探究变压器电压与匝数关系、传感器的利用（解析版）

2024年高考物理一轮大单元综合复习导学练

专题68探究变压器电压与匝数关系、传感器的利用

导练目标导练内容

目标1探究变压器原副线圈电压与匝数关系

目标2利用传感器制作简单的自动控制装置

【知识导学与典例导练】

一、探究变压器原副线圈电压与叵数关系

（一）实验目的

探究变压器原线圈电压一定时，副线圈电压与线圈匝数的定量关系。

（-）实验原理

i.实验电路图

2.实验方法：采用控制变量法。

（1）〃|一定，研究〃2和S的关系。

（2）他一定,研究m和S的关系。

（三）实验器材

学生电源（低压交流，小于12V）1个、可拆变压器1个、多用电表（交流电压挡）1个、导线若干。

（四）实验步骤

I.保持原线圈的匝数〃I和电压3不变，改变副线圈的匝数"2,研究〃2对副线圈电压S的影响。

2.保持副线圈的匝数〃2和原线圈两端的电压3不变，研究原线圈的匝数对副线圈电压的影响。

（五）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。

2.原、副线圈有电阻，原、副线圈中的焦耳热损耗（铜损），造成误差。

3.铁芯中有磁损耗，产生涡流，造成误差。

（六）注意事项

I.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12V,即使这样，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，先用最大量程挡测试，大致确定电压后再选择适当

的挡位进行测量。

4.连接电路后要由同组的几位同学分别独。..检查，然后请老师确认，之后才能接通电源。

【例1】某班物理实验课上，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。

变压器铁芯

甲可变压器零部件

（1）下列说法正确的是。

A.实验中要求原线圈匝数小于副线圈匝数

B.变压器原线圈可以接学生电源的低压直流电，但测量副线圈电压时必须要用多用电表的“交流电压挡”

C.可以先保持原线圈电压、匝数不变，改变副线圈的匝数，研究副线圈的匝数对副线圈电压的影响

D.测量副线圈电压时，先用小量程档位试测，如果超量程了，再换用较大量程的档位进行测量

（2）在探究变压器的线圈两端电压与匝数的关系时，小范同学分别在可拆变压相的铁芯上绕制了两个线圈,

如图丙所示，线圈。连接到学生电源的交流输出端，线圈〃与小灯泡相连接。两线圈的电阻均可忽略不计。

闭合电源开关，他发现小灯泡发光很微弱，为了适当提高小灯泡的亮度，下列方法可行的是。

A.适当增加线圈〃的匝数

B.适当增加线圈b的匝数

C.将线圈。改接在直流输出端

D.将学生电源的交流输出电压适当增大

（3）斌斌老师在“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”的课堂演示实验中，用了匝数s=800匝和

肌=400匝的变压器，对应的电压测量数据如表所示。根据表中测量数据，请你判断连接学生电源的线圈是一

（填"na"或"nb"）

Ua/V4.006.008.0012.00

1.852.903.785.20

【答案】CBD/DBna

【详解】（1）[1]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，让副线圈上得到较低的电

压，选项A错误；

B.变压器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〃，选项B错误；

C.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，选项C

正确;

D.为确保安全，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，选

项D错误。故选C。

(2)[2]A.为了适当提高小灯泡的亮度，即增大变压器副线脚的电压，因为变压器的规律是?=以

得力=”5因此适当增加线圈4的匝数，勺增大，力减小，灯亮度降低，A错误；

n\

B.适当增加线圈方的匝数，"2增大，/增大，灯亮度变大，B正确：

C.变压器原理是电磁感应，因此将线圈。改接在直流输出端，线圈磁通量不变，输出端无电压，C错误；

D.将学生电源的交流输出电压适当增大，〃增大，则％增大，灯痉度变大，D正确；故选BD。

(3)⑶由于有漏磁，所以副线圈测量电压应该小于理论变压值，即足为输入端，nb为输出端，故连接学生

电源的线圈是必。

二、利用传感器制作简单的自动控制装置

1.实验目的

⑴了解传感器的工作过程，探究敏感元件的特性。

(2)学会传感器的简单使用。

2.实验原理

(1)传感器能够将感受到的物理量(力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一股是电学量)。

(2)其工作过程如下图所示。

3.实验器材

热敏电阻、光敏电阻、多用电表、铁架台、烧杯、冷水、热水、小灯泡、学生电源、继电器、滑动变阻器、

开关、导线等。

4.误差分析

误差主要来源于温度计和欧姆表的读数。

5.注意事项

(1)在做热敏实验时，加开水后要等一会儿再测其阻值，以使电阻温度与水的温度相同，并同时读出水温。

⑵光敏实验中，如果效果不明显，可将光敏电阻部分电路放入带盖的纸盒中，并通过盖上小孔改变照射到

光敏电阻上的光的多少。

⑶欧姆表每次换挡后都要重新进行电阻调零。

【例2】有一种电阻温度传感器如图甲所示，电阻封装在传感器的探头内。其阻值随温度的变化如图乙所示。

小明同学想利用这种传感器制作•个温度计，他准备的实验器材如下：干电池，电动势为1.5V,内阻不计;

