出的器材中，本实验需要用到的是_________；（填字母）A．干电池                 B．学生电源            C．实验室用电压表                  D．多用电表（4）为了保证安全，低压交流电源的电压不要超过_________；（填字母）A．2V                            B．12V                            C．50V（5）在实际实验中将电源接在原线圈的“0”和“8”两个接线柱之间，用电表测得副线圈的“0”和“4”两个接线柱之间的电压为3.0V，则原线的输入电压可能为_________；（填字母）A．1.5V                         B．6.0V                           C．7.0V（6）等效法、理想模型法是重要的物理学方法，合理采用物理学方法会让问题变得简单，这体现了物理学科“化繁为简”之美。理想变压器是一种理想化模型。如图所示，心电图仪（将心肌收缩产生的脉动转化为电压脉冲的仪器，其输出部分可以等效为左侧虚线框内的交流电源和定值电阻串联）与一理想变压器的原线圈连接，一可变电阻R与该变压器的副线圈连接，原副线圈的匝数分别为、（右侧虚线框内的电路也可以等效为一个电阻）。在交流电源的电压有效值不变的情况下，在调节可变电阻R的过程中，当_________时，R获得的功率最大。【答案】    D    少    BD    B    C    【解析】（1）[1]观察变压器的铁芯，它的结构是绝缘的硅钢片叠成。 故选D。（2）[2]观察两个线圈的导线，发现粗细不同，根据可知匝数少的电流大，则导线越粗，即导线粗的线圈匝数少。（3）[3]实验中需要交流电源和多用电表，不需要干电池和直流电压表。故选BD。（4）[4]为了人体安全，低压交流电源的电压不要超过12V。故选B。（5）[5]若为理想变压器，则变压器线圈两端的电压与匝数的关系为根据题意，已知副线圈的电压为3V，则原线圈的电压为考虑到不为理想变压器，可能存在漏磁等现象，则原线圈所接的电源电压要大于6V，可能为7V。故选C。（6）[6]把变压器和R等效为一个电阻R1，R0当作电源内阻，当内外电阻相等，即此时输出功率最大，根据得代入解得即【典例6】（2022·江苏南京·模拟预测）做“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”的实验。 （1）以下给出的器材中，本实验需要用到的有__________。（填选项字母）A．       B．       C．D．       E.（2）下列说法正确的是__________A．变压器工作时副线圈电压频率与原线圈不相同B．实验中要通过改变原、副线圈匝数，探究原、副线圈的电压比与匝数比的关系，需要运用的科学方法是控制变量法C．为了人身安全，实验中只能使用低压直流电源，电压不要超过12VD．绕制降压变压器原、副线圈时，副线圈导线应比原线圈导线粗一些好（3）实验中，可拆变压器如图所示，为了减小涡流在铁芯中产生的热量，铁芯是由相互绝缘的硅钢片平行叠成，硅钢片应平行于平面__________。A．       B．       C．       D．（4）由于交变电流的电压是变化的，所以实验中测量的是电压的__________值（选填“平均”、“有效”或“最大”）；某次实验操作，副线圈所接多用电表的读数如图甲所示，其对应的选择开关如图乙所示，则此时电表读数为__________。 （5）若用匝数匝和匝的变压器做实验，对应的电压测量数据如下表所示。根据测量数据，则一定是__________线圈。（选填“原”或“副”）实验次数12340.901.401.902.402.003.014.025.02【答案】    BDE##BED##DBE##DEB##EBD##EDB    BD##DB    D    有效    4.8V    副【解析】（1）[1]实验中需要交流电源、变压器和交流电压表（万用表），不需要干电池和直流电压表，故AC错误，BDE正确。故选BDE。（2）[2]A．变压器工作时只是改变电压，不改变频率，副线圈电压频率与原线圈相同，故A错误；B．实验过程中，在原、副线圈匝数和原线圈两端电压三个变量中保持两个不变，改变一个来探究匝数比与原副线圈电压之比的关系，用的是控制变量法，故B正确；C．变压器改变的是交流电压，因此为了人身安全，原线圈两端只能使用低压交流电源，所用交流电压不能超过12V，而用直流电压变压器不能工作，故C错误；D．观察两个线圈的导线，发现粗细不同，由变压器工作原理知可知，匝数少的电流大，则导线应该粗；绕制降压变压器原、副线圈时，由于副线圈的匝数少，副线圈导线应比原线圈导线粗一些好，故D正确。故选BD。（3）[3]由图，根据楞次定律和右手螺旋定则，产生的涡旋电流的方向与面平行，为了减小涡流在铁芯中产生的热量，相互绝缘的硅钢片应垂直面，即平行于面，故ABC错误，D正确。故选D。（4）[4]由于交变电流的电压是变化的，实验中测量的是电压的有效值；[5]所选择为交流电压10V档，依题意，此时电表读数为4.8V。（5）[6]由于有漏磁、原副线圈内阻分压等因素，所以副线圈实际测量的电压值应该小于理论值，由理想变压器规律 由表格数据值U1总是略小于，故U1应该是副线圈的电压值，一定是副线圈。