2026版创新设计高考总复习物理(人教基础版)教师用-实验十六　探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系

实验十六探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系学习目标1.通过实验探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系,体会控制变量法。2.会处理实验数据,了解实验误差的来源。原理与器材操作要领注意事项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。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n1对副线圈电压U2的影响。类比1中(1)(2)操作。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。实验数据:由实验数据分析变压器原、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。实验结论:误差允许范围内,原、副线圈的电压比等于原、副线圈的匝数比。误差分析1.由于漏磁,通过原、副线圈的每一匝的磁通量不严格相等造成误差;原、副线圈有电阻,原、副线圈中的焦耳热损耗(铜损)造成误差;铁芯中由于磁场的变化,形成涡流等(铁损)产生误差。因以上情况,使得n1n22.多用电表的读数存在误差。考点一教材原型实验例1某实验小组用如图所示电路探究“变压器的电压与匝数的关系”,图中变压器为可拆变压器。实验提供的器材有(1)电源应选,测量电压应选(均选填字母代号)。

(2)若用匝数N1=100匝和N2=200匝的变压器做实验,在原线圈N1的两端分别加上2V、4V、6V和8V的电压,测量出副线圈两端的相应的电压,记录在下面的表格中。表格中第2次实验,副线圈上电压的示数如图所示,电压量程为0~10V交流电压挡,读数为V,并计算出此次实验U1∶U2=。

实验次数1234U1/V2468U2/V3.911.815.7U1∶1.951∶1.971∶1.96(3)实验可得结论为。

(4)导致实验误差的原因可能是。

A.原线圈所加电压小 B.变压器的铁芯漏磁 C.变压器的铁芯产生涡流答案(1)BD(2)7.81∶1.95(3)在误差允许的范围内,理想变压器的原线圈与副线圈的电压之比等于线圈匝数之比(4)BC解析(1)实验需要提供交流电源,干电池只能提供直流电源,所以电源应选学生电源;实验中要测量的是交流电压,故不能选直流电压表,只能选用多用电表。(2)电压量程为0~10V交流电压挡,交流电压读数为7.8V,则此次实验中U1∶U2=1∶1.95。(3)原、副线圈匝数之比为N1N2=12,根据实验数据可得,(4)原线圈输入电压大小不会影响电压比和匝数比,故A错误;变压器的铁芯漏磁使得能量损耗,从而导致电压比与匝数比有差别,故B正确;变压器的铁芯产生涡流使得能量损耗,从而会导致电压比与匝数比有差别,故C正确。例2在“探究变压器线圈两端的电压和匝数的关系”实验中,可拆变压器如图甲所示。(1)为实现探究目的,保持原线圈输入的电压一定,通过改变原、副线圈匝数,测量副线圈上的电压。这个探究过程采用的科学探究方法是。

A.控制变量法 B.等效替代法 C.演绎法 D.理想实验法(2)用学生电源给原线圈供电,用多用表测量副线圈两端电压,下列操作正确的是。

A.原线圈接直流电压,电表用直流电压挡B.原线圈接直流电压,电表用交流电压挡C.原线圈接交流电压,电表用直流电压挡D.原线圈接交流电压,电表用交流电压挡(3)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(接入匝数为800匝),用电表测得副线圈的“0”和“4”两个接线柱(接入匝数为400匝)之间的电压为3.0V,则原线圈的输入电压可能为。

A.1.5V B.3.5V C.5.5V D.7.0V(4)图乙为某电学仪器原理图,图中变压器为理想变压器。左侧虚线框内的交流电源与串联的定值电阻R0可等效为该电学仪器电压输出部分,该部分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n1、n2。在交流电源的电压有效值U0不变的情况下,调节可变电阻R的过程中,当RR0=时,R获得的功率最大答案(1)A(2)D(3)D(4)n解析(1)为实现探究目的,保持原线圈输入的电压一定,通过改变原、副线圈匝数,测量副线圈上的电压。这个探究过程采用的科学探究方法为控制变量法,故A正确。(2)变压器的工作原理是互感,故原线圈接交流电压,输出交流电压,电表用交流电压挡,故A、B、C错误,D正确。(3)若是理想变压器,则有变压器线圈两端的电压与匝数的关系U1U2=n1n2,若变压器的原线圈接“0”和“8”两个接线柱,副线圈接“0”和“4”两个接线柱,可知原副线圈的匝数比为2∶1,副线圈的电压为3.0V,则原线圈的电压为U1=6.0V,考虑到不是理想变压器,有漏磁等现象,则原线圈所接的电源电压大于6.0V,可能为7.0(4)把变压器和R等效为一个电阻R1,R0当作电源内阻,当内外电阻相等时,即R1=R0,此时,输出功率最大,即R获得的功率最大,根据U1U2=n1n2得I1R1I2R=n1n2,将公式I1I例3教学用的可拆变压器如图甲所示,A、B线圈均由材料和直径相同的导线绕制而成。(1)某同学用多用电表电阻挡分别测量A、B线圈的电阻,发现A线圈电阻约为B线圈电阻的2倍,则可推断(选填“A”或“B”)线圈的匝数多。

