高中物理人教版 (新課標(biāo))選修34 變壓器教學(xué)設(shè)計(jì)-教案下載-教習(xí)網(wǎng)

5.4 變壓器【教學(xué)目標(biāo)】（一）知識與技能 1．知道變壓器的構(gòu)造，了解變壓器的工作原理。 2．理解理想變壓器原、副線圈中電壓與匝數(shù)的關(guān)系，能應(yīng)用它分析解決有關(guān)問題。（二）過程與方法在探究變壓比和匝數(shù)比的關(guān)系中培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用物理理想化模型分析問題、解決問題的能力。（三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀 1．使學(xué)生體會到能量守恒定律是普遍適用的。 2．培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。【教學(xué)重點(diǎn)】探究變壓比和匝數(shù)比的關(guān)系。【教學(xué)難點(diǎn)】探究變壓比和匝數(shù)比的關(guān)系。【教學(xué)方法】實(shí)驗(yàn)探究法、閱讀法、講解法。【教學(xué)工具】學(xué)生電源、可拆變壓器、交流電壓表、交流電流表、燈泡【教學(xué)過程】（一）引入新課師：在實(shí)際應(yīng)用中，常常需要改變交流的電壓.大型發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流，電壓有幾萬伏，而遠(yuǎn)距離輸電卻需要高達(dá)幾十萬伏的電壓。各種用電設(shè)備所需的電壓也各不相同。電燈、電飯煲、洗衣機(jī)等家用電器需要220 V的電壓，機(jī)床上的照明燈需要36 V的安全電壓。一般半導(dǎo)體收音機(jī)的電源電壓不超過10 V，而電視機(jī)顯像管卻需要10000 V以上的高電壓。交流便于改變電壓，以適應(yīng)各種不同需要。變壓器就是改變交流電壓的設(shè)備。這節(jié)課我們學(xué)習(xí)變壓器的有關(guān)知識。［板書課題］變壓器（二）進(jìn)行新課 1．變壓器的原理思考與討論：(見教材圖5.4-1) 師：按上圖所示連接好電路，接通電源，觀察燈泡是否發(fā)光。生：燈泡亮了。師：兩個(gè)線圈并沒有直接接觸，燈泡為什么亮了呢？這個(gè)實(shí)驗(yàn)說明了什么？生1：當(dāng)一個(gè)線圈中同交變電流時(shí)，變化的電流產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場在另一個(gè)線圈中激起感生電場，從而產(chǎn)生感生電動勢，燈泡中有了感應(yīng)電流，故燈泡發(fā)光。生2：實(shí)驗(yàn)說明，通過互感現(xiàn)象，電源的能量可以從一個(gè)線圈傳輸給另一個(gè)線圈。師：變壓器就是由閉合鐵芯和繞在鐵芯上的兩個(gè)線圈構(gòu)成的。一個(gè)線圈跟電源連接，叫原線圈（初級線圈），另一個(gè)線圈跟負(fù)載連接，叫副線圈（次級線圈）。兩個(gè)線圈都是絕緣導(dǎo)線繞制成的。鐵芯由涂有絕緣漆的硅鋼片疊合而成。師：畫出變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖和符號，如下圖所示：互感現(xiàn)象時(shí)變壓器工作的基礎(chǔ)。在原線圈上加交變電壓U1，原線圈中就有交變電流，它在鐵芯中產(chǎn)生交變的磁通量。