灵敏电流表，量程为15mA,内阻为20。；电阻箱；开关、导线若干。把电流表的示数改为温度计的示数。

（1）首先，小明同学直接将干电池、开关、灵敏电流表、电阻温度传感器串联成一个电路作为测温装置，

则该装置能测的最低温度为℃。

（2）小明同学为了使温度计从（TC开始测量，又设计了如图丙所示的电路图，其中R为电阻温度传感器的

电限，与为电阻箱，并进行了如下操作：将传感器的探头放入冰水混合物中，过一段时间后闭合开关，调

节电阻箱飞，使电流表指针满偏，此时飞=Qo

（3）图内中电流表的示数/（A）和温度/（-C）的关系式/=。根据关系式将电流表刻度盘上的

电流值改写为温度值，这样就可以通过电流表的表盘直接读出被测物体的温度。

（4）若干电池用久了后其电动势不变，而内阻明显变大，其他条件不变。小明使用此温度计前按题中步骤

（2）中的操作进行了调节，仍使电流表指针满偏，测量结果将（填“偏大"、”偏小〃或"不变”）。

1.53

【答案】60：30；（砺也可）；不变;

100+0.5,

【详解】本题考查闭合电路欧姆定律，FI的是考查学生的实验探究能力。

（1）［1］该电路的最大电流为15rrA,则电路中的总电阻最小值Rm=耍力yQ=100C此时温度传感器的电

IOX1v

80-50

阻R=1（X）Q-20c=80Q结合题图乙可得该电路能测的最低温度/=xl00PC=60℃

l(X)-50

（2）⑵电流表指针满偏时K=1000-50。-20Q=30C

E15

（3）［3］根据闭合电路欧姆定律有/=…-=方二由题图乙可知,电阻温度传感器的电阻对应的温

A+A।+AxA+

度1=（K-50x］oo+c解得/=———

U00-50）100+0.5/

（4）［4］干电池用久了后其电源电动势不变，而其内阻变大，不能忽略不计，小明用此温度计前进行了调零,

仍有/=诉二T所以测量结果不变。

100+0.5/

【综合提升专练】

1.某同学在实验室进行探究变压器原、副线圈电压与匝数关系的实验。他准备了可拆变压器、多用电表、

开关和导线若干。

（1）实验需要以下哪种电源

A.低压直流电源B.高压直流电源

C.低压交流电源D.高压交流电源

（2）该同学认真检杳电路无误后，先保证原线圈匝数不变，改变副线圈匝数，再保证副线圈匝数不变，改

变原线圈匝数。分别测出相应的原、副线圈电压值。由于交变电流电压是变化的，所以，我仅实际上测量

的是电压的值（填“有效”或“最大。其中一次多用电表读数如图所示，此时电压表读数

为__________

（3）理想变压器原、副线圈电压应与其匝数成（填“正比”或"反比"）；

（4）由于实验中变压器的铜损和铁损导致变压器并非理想。实验中，上图中变压器的原线圈接"0：8"接线

柱，副线圈接"0：4〃接线柱，当副线圈所接电表的示数为5.0V,则原线圈所接电源电压可能为

A.16.0VB.10.0VC.5.0VD.2.5V

【答案】C有效7.2正比A

【详解】（1）[1]探究变压器原、副线圈电压与匝数关系，应选择低压交流电源。故选配

（2）[2]⑶多用电表测量的交流电压为有效值，不足最大值；多用电表选用的挡位是交流电压的10V挡位，

所以应该在0~10V挡位读数，所以读数应该是7.2V。

U.

