第4講實驗:探究變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系一、實驗原理1.實驗電路圖2.實驗方法:控制變量法(1)U1、n1一定,研究n2和U2的關(guān)系。(2)U1、n2一定,研究n1和U2的關(guān)系。二、實驗器材學(xué)生電源(低壓交流)、可拆變壓器(配備幾個不同匝數(shù)的線圈)、多用電表、開關(guān)、導(dǎo)線若干。三、實驗操作及步驟1.保持原線圈的匝數(shù)n1和電壓U1不變,改變副線圈的匝數(shù)n2,研究n2對副線圈電壓U2的影響。(1)估計被測電壓的大致范圍,選擇多用電表交流電壓擋適當量程,若不知道被測電壓的大致范圍,則應(yīng)選擇交流電壓擋的最大量程進行測量。(2)組裝可拆變壓器:把兩個線圈穿在鐵芯上,閉合鐵芯,用交流電壓擋測量輸入、輸出電壓。2.保持副線圈的匝數(shù)n2和原線圈兩端的電壓U1不變,研究原線圈的匝數(shù)對副線圈電壓的影響,重復(fù)上述步驟。四、數(shù)據(jù)處理分析表格可知,理想變壓器原、副線圈兩端電壓U1、U2之比等于兩個線圈的匝數(shù)n1、n2之比。次數(shù)1234n1/匝n2/匝n1∶n2U1/VU2/VU1∶U2五、注意事項1.要事先推測副線圈兩端電壓的可能值。2.為了人身安全,只能使用低壓交流電壓,所用電壓不要超過12V,通電時不要用手接觸裸露的導(dǎo)線、接線柱。3.為了多用電表的安全,使用交流電壓擋測電壓時,先用最大量程擋試測,大致確定被測電壓后再選擇適當?shù)膿跷贿M行測量。六、誤差分析1.由于漏磁,通過原、副線圈每一匝的磁通量不嚴格相等造成誤差。2.原、副線圈有電阻,原、副線圈中產(chǎn)生的焦耳熱損耗造成誤差。3.鐵芯中有磁損耗,產(chǎn)生渦流造成誤差。4.多用電表的讀數(shù)存在誤差?？键c一基礎(chǔ)性實驗[例1]【實驗原理與操作】(2024·江蘇宿遷期中)在“探究變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系”的實驗中,可拆變壓器如圖所示。(1)本實驗要通過改變原、副線圈匝數(shù),探究原、副線圈的電壓比與匝數(shù)比的關(guān)系,實驗中需要運用的科學(xué)方法是。

A.控制變量法B.等效替代法C.整體隔離法(2)為了減小渦流的影響,鐵芯應(yīng)該選擇。

A.整塊硅鋼鐵芯B.整塊不銹鋼鐵芯C.彼此絕緣的硅鋼片疊成D.彼此絕緣的銅片疊成(3)本實驗除有閉合鐵芯的原、副線圈外,還須選用的器材是。(多選)

ABCD(4)下列做法正確的是。

A.為了人身安全,只能使用低壓直流電源,所用電壓不要超過12VB.為了多用電表的安全,使用交流電壓擋測電壓時,先用最大量程擋試測C.觀察兩個線圈的導(dǎo)線,發(fā)現(xiàn)粗細不同,導(dǎo)線粗的線圈匝數(shù)多D.變壓器開始正常工作后,鐵芯導(dǎo)電,把電能由原線圈輸送到副線圈【答案】(1)A(2)C(3)AD(4)B【解析】(1)本實驗要通過改變原、副線圈匝數(shù),探究原、副線圈的電壓比與匝數(shù)比的關(guān)系,實驗中需要運用的科學(xué)方法是控制變量法。故選A。(2)為了減小渦流的影響,鐵芯應(yīng)該選擇彼此絕緣的硅鋼片疊成。故選C。(3)本實驗原線圈需要連接低壓交流電源,需要測副線圈的輸出電壓,需要交流電壓表,所以需要選用的器材是學(xué)生電源和多用電表。故選AD。(4)變壓器對交流有作用,對直流無作用,為了人身安全,只能使用低壓交流電源,且電壓不要超過12V,故A錯誤;為了多用電表的安全,使用交流電壓擋測電壓時,先用最大量程擋試測,大致確定被測電壓后再選用適當?shù)膿跷贿M行測量,故B正確;根據(jù)變壓器原、副線圈的規(guī)律有n1I1=n2I2,可知匝數(shù)多,其電流相對較小;導(dǎo)線粗的線圈電阻小,對應(yīng)較大電流,其匝數(shù)就少,故C錯誤;變壓器開始正常工作后,鐵芯并不導(dǎo)電,通過電磁感應(yīng),把電能由原線圈輸送到副線圈,故D錯誤。[例2]【數(shù)據(jù)處理與誤差分析】(2024·廣東清遠期末)在“探究變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系”實驗中使用的可拆式變壓器如圖所示,圖中各接線柱對應(yīng)的數(shù)字表示倍率為“×100”的匝數(shù)。(1)組裝好可拆式變壓器后,使用學(xué)生電源給原線圈供電,用多用電表測量副線圈兩端的電壓,下列操作正確的是。