(2)为探究变压器线圈两端电压与匝数的关系,在图乙中该同学把线圈A与学生电源连接,另一个线圈B与小灯泡连接。其中线圈A应连到学生电源的(选填“直流”或“交流”)输出端上。

(3)将与小灯泡相连的线圈B拆掉部分匝数,其余装置不变,继续实验,则小灯泡(选填“变亮”或“变暗”)。

(4)某次实验时,变压器原、副线圈的匝数分别为220和110,学生电源输出端电压的有效值为6V,则小灯泡两端电压的有效值可能是。

A.12V B.6V C.3.6V D.2.8V答案(1)A(2)交流(3)变暗(4)D解析(1)根据电阻定律可知,相同材质、相同横截面积条件下导线越长,电阻越大,故A线圈的匝数多。(2)变压器只能改变交流电压,线圈A应连到学生电源的交流输出端上。(3)线圈B拆掉部分匝数,则n2减小,因此变压器副线圈电压U2减小,小灯泡的功率为P=U22R,可知小灯泡功率降低(4)理想变压器有U1U2=n1n2,可得U2=n2U1n1=3V,实验过程中由于存在漏磁、铁芯发热、导线发热等情况,副线圈的实际电压应小于理想变压器副线圈电压的理论值3考点二创新拓展实验例4功放内部的变压器一般为环状,简称环牛(环牛效率极高,可看成理想变压器),如图所示,某同学探究变压器输出电压与输入电压间的关系,并测量原、副线圈匝数。实验器材有:一个输出电压可调的交流和直流两用稳压电源、多用电表、绝缘漆包线、可拆的环牛变压器。实验步骤:①用漆包线在环牛铁芯上绕30匝,将绕制的线圈两端的绝缘漆刮去;将稳压电源电压调至U2,变压器副线圈接电源,用多用电表测量新绕制线圈两端电压U3;②多次改变接到副线圈的电源电压U2,重复步骤①,得到多组U2、U3数据,记录在表格中;③作出U2(纵轴)-U3(横轴)图像(国际单位),图像为过原点的直线,求得图像的斜率为5.0;④将稳压电源电压调至18V,接到原线圈两端,此时多用电表测得副线圈两端电压为4.5V。(1)实验中线圈接电源时应接电源的输出端(选填“交流”或“直流”),多用电表测量电压时应将选择开关拨到挡(选填“直流电压”或“交流电压”)。

(2)由实验得到的U2-U3图像可知,变压器中输出电压与输入电压成关系(选填“正比”或“反比”)。

(3)该变压器原线圈有匝。

答案(1)交流交流电压(2)正比(3)600解析(1)实验要探究变压器电压与匝数关系,用到交流电源,因此线圈两端要接到电源的交流输出端;测量电压时多用电表应将选择开关拨到交流电压挡。(2)由U2-U3图像为过原点的直线可知,变压器输出电压与输入电压成正比。(3)由U2U3=n2n3可得U2=n2n3U3,则U2-U3图像斜率k=n2n3=5.0,其中n3=30匝,可得n2=150匝,根据n限时作业(限时:30分钟)1.(2025·重庆高三月考)在“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”的实验中,某同学利用可拆变压器来进行探究。可拆变压器能方便地从不同接线柱上选取不同匝数的线圈。(1)为了保证实验能够安全进行,下列说法正确的是。

A.实验中选取的电源为低压直流电源,电压不超过12VB.因为电源为低压电源,通电时可以用手接触裸露的导线和接线柱C.连接好线路后可以先直接接通电路,根据电路的反应来确认电路是否连接正确或者排查电路故障D.为了保护交流电压表,测电压时先用最大量程挡试测(2)在测量交流电源的电压时,用仪器测量的电压是交流电压的(选填“瞬时”“有效”或“最大”)值。

(3)在该同学的实验报告中,已知电源连接的线圈匝数记录为n1匝,电源电压为U1。我们看到数据表格中某一列缺失的实验数据可能为。

第k次实验n1/匝n2/匝U1/VU2/V34002008.00A.4.00 B.3.95 C.4.02答案(1)D(2)有效(3)B解析(1)实验中选取电源为低压交流电源,故A错误;即使电源为低压电源,通电时也不可以用手接触裸露的导线和接线柱,故B错误;连接好线路后要检查电路正确连接才可以通电,故C错误;为了保护交流电压表,测电压时先用最大量程挡试测,故D正确。(2)交流电压表测量的是交流电压的有效值。(3)若为理想变压器,则有U1U2=n1n2,解得U2=n2n1U1=200400×8.00V=4.002.(2025·广西高三阶段练习)在“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验中,两个学习小组采用了如图甲所示的可拆式变压器进行研究,原、副线圈的电压由电压传感器获得。(1)下列说法正确的是。