（3）⑷根据力=，可知，理想变压器原、副线圈电压应与其匝数成正比。

U2鹿2

（4）⑸实验中由于变压器的铜损和铁损，变压器的铁芯损失一部分的磁通量，所以导致副线圈的电压的实

x5V=10V

际值一般略小于理论值，所以导致务>凸■所以a>-i/2=7

故选Ac

2.某兴趣小组用如图甲所示的可拆变压器进行“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验。

（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.变压器副线圈上不按负载时，原线圈两端电压为零

（2）实验时，原线圈接"0〃"8〃接线柱，副线圈接接线柱，原线圈两端连接低压交流电源10V档，用交

流电压表测得副线圈两端的电压为0.4V,这与其他小组的正确实验结论明显不一致。对于这个小组实验结

论出现明锻便拳的原因，最有可能的是（）

A,原线圈匝数太多，电阻过大B.铁芯没有闭合，漏磁过多

C.副线圈匝数太少，增加实验误差D.副线圈的电阻太小

（3）实际操作中将电源接在原线圈的“0〃和”800〃两个接线柱之间，测得副线圈的“0〃和“400〃两个接线柱之间

的电压为3.OV,则可推断原线圈的输入电压可能为o

A.3VB.5.3VC.6.0VD.6.2V

（4）为了实验过程中的安全，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12V

B.连接好电路后，应先检查电路连接是否正确，再接通电源进行实验

C.因为使用电压较低，通电时可用手直接接触裸露的导线、接线柱

D,为了测量电表的安全，测量电压时，先选用最大量程试测

乙

（5）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凡

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勺、％。在交流电源的电压有效值为不变的情况下，调节可变电阻R

R

的过程中，当丁=时，K获得的功率最大。

【答案】BC#CBBDBD#DB”

【详解】变压器是通过互感工作，而不是通过铁芯导电把电能由原线圈输送到副线圈，A错误;

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，故B正确；

C.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；

D.变压器的原线圈两端电压由发电机提供，则副线圈上不接负我时，原线圈两端电压不变，不为0,故D

错误。故选BCa

（2）[2]根据变压器的工作原理可知，若通过原、副线圈的磁道量相同，则原、副线圈的电压表等于匝数

U、小130411

比，则有力===*实际结果为亍=77=八实验结论与理论结论出现明显的偏差，最有可能的是：铁

芯没有闭合，漏磁过多，使得通过副线圈的磁通量明显小于通过原线圈的磁通量，使得副线圈两端的电压

很小。故选B。

（3）⑶若是理想变压器，则变压器线阖两端的电压与匝数的关系为*="当变压器的原线圈接"0"和"800〃

两个接线柱之间，副线圈的“0”和"400〃两个接线柱时，可知原副线圈匝数比为201,副线圈电压为3V,则原

线圈电压应该为6V；实际操作中，不是理想变压器，需要考虑损失部分，则原线圈所接电压大于6V。故选

Do

（4）⑷A.在实验中为了确保人身安全，需要使用低压交流电源，且电压不要超过12V,A不正确：

B.为了确保安全，实验时，连接好电路后，应先检查电路连接是否正确，再接通电源进行实验，B正确；

C.即使使用电压较低，为了确保实验数据的可靠精确性，通电时也不能手直接接触裸露的导线、接线柱，

c错误：

D.为了测量电表的安全，测量电压时，先选用最大量程试测，再选用小一点的量程，确保精度，D正确。

故选BDo

（5）[5]把变压器和R等效为一个电阻修,及当做电源内阻,当内外电阻相等时,即凡=7

此时，输出功率最大，根据今=&得空=区将公式?=里•代人上式，可得§=从而得出《/生〕

此时R获得的功率最大。

3.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。

原线圈匝数副线圈也数原线圈电压q副线圈电压

实验序号

n（）

2V（V）

14002004.222.10

24008004.228.36

340016004.2216.83

根据实验数据，得到的结论为：在误差允许的范围内，

（2）该同学利用（1）问中第2组数据时的副线圈给一标有“3.8V；0.3A”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3.00V,并不是8.36V,其原因主要是o

（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。

A.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

（4）如图所示的电路中，电压为。。的交流电源通过阻值为R。的定值电阻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勺、％。若保持不变，将可变电阻R