A.原線圈接直流電壓,電表用直流電壓擋B.原線圈接直流電壓,電表用交流電壓擋C.原線圈接交流電壓,電表用直流電壓擋D.原線圈接交流電壓,電表用交流電壓擋(2)在正確組裝變壓器后,甲、乙、丙三名同學(xué)分別利用控制變量法探究副線圈的電壓U2與原線圈的電壓U1、原線圈的匝數(shù)n1、副線圈的匝數(shù)n2的關(guān)系,將實驗數(shù)據(jù)繪制成甲、乙、丙三幅圖像,(選填“甲”“乙”或“丙”)同學(xué)的實驗結(jié)果有誤。

(3)小明同學(xué)正確組裝變壓器后,把12V的學(xué)生交流電源接到原線圈“2”“14”接線柱,副線圈接線“0”“4”接線柱,原、副線圈的匝數(shù)比為,在確認電路連接無誤的情況下,接在副線圈兩端的交流電壓表的實際讀數(shù)可能是。

A.8.0V B.4.0V C.3.8V D.0(4)從實驗數(shù)據(jù)分析,原、副線圈上的電壓之比并不等于它們的匝數(shù)之比。分析下列可能的原因,正確的是(多選)。

實驗次數(shù)n1/匝n2/匝U1/VU2/V12001008.24.022001006.12.932001004.01.9A.原、副線圈的電壓不同步B.變壓器線圈中有電流通過時會發(fā)熱C.鐵芯在交變磁場的作用下會發(fā)熱D.穿過副線圈的磁通量小于原線圈的磁通量【答案】(1)D(2)乙(3)3∶1C(4)BCD【解析】(1)在“探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數(shù)的關(guān)系”實驗中,電源應(yīng)使用交流電源,同時還需要交流電壓表來測量電壓。故選D。(2)對于理想變壓器有U1U2=n1n2,整理得U2=n2n1U1或U2=U1n2·1n1或(3)由題意可知,原線圈的匝數(shù)為n1=(14-2)×100=1200,副線圈的匝數(shù)為n2=(4-0)×100=400,所以理想變壓器原、副線圈的匝數(shù)比為n1n2=1200400=31。設(shè)副線圈的電壓為U2,有U1U2=n1n2,解得U2=4V,由于變壓器不是理想變壓器,會有“漏磁”的情況出現(xiàn),(4)從實驗數(shù)據(jù)分析,原、副線圈上的電壓之比并不等于它們的匝數(shù)之比,其變壓器并不是理想變壓器,能量損失主要來自三個方面,分別是變壓器線圈中電阻有電流通過時會發(fā)熱(銅損)、鐵芯在交變磁場的作用下產(chǎn)生渦流發(fā)熱(鐵損)和由于漏磁導(dǎo)致穿過副線圈的磁通量小于原線圈的磁通量(磁損)。故選BCD。考點二創(chuàng)新性實驗[例3]【實驗器材的創(chuàng)新】(2024·廣東廣州期中)某同學(xué)用可拆變壓器探究“變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系”。(1)該同學(xué)將原線圈接一學(xué)生電源的交流電壓輸出端,并使用交流電壓表分別測量原、副線圈兩端的電壓,得到的實驗數(shù)據(jù)如下表所示。實驗序號原線圈匝數(shù)n1副線圈匝數(shù)n2原線圈電壓U1/V副線圈電壓U2/V14002004.222.1024008004.228.36340016004.2216.83根據(jù)實驗數(shù)據(jù),得到的結(jié)論為:在誤差允許的范圍內(nèi),。

