2026高考物理总复习人教基础版第十三章 第4讲　实验 探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系

第4讲实验:探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系一、实验原理1.实验电路图2.实验方法:控制变量法(1)U1、n1一定,研究n2和U2的关系。(2)U1、n2一定,研究n1和U2的关系。二、实验器材学生电源(低压交流)、可拆变压器(配备几个不同匝数的线圈)、多用电表、开关、导线若干。三、实验操作及步骤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,重复上述步骤。四、数据处理分析表格可知,理想变压器原、副线圈两端电压U1、U2之比等于两个线圈的匝数n1、n2之比。次数1234n1/匝n2/匝n1∶n2U1/VU2/VU1∶U2五、注意事项1.要事先推测副线圈两端电压的可能值。2.为了人身安全,只能使用低压交流电压,所用电压不要超过12

V,通电时不要用手接触裸露的导线、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择适当的挡位进行测量。六、误差分析1.由于漏磁,通过原、副线圈每一匝的磁通量不严格相等造成误差。2.原、副线圈有电阻,原、副线圈中产生的焦耳热损耗造成误差。3.铁芯中有磁损耗,产生涡流造成误差。4.多用电表的读数存在误差。考点一基础性实验[例1]

【实验原理与操作】

(2024·江苏宿迁期中)在“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”的实验中,可拆变压器如图所示。(1)本实验要通过改变原、副线圈匝数,探究原、副线圈的电压比与匝数比的关系,实验中需要运用的科学方法是

。

A.控制变量法B.等效替代法C.整体隔离法A【解析】

(1)本实验要通过改变原、副线圈匝数,探究原、副线圈的电压比与匝数比的关系,实验中需要运用的科学方法是控制变量法。故选A。(2)为了减小涡流的影响,铁芯应该选择

。

A.整块硅钢铁芯B.整块不锈钢铁芯C.彼此绝缘的硅钢片叠成D.彼此绝缘的铜片叠成C【解析】

(2)为了减小涡流的影响,铁芯应该选择彼此绝缘的硅钢片叠成。故选C。(3)本实验除有闭合铁芯的原、副线圈外,还须选用的器材是

。(多选)

ADABCD【解析】

(3)本实验原线圈需要连接低压交流电源,需要测副线圈的输出电压,需要交流电压表,所以需要选用的器材是学生电源和多用电表。故选AD。(4)下列做法正确的是

。

A.为了人身安全,只能使用低压直流电源,所用电压不要超过12

VB.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C.观察两个线圈的导线,发现粗细不同,导线粗的线圈匝数多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B【解析】

(4)变压器对交流有作用,对直流无作用,为了人身安全,只能使用低压交流电源,且电压不要超过12

V,故A错误;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,故B正确;根据变压器原、副线圈的规律有n1I1=n2I2,可知匝数多,其电流相对较小;导线粗的线圈电阻小,对应较大电流,其匝数就少,故C错误;变压器开始正常工作后,铁芯并不导电,通过电磁感应,把电能由原线圈输送到副线圈,故D错误。[例2]

【数据处理与误差分析】

(2024·广东清远期末)在“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验中使用的可拆式变压器如图所示,图中各接线柱对应的数字表示倍率为“×100”的匝数。(1)组装好可拆式变压器后,使用学生电源给原线圈供电,用多用电表测量副线圈两端的电压,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D【解析】

(1)在“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验中,电源应使用交流电源,同时还需要交流电压表来测量电压。故选D。(2)在正确组装变压器后,甲、乙、丙三名同学分别利用控制变量法探究副线圈的电压U2与原线圈的电压U1、原线圈的匝数n1、副线圈的匝数n2的关系,将实验数据绘制成甲、乙、丙三幅图像,

(选填“甲”“乙”或“丙”)同学的实验结果有误。

乙(3)小明同学正确组装变压器后,把12

V的学生交流电源接到原线圈“2”“14”接线柱,副线圈接线“0”“4”接线柱,原、副线圈的匝数比为

,在确认电路连接无误的情况下,接在副线圈两端的交流电压表的实际读数可能是

。

A.8.0

VB.4.0

VC.3.8

VD.03∶1C(4)从实验数据分析,原、副线圈上的电压之比并不等于它们的匝数之比。分析下列可能的原因,正确的是

(多选)。

BCD实验次数n1/匝n2/匝U1/VU2/V12001008.24.022001006.12.932001004.01.9A.原、副线圈的电压不同步B.变压器线圈中有电流通过时会发热C.铁芯在交变磁场的作用下会发热D.穿过副线圈的磁通量小于原线圈的磁通量【解析】