的阻值增大，则流经原线圈的电流（选填"增大〃"减小”或”不变〃）；当可变电阻R的阻值为时

（用々、&和R。表示），可变电阻R的功率最大。

【答案】变压器原、副线圈的电压比等于匝数比副线圈有电阻，副线圈有内压BC/CB减

小MR）

【详解】（1）[1]根据实验数据，得到的结论为：在误差允许范围内，变压器原、副线圈的电压比等于匝

数比。

（2）[2]副线圈有电阻，副线圈有内压。

（3）[3]AB.铁芯横条与普通铁块都是导磁材料，铁芯闭合后，减小了漏磁现象，产生的感应电动势增大,

小灯泡变亮；变压器铁芯是利用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

计的原因是减小涡流，提高变压器的效率，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；

C.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。

故选BCo

（4）⑷在原、副线圈匝数比一定的情况下，R增大，副线圈电流〃减小，设原线圈电流为//,根据4%=/四，

知流经原线圈的电流〃减小。

[5]把变压器和R等效为一个电阻幻当作电源内阻，则输出功率尸=

当内外电阻相等即凡二R'时，输H功率最大，根据#=2，得空=%

U2&I述公

n

代入=解得R=2A=%

J”A

4.某兴趣小组研究热敏电阻在通以恒定电流时，其阻值随温度的变化关系。实验电路如图所示，实验设定

恒定电流为50.0RA,主要实验器为有：恒压直流电源E、加热器、测温仪、热敏电阻与■、可变电阻飞、电

流表A、电压表Vo

（1）用加热器调节&的温度后，为使电流表的示数仍为50.0NA.须调节（选填一种题干中给定的实

验器材）。当以两端未连接电压表时，电流表示数为50.0卬\；连接电压表后，电流表示数显著增大，须将

原电压表更换为内阻_____（选填"远大于""接近〃"远小于〃）%阻值的电压表。

（2）测得/两端的电压随温度的变化如图所示，由图可得温度从35.0（变化到40.0（的过程中，&的阻

值随温度的平均变化率的绝对值是kCQC-i（保留2位有效数字）。

UN

3.00

2.50

2.00

1.50

1.00

0.50

0.00

20.025.030.035.040.045.050.055.060.065.070.0

【答案】凡远大于1.2

【详解】（1）⑴由题可知直流电源E的电动势不变，而用加热器调节R/的温度后，导致整个回路的总电

阻改变。而要确保电流表的示数仍为50.0/A,则需控制整个回路的总电阻不变，故需要调节的器材是可变

电阻R/：

⑵连接电压表后，电流表示数显著增大，则说明电压表与Rr并联后总电阻减小，则根据并联电阻的关系有

R_&&_肉

总一%+Rv-殳+］要保证总电阻不变，需要将原电压表更换为内阻远大于RT内阻的电压表。

（2）⑶图可得温度为35.0（时电压表的电压为1.6V,且实验设定恒定电流为50.0卜iA,则根据欧姆定律可

知此时热敏电阻&L牛=32kC温度为40.0%：时的电压表的电压为1.3V,且实验设定恒定电流为50.0RA,

则根据欧姆定律可知此时热敏电阻心=牛=26kC则温度从35"变化到40.0。（2的过程中，RT■的阻值随

△心（26.0-32.0）kQ.

温度的平均变化率为&=芸=；刖=-L2kC-oC”负值表示随着温度升高电阻的阻值减小。

△.（40.0-35.0）℃

姆的阻值随温度的平均变化率的绝对值是L2kC-ocT。

5.传感器在现代生活中有着广泛的应用。某学习小组利用压力传感器设计了一个测量压力大小的电路。压

敏电阻的阻值R与所受压力大小尸的关系如图所示，压力”在0~200N范围内时图线为直线。

先利用如图乙所示的电路，测量”-0时压敏电阻的阻值主要器材如下。

压敏电阻R（歹=0时的阻值R。在90~110。之间）；

电源（电动势E=I2V,内阻不计）；

电流表G1（量程10mA,内阻%=200。）；

电流表G?（量程50mA，内阻勺约为I00Q）;

定值电阻飞=200C；

滑动变阻器&=200。：

开关S1、S［及导线若干。

请完成下列问题：

（1）要求尽量准确测量压敏电阻的电阻值，导线c端应与（填或*"）点连接。

（2）闭合开关加、S2,调节滑动变阻器接入回路部分的阻值，从最大值逐渐减小，电流表Gz读数为40mA

时电流表G1读数为8.0mA,可知叫）=C。

（3）断开开关S2,继续调节滑动变阻器&,使电流表G2达到满偏，满偏电流刻度处标记/=0。此时滑

动变阻器接入电路部分的阻值和G?内阻之和为Qo保持滑动变阻器阻值不变，当电流表G?示数

为30mA时，压力尸=No

【答案】a100140160

【详解】（1）⑴导线c端应接“，G1和定值电阻R1串联可当成电压表测显压敏电阻R两端的电压，G1和G?

的电流之差是通过压敏甩阻”的电流，若接仇因G2的具体内月木知，不能准确测量”两端的电压值。

（2）⑵闭合开关S1、S2,当两电流表G1、G?的示数分别为乙、时，有9=/1学誓=100。

（3）[3]断开开关继续调节滑动变阻器使电流表Gz达到满偏，滑动变阻器接入电路的阻值为4,

有后=鼠（凡+与2+&）可得&+/=--4=14（）。

EAR

⑷当电流表G,示数为30mA时,由E得《=26。。而图像得斜率为人赤=9小

由线性关系可知R=&+kF解得F=160N

6.电子温度计的核心元件是热敏电阻。某型号的热敏电阻说明书显示的&T图如图甲所示。学习小组想

测量该热敏电阻&在34~42P的咀值与温度的关系。实验器材有电源（输出电压恒为U=12.0V,电流表A

（量程4=50mA,内阻&约为50。）等，实验电路图如图乙所示。

Rg

220

210

200

190

180