高中物理选修3-1变压器

变压器

一、教育目标

1．了解变压器的构造及工作原理。

2． 掌握理想变压器的电压、电流与匝数间关系。 3．掌握理想变压器工作规律并能运用解决实际问题。 二、重点、难点、疑点及解决办法 1．重点

变压器工作原理及工作规律。 2．难点

(1)理解副线圈两端的电压为交变电压。 (2)推导变压器原副线圈电流与匝数关系。 (3)掌握公式中各物理量所表示对象的含义。 3．疑点

变压器铁心是否带电即如何将电能从原线圈传输出到副线圈。 4．解决办法

(1)通过演示实验来研究变压器工作规律使学生能在实验基础上建立规律。 (2)通过理想化模型建立及理论推导得出通过原副线圈电流与匝数间的关系。 (3)通过运用变压器工作规律的公式来解题使学生从实践中理解公式各物理

量的含义。

三、教具准备

可拆式变压器、投影交流电流表(2只) 、投影交流电压表(2只) 、导线若干 学生电源、小电珠(5只、2.5V ，0.3A) 、电键(4只) 四、教学过程 1．引入新课 幻灯打出一组数据

从以上表格可看到各类用电器额定工作电压往往不同，可我们国家民用统一供电均为

220V ，那这些元件是如何正常工作的呢？

出示已拆录音机，指出变压器。

这就靠我们这节将要学习的变压器来实现升压、降压，从而使我们各类用电器在供电电压220V 以下都能正常工作。

出示可拆式变压器 2．讲授新课

我们先来了解变压器的构造，请同学观察实物并回答变压器由哪些部分组成。 变压器由一个闭合铁心和两个绕在铁心上的线圈组成。

闭合铁心是由极薄彼此绝缘的硅钢片叠压而成，(实物呈现，各组由前往后传) 现

在我们用符号来表示变压器。

强调线圈必须绕在铁心

其中与电源连接叫原线圈，也叫初级线圈。另一个与负载连接叫副线圈，也叫次级线圈。

接下来我们再来研究变压器的工作原理。

原副线圈都是用绝缘导线绕成，原副线圈彼此间没有直接关系。但闭合铁芯使原副线圈发生了联系。

原线圈输入交变电压，则原线圈中就有交变电流，请同学们思考铁芯闭合与没有闭合两种情况的磁感线分布图。

当铁芯闭合，原线圈产生的磁感线几乎全部分布在铁芯内部。当铁芯不闭合副线圈通过的磁通量减少。

由于原线圈中通的是交变电流，因而铁芯中的磁通量是变化的，这样副线圈两端有电压吗？为什么

[演示

]

因为通过副线圈的磁通量也发生变化 那副线圈两端电压U 2变化吗？为什么？

感应电动势大小与磁通量变化快慢有关，那副线圈的磁通量变化均匀吗？如果通过线圈的磁通量均匀变化时，线圈中产生的感应电动势大小不变。副线圈中的磁通量做周期性变化，所以U 2为交变电压。

总结如下

～U 1—～l 1—～Φ—～U 2

从能量角度看，显然变压器不能产生电能，它只是通过交变磁场传输电能。电能——磁场能——电能

变压器能改变直流电压吗？为什么？ 不能。

可能有部分学生难以理解，可分析若为直流情况，铁芯中有磁感线但铁芯中的磁通量不变。即通过副线圈的磁通量不变。∴U 2＝0

[演示]

按图2原线圈接直流电压10V ，则请学生观察伏特表的读数。 我们接下来讨论副线圈两端电压U 2与原线圈两端电压U 1有什么关系？ (部分学生可能只认为与副线圈匝数n 2有关) 接下来，请大家来看演示实验。