這個(gè)交變磁通量既穿過原線圈，也穿過副線圈，在原、副線圈中都要引起感應(yīng)電動勢。如副線圈是閉合的，在副線圈中就產(chǎn)生交變電流，它也在鐵芯中產(chǎn)生交變的磁通量，在原、副線圈中同樣引起感應(yīng)電動勢。副線圈兩端的電壓就是這樣產(chǎn)生的。所以，兩個(gè)線圈并沒有直接接觸，通過互感現(xiàn)象，副線圈也能夠輸出電流。師：在輸入電壓一定時(shí)，原線圈、副線圈取不同的匝數(shù)，副線圈輸出的電壓也不一樣，變壓器由此得名。那么，變壓器線圈兩端的電壓與匝數(shù)有何關(guān)系呢？下面我們通過實(shí)驗(yàn)來探究。實(shí)驗(yàn)：目的：探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數(shù)的關(guān)系器材：可拆變壓器，學(xué)生電源，多用電表，導(dǎo)線若干實(shí)驗(yàn)步驟：（1）按圖示電路連接電路（2）原線圈接低壓交流電源6V，保持原線圈匝數(shù)n1不變，分別取副線圈匝數(shù)n2=n1，n1，2 n1，用多用電表交流電壓檔分別測出副線圈兩端的電壓，記入表格。（3）原線圈接低壓交流電源6V，保持副線圈匝數(shù)n2不變，分別取原線圈匝數(shù)n1=n2，n2，2 n2，用多用電表交流電壓檔分別測出副線圈兩端的電壓，記入表格。 U1＝6V （4）總結(jié)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得出結(jié)論。注意事項(xiàng)：（1）連接好電路后，同組同學(xué)分別獨(dú)立檢查，然后由老師確認(rèn)，電路連接無誤才能接通電源。（2）注意人身安全。只能用低壓交流電源，電源電壓不能超過12V （3）使用多用電表交流電壓檔測電壓時(shí)，先用最大量程測試，然后再用適當(dāng)?shù)膿跷贿M(jìn)行測量。 2．電壓與匝數(shù)的關(guān)系師：從實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)什么規(guī)律？生：原、副線圈兩端的電壓之比等于兩個(gè)線圈的匝數(shù)之比。師：寫出數(shù)學(xué)表達(dá)式。生：師：電流通過變壓器線圈是會發(fā)熱，鐵芯在交變磁場的作用下也會發(fā)熱。所以，變壓器工作時(shí)存在能量損失。沒有能量損失的變壓器叫做理想變壓器。，只適用于理想變壓器。實(shí)際上變壓器的工作效率都很高，在一般的計(jì)算中，可以把實(shí)際變壓器視為理想變壓器。師：理想變壓器原線圈的輸入功率與副線圈的輸出功率有什么關(guān)系？生：因?yàn)槔硐胱儔浩鳑]有能量損失，所以P出=P入師：若理想變壓器只有一個(gè)副線圈，則原副線圈中的電流I1與I2有什么關(guān)系？生：據(jù)P出=U2I2，P入=U1I1及P出=P入得：U2I2=U1I1 則：師：上式是理想變壓器只有一個(gè)副線圈時(shí)，原副線圈中的電流比公式。如果副線圈的電壓高于原線圈的電壓，這樣的變壓器叫升壓變壓器；如果副線圈的電壓低于原線圈的電壓，這樣的變壓器叫降壓變壓器。那么兩種變壓器的匝數(shù)關(guān)系如何？生：升壓變壓器，n2＞n1，降壓變壓器，n2＜n1。師：兩種變壓器原副線圈電流的大小關(guān)系如何？生：升壓變壓器，I2I1。師：在繞制升壓變壓器原副線圈時(shí)，副線圈導(dǎo)線應(yīng)比原線圈導(dǎo)線粗一些好，還是細(xì)一些好？降壓變壓器呢？