(2)該同學(xué)利用(1)問中第2組數(shù)據(jù)時的副線圈給一標有“3.8V0.3A”字樣的小燈泡供電,發(fā)現(xiàn)小燈泡并沒有被燒壞。測量此時小燈泡兩端的電壓約為3.00V,并不是8.36V,其原因主要是。

(3)可拆變壓器鐵芯是由相互絕緣的薄硅鋼片疊壓而成。如圖所示,原線圈接交流電源,副線圈接入小燈泡。第一次,緩緩移動鐵芯橫條使鐵芯完全閉合;第二次,另取一塊與變壓器鐵芯橫條尺寸相同的普通鐵塊替換鐵芯橫條,重復(fù)上述實驗。兩次均觀察到小燈泡由暗變亮。以下說法正確的是。(多選)

A.第二次實驗中小燈泡更亮些B.用普通鐵塊和用鐵芯橫條相比,普通鐵塊更容易發(fā)熱C.無論用普通鐵塊還是用鐵芯橫條,流經(jīng)小燈泡的電流均為交變電流【答案】(1)變壓器原、副線圈的電壓比等于匝數(shù)比(2)副線圈有電阻,且與小燈泡電阻相近,副線圈分壓(3)BC【解析】(1)第一組數(shù)據(jù),原、副線圈匝數(shù)比為n1n2=400200=21,電壓之比為U1U2=4.222.10≈21;第二組數(shù)據(jù),原、副線圈匝數(shù)比為n1n2=400800=12,電壓之比為U1U2=4.228.(2)由于副線圈存在電阻,且與小燈泡電阻相近,即副線圈分壓,使得小燈泡兩端電壓變小。(3)鐵芯橫條與普通鐵塊都是導(dǎo)磁材料,鐵芯閉合后,減少了漏磁現(xiàn)象,產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢增大,小燈泡變亮;用普通鐵塊和用鐵芯橫條相比,普通鐵塊由于渦流更容易發(fā)熱,變壓器效率低一些,第一次實驗中小燈泡更亮些,故A錯誤,B正確。無論用普通鐵塊還是用鐵芯橫條,副線圈中還是交變電流,流經(jīng)小燈泡的電流均為交變電流,故C正確。[例4]【實驗情境的創(chuàng)新】(2024·貴州貴陽模擬)有一個教學(xué)用的可拆變壓器,如圖甲所示,它有兩個外觀基本相同的線圈A、B(內(nèi)部導(dǎo)線電阻率、橫截面積相同),線圈外部還可以繞線。(1)某同學(xué)用一多用電表的同一倍率電阻擋先后測量了A、B線圈的電阻值,指針分別對應(yīng)圖乙中的A、B位置,由此可推斷(選填“A”或“B”)線圈的匝數(shù)較多。

(2)該實驗中輸入端所接電源最適合的是。

A.220V交流電源B.220V直流電源C.12V以內(nèi)低壓直流電源D.12V以內(nèi)低壓交流電源(3)如果把它看作理想變壓器,現(xiàn)要測量A線圈的匝數(shù),提供的器材有:一根足夠長的絕緣導(dǎo)線、一只多用電表和低壓交流電源。請完成實驗步驟的填空:①用絕緣導(dǎo)線在線圈的外部或變壓器的鐵芯上繞制n匝線圈;②將A線圈與低壓交流電源相連接;③用多用電表的擋分別測量A線圈的輸入電壓UA和繞制線圈的輸出電壓U;

④A線圈的匝數(shù)為(用題目中的物理符號表示)。

【答案】(1)A(2)D(3)③交流電壓④n【解析】(1)根據(jù)電阻定律R=ρlS,電阻率和橫截面積相同時,導(dǎo)線越長,電阻越大,A線圈電阻比B的大,故A(2)為保證學(xué)生安全,應(yīng)用12V以內(nèi)低壓交流電源,故選D。(3)變壓器輸入、輸出都是交變電流,所以要用交流電壓擋測輸入和輸出電壓。根據(jù)變壓器原、副線圈的電壓比等于匝數(shù)比得UAU=nAn,解得n(滿分:50分)1.(10分)(2024·廣東廣州期末)在“探究變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系”實驗中,某同學(xué)采用了如圖所示的可拆式變壓器進行研究,圖中各接線柱對應(yīng)的數(shù)字表示倍率為“×100”的匝數(shù)。(1)對于實驗過程,下列說法正確的是。