(4)从实验数据分析,原、副线圈上的电压之比并不等于它们的匝数之比,其变压器并不是理想变压器,能量损失主要来自三个方面,分别是变压器线圈中电阻有电流通过时会发热(铜损)、铁芯在交变磁场的作用下产生涡流发热(铁损)和由于漏磁导致穿过副线圈的磁通量小于原线圈的磁通量(磁损)。故选BCD。考点二创新性实验[例3]

【实验器材的创新】

(2024·广东广州期中)某同学用可拆变压器探究“变压器原、副线圈电压与匝数的关系”。(1)该同学将原线圈接一学生电源的交流电压输出端,并使用交流电压表分别测量原、副线圈两端的电压,得到的实验数据如下表所示。变压器原、副线圈的实验序号原线圈匝数n1副线圈匝数n2原线圈电压U1/V副线圈电压U2/V14002004.222.1024008004.228.3634001

6004.2216.83根据实验数据,得到的结论为:在误差允许的范围内,

。

电压比等于匝数比(2)该同学利用(1)问中第2组数据时的副线圈给一标有“3.8

V

0.3

A”字样的小灯泡供电,发现小灯泡并没有被烧坏。测量此时小灯泡两端的电压约为3.00

V,并不是8.36

V,其原因主要是

。

副线圈有电阻,且与小灯泡电阻相近,【解析】

(2)由于副线圈存在电阻,且与小灯泡电阻相近,即副线圈分压,使得小灯泡两端电压变小。副线圈分压(3)可拆变压器铁芯是由相互绝缘的薄硅钢片叠压而成。如图所示,原线圈接交流电源,副线圈接入小灯泡。第一次,缓缓移动铁芯横条使铁芯完全闭合;第二次,另取一块与变压器铁芯横条尺寸相同的普通铁块替换铁芯横条,重复上述实验。两次均观察到小灯泡由暗变亮。以下说法正确的是

。(多选)

BCA.第二次实验中小灯泡更亮些B.用普通铁块和用铁芯横条相比,普通铁块更容易发热C.无论用普通铁块还是用铁芯横条,流经小灯泡的电流均为交变电流【解析】

(3)铁芯横条与普通铁块都是导磁材料,铁芯闭合后,减少了漏磁现象,产生的感应电动势增大,小灯泡变亮;用普通铁块和用铁芯横条相比,普通铁块由于涡流更容易发热,变压器效率低一些,第一次实验中小灯泡更亮些,故A错误,B正确。无论用普通铁块还是用铁芯横条,副线圈中还是交变电流,流经小灯泡的电流均为交变电流,故C正确。[例4]

【实验情境的创新】

(2024·贵州贵阳模拟)有一个教学用的可拆变压器,如图甲所示,它有两个外观基本相同的线圈A、B(内部导线电阻率、横截面积相同),线圈外部还可以绕线。(1)某同学用一多用电表的同一倍率电阻挡先后测量了A、B线圈的电阻值,指针分别对应图乙中的A、B位置,由此可推断

(选填“A”或“B”)线圈的匝数较多。

A(2)该实验中输入端所接电源最适合的是

。

A.220

V交流电源B.220

V直流电源C.12

V以内低压直流电源D.12

V以内低压交流电源D【解析】

(2)为保证学生安全,应用12

V以内低压交流电源,故选D。(3)如果把它看作理想变压器,现要测量A线圈的匝数,提供的器材有:一根足够长的绝缘导线、一只多用电表和低压交流电源。请完成实验步骤的填空:①用绝缘导线在线圈的外部或变压器的铁芯上绕制n匝线圈;②将A线圈与低压交流电源相连接;③用多用电表的

挡分别测量A线圈的输入电压UA和绕制线圈的输出电压U;