生：因?yàn)樯龎鹤儔浩鳎琁2I1，所以副線圈導(dǎo)線要比原線圈導(dǎo)線粗一些。師：課后請大家閱讀教材47頁“科學(xué)漫步”，了解互感器的工作原理和應(yīng)用。（三）課堂總結(jié)、點(diǎn)評本節(jié)課主要學(xué)習(xí)了以下內(nèi)容： 1．變壓器主要由鐵芯和線圈組成。 2．變壓器可改變交變電的電壓和電流，利用了原副線圈的互感現(xiàn)象。 3．理想變壓器：沒有能量損失的變壓器，是理想化模型。有P輸出=P輸入（四）實(shí)例探究 1、理想變壓器基本規(guī)律【例1】一個(gè)正常工作的理想變壓器的原副線圈中，下列的哪個(gè)物理量不一定相等（） A．交流的頻率 B．電流的有效值 C．電功率 D．磁通量變化率解析：變壓器可以改變原副線圈中的電流，因此原副線圈中的電流不一定有相同有效值，所以選B.由于穿過原線圈的磁通量全部穿過副線圈，因而原副線圈的磁通量變化率相同，D錯(cuò).變壓器的工作基礎(chǔ)是電磁感應(yīng)，副線圈中感應(yīng)的交流頻率與原線圈交流頻率是相同的，A錯(cuò).理想變壓器原線圈輸入功率等于副線圈輸出功率，因此C錯(cuò). 答案：B 點(diǎn)評：變壓器工作時(shí)，原副線圈電壓和電流不一定相同，但對理想變壓器來說，原副線圈一定相同的量有（1）電功率，（2）磁通量變化率，（3）交流的頻率 2、理想變壓器的綜合應(yīng)用【例2】如圖所示為一理想變壓器，K為單刀雙擲開關(guān)，P為滑動變阻器的滑動觸頭，U1為加在原線圈兩端的電壓，I1為原線圈中的電流，則（） A．保持U1及P的位置不變，K由a合到b時(shí)，I1將增大 B．保持U1及P的位置不變，K由b合到a時(shí)，R消耗功率減小 C．保持U1不變，K合在a處，使P上滑，I1將增大 D．保持P的位置不變，K合在a處，若U1增大，I1將增大解析：K由a合到b時(shí)，n1變小，而得I1=I2由I2=，U2=U1所以I1=··U1，n2和R不變，n1減小時(shí)I1增大，所以A對。 K由b合到a時(shí)，P2=，而U2=U1，所以P2=·.U1、n2和R不變，n1增大時(shí)P2減小，所以B對。 P上滑時(shí)，R增大，由前I1=·，U1、n1和n2不變，R增大時(shí)，I1減小，所以C錯(cuò)。 U1增大時(shí)，由前I1=·，n1、n2和R不變，U1增大時(shí)，I1增大，所以D對。所以應(yīng)選A、B、D。答案：ABD 點(diǎn)評：處理這類問題的關(guān)鍵是要分清變量與不變量，弄清理想變壓器中各量間的聯(lián)系和制約關(guān)系，在理想變壓器中，U2由U1和匝數(shù)比決定；I2由U2和負(fù)載電阻決定；I1由I2和匝數(shù)比決定【例3】如圖所示，接于理想變壓器的四個(gè)燈泡規(guī)格相同，且全部正常發(fā)光，求三個(gè)線圈的匝數(shù)比n1∶n2∶n3. 解析：由于四個(gè)規(guī)格相同的燈泡都正常發(fā)光，所以三個(gè)線圈中的電流均相同，即I1=I2=I3=I. 設(shè)n1、n2、n3三個(gè)線圈兩端的電壓分別為：U1、U2、U3，接在原線圈中燈泡兩端的電壓為U0，則有： U0=U3=，所以，，即設(shè)電源電壓為U，則有U=U0+U1 根據(jù)理想變壓器輸入功率等于輸出功率，則有：UI=U0I+U2I+U3I，即UI=4U3I 所以U=4U3，U1=U-U0=3U3 即，即因此三個(gè)線圈的匝數(shù)比n1∶n2∶n3=3∶2∶1. 