拿出仪器逐个向学生介绍，并连接好电路如下。

那如何来设计我们记录的数据表格呢？ 在学生设计基础上在黑板上作出表格如下

请两位学生上台来操作，大家积极参与读数，共同完成以上表格。在此过程注意学生读数是否准确(估读问题) ，并及时加以纠正。学生完成后，请两位学生手摸铁芯。

如何处理数据？引导学生观察记录数据，体会可能存在电压与匝数成正比。

由计算结果能得出什么结论？

在实验误差范围内，原副线圈的电压与原副线圈的匝数成正比

磁感线分布原副线圈完全一致吗？

有一部分磁感线从闭合铁芯中漏失。使得副线圈磁感线分布疏于原线圈的磁感线分布。 [演示]按图4接好电路，请学生观察铁芯闭合时与铁芯断开时小电珠的亮度

差别。

铁芯不闭合，灯明显变暗。

由上述可知，通过原线圈的电流不变，若副线圈通过的磁通量减少(漏磁) 则副线圈

两端的电压减少。

由于漏磁使得能量有损失。同时因为原副线圈的绕线有阻值，当电流流过时也有内能产生，使得电能损失。∴P 入＞P 输

同时由于通过铁芯的磁感线反复磁化时也产生焦耳热(请加以证明) ，组成变压器

铁芯的硅钢片不是一整块，而是极薄的一片一片叠压而成，就是为了减少这部分的内能损失。原副线圈有电阻通过电流时也会产生焦耳热。所以P 入＞P 输．

一只变压器如果磁感线没有漏失，线圈和铁芯都不发热，那么这只变压器便是无电能损耗的理想变压器。在这种情况下，变压器输出电功率必然等于输入电功率。

即P 入=P出

理想化是科学研究中常用的重要方法，其要领是“分清主次，抓住主要矛盾”。建立理想变压器模型，不仅有理论上的意义，而且为提高实际变压器效率指出了方向。

上台板演，教师批改，注意规范问题。

解 设变压器原副线圈匝数分别为n 1 n2，端电压为U 1 U2，通过的电

流为I 1、I 2

则：P 入＝U 1I 1 P出=U2I 2 又∵理想变压器 ∴P 入＝P 出 ∴U 1I 1＝U 2I 2

变压器工作时，通过原线圈和副线圈中的电流跟它们的匝数成反比当原副线圈匝数一定，原线圈电流随副线圈电流增大怎么变化呢？我们来看以下演示实验

实验电路出示幻灯 其中n 1＝1600匝，n 2＝400匝

A ．请学生观察随着K 闭合的增加，观察

的变化情况，并思

考为什么？

几乎不变。

随着闭合的灯泡增多，副线圈所接的电阻变小，电压不变，所以电流增大。 或者

B ．将副线圈的匝数改为200匝，请学生观察灯的亮度，并说明为什么？ C ．将原线圈的匝数改为800匝，请学生观察灯的亮度，并说明为什么？ D ．若A 1允许通过电流为3安培，则副线圈至多可接几盏小电珠？ E ．若A 1改为同规格的小电珠，则当S 1、S 2、S 3、S 4均闭合且4只小电珠正

常发光，则由A 1所改的小电珠会烧毁吗？为什么？

公式应用必须灵活，结合实际。一定要注意公式中各物理量的含义，不能张冠李戴。

U 1、U 2指原副线圈两端的电压，I 1、I 2指通过原副线圈的电流强度。

断开电源，将变压器拆下，问刚才是哪个为原线圈，哪个作为副线圈。 降压变压器，所以：n 2＜n 1。

可如何去判别匝数的多少？出示原副线圈实物。

降压变压器由于原副线圈的电阻不为零，所以总有电能损耗P 损=I2R ，降压变压器

哪个通过线圈电流大？为什么？

P 入=P出 即 U1I 1＝U 2I 2 ∵U 1＞U 1 ∴I 1＜I 2

副线圈的通过的电流大，则为了减少电能的损耗，所以必须减少线

径相对小些(经济，重量) 。这样高压线圈匝数多，线径小，低压线圈电流大，

匝数少，线径大。将变压器原副线圈非常和谐地绕在铁芯上，非常美观。反之则不符合物理规律，也不美观。

五、总结、扩展

变压器不是改变电功率大小的仪器。2．若副线圈为多个，上述的规律还成立吗？ 六、板书设计

变压器

1．变压器构造 2．理想变压器工作原理

～U 1→～I 1→～Φ→～U 2 电能→磁场能→电能 3．变压器工作规律 P 入=P出 U1I 1＝U 2I 2 n 2＜n 1降压变压器

n 1＝n 2 隔离变压器

低压线圈n 小I 大线径粗