A.变压器工作时,通过铁芯导电把电能由原线圈输送到副线圈B.变压器工作时在原线圈上将电能转化为磁场能,在副线圈上将磁场能转化为电能C.理想变压器的输入功率等于输出功率,没有能量损失D.变压器副线圈上不接负载时,原线圈两端电压为零(2)第一组同学将变压器正确组装好,如图乙所示。连接到图乙中的电源,闭合电源开关,发现原线圈两端电压传感器有示数,但无论如何调节电源的电压旋钮,副线圈两端电压传感器均无示数,经检查导线和各连接处均无断路,则最可能的原因是。

A.接入的电源电压不够大B.连接了电源ab间的直流电C.副线圈匝数太少(3)第二组同学正确组装变压器后,记录数据如下:原线圈n1/匝100100400400副线圈n2/匝200800200800原线圈电压U1/V1.961.504.062.80副线圈电压U2/V3.9011.82.005.48(4)第二组同学继续探究实验,把2.0V的学生电源cd接到原线圈“0”“100”接线柱,副线圈接到“200”“800”接线柱,则接在副线圈两端的传感器示数最有可能是。

A.1.0V B.2.0V C.11.5V D.15.8V答案(1)BC(2)B(4)C解析(1)变压器是通过互感工作的,而不是通过铁芯导电把电能由原线圈输送到副线圈,故A错误;变压器工作时在原线圈上将电能转化为磁场能,在副线圈上将磁场能转化为电能,故B正确;理想变压器忽略能量损失,原线圈输入功率全部转到副线圈输出功率,故C正确;变压器的原线圈两端电压由发电机提供,则副线圈上不接负载时,原线圈两端电压不变,不为0,故D错误。(2)由于原线圈有电压,副线圈无电压,且电路连接完好,最可能的是第一组同学在连接电源的时候连接的是ab间的直流电源。当电路连接完好,原线圈接直流电压时,副线圈的磁通量不变,无感应电动势,故B正确。(4)若为理想变压器,则U1U2=n1n2=100600,解得U2=12V,考虑到不是理想变压器,有漏磁现象,则副线圈的电压应略小于12V,所以最有可能的是11.53.小华同学做了探究变压器线圈两端的电压与匝数关系的实验,请回答以下问题:(1)本实验中需要测量电压,则在如图所示的器材中,应。

A.选甲图中的器材 B.选乙图中的器材C.都可以选 D.都不能选(2)小华在做本实验时,选择的原线圈为100匝,副线圈为200匝;他将原线圈接入学生电源中的交流电压“6V”挡位,用合适的电表测量出副线圈的电压为13V,则下列叙述可能符合实际情况的一项是。

A.变压器的铁芯没有闭合B.电压的测量出了问题C.副线圈实际匝数与标注的“200”不符,应该小于200匝D.学生电源实际输出电压大于标注的“6V”(3)用匝数na=100匝和nb=200匝的变压器,实验测量数据如下表。U1/V1.602.503.704.60U2/V3.705.307.609.70根据测量数据可判断连接电源的线圈是(选填“na”或“nb”)。

答案(1)A(2)D(3)nb解析(1)由题图可知,甲图是多用电表,而乙图是直流电压表,实验需要测量交流电压,因此选用甲图器材,故A正确,B、C、D错误。(2)根据理想变压器的原、副线圈的电压与其匝数关系U1U2=n1n2可知,若变压器的铁芯没有闭合,则得出副线圈的电压小于12V,A错误;若是电压的测量出了问题,应该是小于12V,不应该大于12V,B错误;副线圈实际匝数与标注的“200”不符,若小于200匝,由以上公式可知,副线圈的电压小于12V,C错误;若学生电源实际输出电压大于标注的“6V”,由以上公式可知,副线圈的电压可能为13(3)根据题意,电压比与匝数比不相等,可知该变压器为非理想变压器,考虑到变压器有漏磁、铁芯发热、导线发热等因素影响,判断出U2为原线圈上电压大小,则接电源的是nb。4.在课堂演示“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验时,老师利用小灯泡定性判断变压器线圈两端的电压与匝数的关系。如图所示,将长导线按顺时针方向一匝一匝地绕在铁芯的左边,边绕边观察小灯泡的发光情况,等小灯泡发出耀眼的强光后,再将导线一匝一匝地退出铁芯,边退边观察小灯泡的发光情况,观