點(diǎn)評：對理想變壓器來說，變壓公式和輸入功率等于輸出功率是普遍適用的規(guī)律，對于有幾個(gè)副線圈的理想變壓器，電流公式就不能使用了。（五）鞏固練習(xí) 1．理想變壓器的原線圈的匝數(shù)為110匝，副線圈匝數(shù)為660匝，若原線圈接在6 V的電池上，則副線圈兩端電壓為（） A.36 V B.6 V C.1 V D.0 V 解析：因?yàn)殡姵厥欠€(wěn)恒直流電源。答案：D 點(diǎn)評：從變壓器的工作原理入手思考。 2．當(dāng)理想變壓器副線圈空載時(shí)，副線圈的（） A.負(fù)載電阻為0 B.輸出電流為0 C.兩端電壓為0 D.輸出功率為0 答案：BD 點(diǎn)評：空載相當(dāng)于負(fù)載電阻無窮大 3．理想變壓器原、副線圈的電流為I1、I2，電壓為U1、U2，功率為P1、P2，關(guān)于它們的關(guān)系，正確的是（） A.I2由I1決定 B.U2與負(fù)載有關(guān) C.P1由P2決定 D.U1由U2決定解析：變壓器工作時(shí)，原線圈接在電源上，對理想變壓器來說，原線圈電壓U1總等于電源電壓，即U1是由電源電壓決定，由U2=U1知，對于一定變壓器來說一定，U2是由U1決定，當(dāng)U1一定時(shí)，U2是由決定，即U2與負(fù)載無關(guān)，即B和D錯(cuò)。由I1=U1知，U1和確定時(shí)，U2是確定的，而I2=，R為負(fù)載電阻，R變化時(shí)，I2發(fā)生變化，從而引起I1發(fā)生變化，因此I1由I2決定，所以A錯(cuò).負(fù)載電阻變化，會引起副線圈電流變化，從而引起輸出功率P2變化，P2變化又會引起P1的變化，即P1是由P2決定的，所以正確答案是C. 答案：C 點(diǎn)評：對于一定的變壓器來說，U2由U1決定，I1由I2決定，P1由P2決定 4．一臺理想變壓器原、副線圈匝數(shù)比為22∶1，當(dāng)原線圈兩端輸入u1=220sin314t V的交變電壓時(shí)，下列說法正確的是（） A.]副線圈兩端電壓為12 V B.副線圈接一10 Ω電阻時(shí)，原線圈中的電流為1 A C.副線圈接一10 Ω電阻時(shí)，原線圈中輸入功率為10 W D.變壓器鐵芯中磁通量變化率的最大值是220 V 解析：原線圈兩端的電壓為U1=220 V，由變壓器的變壓比=得副線圈兩端電壓為U2=10 V，副線圈接一10 Ω電阻，副線圈中電流I2=1 A，電功率P2=U2I2=10 W，原線圈輸入功率也為10 W；由變壓器的變流比得I1= A，鐵芯中磁通量的變化率最大值為，由于具體的匝數(shù)未知，所以磁通量變化率的最大值未知.所以正確答案是C. 答案：C 點(diǎn)評：利用理想變壓器的關(guān)系求解 5．一理想變壓器原線圈接交流、副線圈接電阻，下列哪些方法可使輸入功率增加為原來的2倍（） A.次級線圈的匝數(shù)增加為原來的2倍 B.初級線圈的匝數(shù)增加為原來的2倍 C.負(fù)載電阻變?yōu)樵瓉淼?倍 D.副線圈匝數(shù)和負(fù)載電阻均變?yōu)樵瓉淼?倍解析：變壓器的輸入功率由輸出功率決定，即P入=P出，輸出功率P出=，U增大為原來的2倍，負(fù)載電阻也變?yōu)樵瓉淼?倍時(shí)，P出為原來2倍。答案：D 點(diǎn)評：輸入功率由輸出功率決定 6．用理想變壓器給負(fù)載R供電，下列哪些辦法可以減小變壓器原線圈中的電流（） A．增加原線圈的匝數(shù) B．增加副線圈的匝數(shù) C．減小負(fù)載電阻R的數(shù)值 D．