④A线圈的匝数为

(用题目中的物理符号表示)。

交流电压(满分:50分)课时作业1.(10分)(2024·广东广州期末)在“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验中,某同学采用了如图所示的可拆式变压器进行研究,图中各接线柱对应的数字表示倍率为“×100”的匝数。(1)对于实验过程,下列说法正确的是

。

A.本探究实验采用了控制变量法B.测量副线圈电压时应当用多用电表的“直流电压挡”C.因为实验所用电压较低,通电情况下可用手接触裸露的导线、接线柱A【解析】

(1)为便于探究,可以采用控制变量法,故A正确;变压器的原线圈接低压交流电,测量副线圈电压时应当用多用电表的“交流电压挡”,故B错误;虽然实验所用电压较低,但是通电时不可用手接触裸露的导线、接线柱等检查电路,这样可避免发生危险,实验操作更规范,故C错误。(2)若变压器是理想变压器,电源接变压器原线圈“0”“8”接线柱,副线圈接“0”“4”接线柱,若副线圈所接电表的示数为6.0

V,则原线圈的输入电压应为

。

A.18.0

VB.12.0

VC.5.0

VD.3.0

VB(3)该同学组装变压器时忘记将铁芯闭合进行实验,若原、副线圈匝数比为8∶1,原线圈接12.0

V交流电压,则测量副线圈的交流电压表的实际读数可能是

。

A.0B.9.60

VC.1.50

VD.0.65

VD(4)正确组装变压器后,用匝数Na=400和Nb=800的变压器实际测量数据如下表:NbUa/V1.802.803.804.90Ub/V4.006.018.029.98根据测量数据可判断连接交流电源的原线圈是

(选填“Na”或“Nb”)。

2.(10分)(2024·江苏常州期末)小明同学做“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验。(1)小明正确连接电路后,选用合适的挡位测量原、副线圈电压,并记入下表:序号123456原线圈U1/V0.02.04.06.08.010.0副线圈U2/V0.00.91.92.9

4.8如图甲所示,小明测量第5组数据U2时,读数为

V。

3.9【解析】

(1)由表格数据的规律可知,小明测量第5组数据U2时,读数为3.9

V。(2)请你利用表格中小明测量的原、副线圈电压数据,在图乙中作出U1-U2图像,并求出图像的斜率k=

(结果保留2位有效数字)。

2.1【答案及解析】(2)按表中数据在题图乙中描点作图,如图所示。在误差允许范围内,原、副线圈电压与匝数的3.(15分)功放内部的变压器一般为环状,简称环牛,如图甲所示。某同学利用环牛探究变压器原、副线圈两端的电压与匝数之间的关系(环牛效率极高,可看成理想变压器,其示意图如图乙所示)。(1)测量环牛的初级(原)、次级(副)线圈匝数n1、n2的方法是:先在闭合铁芯上紧密缠绕n=70匝漆包细铜线,并将理想交流电压表1接在细铜线两端;然后在初级线圈(左侧)上输入有效值为24.0

V的低压交流电,再将理想交流电压表2连接在次级线圈(右侧)上,若理想交流电压表1的示数为

3.0

V,理想交流电压表2的示数为12.0

V,则次级线圈的匝数n2=

。

280110大于【解析】

(3)由于变压器工作时有能量损失,导致副线圈电压实际值比理论值小,故实验中测得的原、副线圈的电压比大于原、副线圈的匝数比。(4)导致实验误差的原因可能是

。(多选)

A.变压器的铁芯漏磁B.原线圈所加电压小C.变压器的铁芯产生涡流AC【解析】

(4)变压器的铁芯漏磁,会造成副线圈电压实际值比理论值小,故A正确;原线圈所加电压小,不会造成副线圈电压实际值比理论值小,故B错误;变压器的铁芯产生涡流,会造成副线圈电压实际值比理论值小,故C正确。4.(15分)(2025·甘肃兰州模拟)用如图甲所示的高中学生实验用的可拆变压器进行“探究变压器原、副线圈的电压与匝数的关系”实验。(1)关于此实验,下列说法正确的是

。

A.副线圈不接用电器时,原线圈可以长时间通电B.为了保证人身安全,要使用低压直流电源C.副线圈空载时,用交流电压表可以测得副线圈两端的电压C【解析