增加負(fù)載電阻R的數(shù)值解析：根據(jù)，P入=P出，即I1U1=I2U2，I2=得變壓器原線圈中的電流I1=，即輸入電流與n1、n2、U1、R都有關(guān)系，U1不變，要減小I1，需增大R的阻值，或增加原線圈匝數(shù)n1，或減小副線圈匝數(shù)n2. 答案：AD 點(diǎn)評：原線圈中電流由輸出電流決定 7．在圖所示的電路中，理想變壓器的變壓比為2∶1，四個(gè)燈泡完全相同，若已知燈泡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中只有一個(gè)能正常工作 D.條件不足，無法判斷解析：根據(jù)電流與線圈匝數(shù)的關(guān)系進(jìn)行分析，由于副線圈兩端并聯(lián)著兩個(gè)相同的燈泡L3、L4，每個(gè)燈泡正常工作時(shí)的實(shí)際電流都等于額定電流，因此副線圈中的電流等于一個(gè)燈泡額定電流的兩倍；根據(jù)原、副線圈的電流與匝數(shù)成反比，可知原線圈中的電流等于副線圈中電流的二分之一，即恰好等于燈泡L1、L2的額定電流，從而判定：L1、L2都能正常發(fā)光. 答案：A 點(diǎn)評：由電流和線圈匝數(shù)的關(guān)系分析。 8．如圖所示，理想變壓器的原、副線圈分別接有相同的白熾燈，原、副線圈的匝數(shù)比為n1∶n2=2∶1，電源電壓為U，求B燈兩端的電壓UB為多少? 解析：由串聯(lián)電路分壓原理可知U=UA+U1 ① 由變壓器原理可知： U1∶U2=2∶1 ② I1∶I2=1∶2 ③ 由歐姆定律可知： UA=I1R ④ UB=I2R ⑤ 聯(lián)立①~⑤式，得UB=U 點(diǎn)評：原線圈上串有燈泡，燈泡與原線圈上電壓的分配遵循串聯(lián)電路的分壓原理。 9．如圖中所示，理想變壓器B的原線圈跟副線圈的匝數(shù)比 n1∶n2=2∶1，交流電源電壓U1=220 V，F(xiàn)為熔斷電流為I0=1.0 A的保險(xiǎn)絲，負(fù)載為一可變電阻. （1）當(dāng)電阻R=100 Ω時(shí)，保險(xiǎn)絲能否被熔斷? （2）要使保險(xiǎn)絲不被熔斷，電阻R的阻值應(yīng)不小于多少?變壓器輸出的電功率不能超過多少? 解析：由得副線圈兩端的電壓 U2=U1=×220 V=110 V （1）當(dāng)R=100 Ω時(shí)，副線圈中電流 I2= A=1.10 A 由U1I1=U2I2得原線圈中的電流為 I1=I2=×1.10 A=0.55 A 由于I1＜I0（熔斷電流），故保險(xiǎn)絲不會熔斷. （2）設(shè)電阻R取某一值R0時(shí)，原線圈中的電流I1剛好到達(dá)熔斷電流I0，即I1=0.1 A，則副線圈中的電流為I2=·I1=2×1.0 A=2.0 A 變阻器阻值為：R0= Ω=55 Ω 此時(shí)變壓器的輸出功率為 P2=I2·U2=2.0×110 W=220 W 可見，要使保險(xiǎn)絲F不被熔斷，電阻R的阻值不能小于55 Ω，輸出的電功率不能大于220 W 點(diǎn)評：當(dāng)保險(xiǎn)絲中電流是I0時(shí)，負(fù)載電阻應(yīng)為允許最小的值。（六）課余作業(yè) 書面完成P48“問題與練習(xí)”第2、3、5題；思考并回答第1、4題。實(shí)驗(yàn)次數(shù)123456原線圈匝數(shù)n1n1n1n1n2n2n2副線圈匝數(shù)n2n1n12 n1n2n22 n2副線圈輸出電壓U2結(jié)論

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