A.本探究實驗采用了控制變量法B.測量副線圈電壓時應(yīng)當用多用電表的“直流電壓擋”C.因為實驗所用電壓較低,通電情況下可用手接觸裸露的導(dǎo)線、接線柱(2)若變壓器是理想變壓器,電源接變壓器原線圈“0”“8”接線柱,副線圈接“0”“4”接線柱,若副線圈所接電表的示數(shù)為6.0V,則原線圈的輸入電壓應(yīng)為。

A.18.0V B.12.0V C.5.0V D.3.0V(3)該同學(xué)組裝變壓器時忘記將鐵芯閉合進行實驗,若原、副線圈匝數(shù)比為8∶1,原線圈接12.0V交流電壓,則測量副線圈的交流電壓表的實際讀數(shù)可能是。

A.0 B.9.60V C.1.50V D.0.65V(4)正確組裝變壓器后,用匝數(shù)Na=400和Nb=800的變壓器實際測量數(shù)據(jù)如下表:Ua/V1.802.803.804.90Ub/V4.006.018.029.98根據(jù)測量數(shù)據(jù)可判斷連接交流電源的原線圈是(選填“Na”或“Nb”)。

【答案】(1)A(2)B(3)D(4)Nb【解析】(1)為便于探究,可以采用控制變量法,故A正確;變壓器的原線圈接低壓交流電,測量副線圈電壓時應(yīng)當用多用電表的“交流電壓擋”,故B錯誤;雖然實驗所用電壓較低,但是通電時不可用手接觸裸露的導(dǎo)線、接線柱等檢查電路,這樣可避免發(fā)生危險,實驗操作更規(guī)范,故C錯誤。(2)變壓器為理想變壓器,則原線圈電壓為U1=n1U2n2=84×6.0V=12.(3)假設(shè)變壓器為理想變壓器,則副線圈電壓為U2=n2U1n1=18×12.0V=1.5V,考慮到變壓器未將鐵芯閉合,導(dǎo)致漏磁,使通過副線圈的磁通量減小,則副線圈兩端電壓小于1.5V,電壓表測量的是有效值,則讀數(shù)小于1.(4)由于有漏磁、原副線圈內(nèi)阻分壓等因素,所以副線圈實際測量的電壓值應(yīng)該小于理論值,由理想變壓器規(guī)律U1U2=n1n2,而NaNb=12,由表格數(shù)據(jù)U2.(10分)(2024·江蘇常州期末)小明同學(xué)做“探究變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系”實驗。(1)小明正確連接電路后,選用合適的擋位測量原、副線圈電壓,并記入下表:序號123456原線圈U1/V0.02.04.06.08.010.0副線圈U2/V0.00.91.92.9

4.8如圖甲所示,小明測量第5組數(shù)據(jù)U2時,讀數(shù)為V。

(2)請你利用表格中小明測量的原、副線圈電壓數(shù)據(jù),在圖乙中作出U1-U2圖像,并求出圖像的斜率k=(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)。

(3)變壓器原、副線圈匝數(shù)分別為n1=200、n2=100,比較U1-U2圖像的斜率k與匝數(shù)比n1n2,可以得出的結(jié)論是

【答案】(1)3.9(2)圖見解析2.1(3)在誤差允許范圍內(nèi),原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系為U1U【解析】(1)由表格數(shù)據(jù)的規(guī)律可知,小明測量第5組數(shù)據(jù)U2時,讀數(shù)為3.9V。(2)按表中數(shù)據(jù)在題圖乙中描點作圖,如圖所示。由U1-U2圖像,其斜率k=10.04.8(3)變壓器原、副線圈匝數(shù)分別為n1=200、n2=100,可知匝數(shù)比為n1n2=200100=2,比較U1-U2圖像的斜率k與匝數(shù)比n1n2,3.(15分)功放內(nèi)部的變壓器一般為環(huán)狀,簡稱環(huán)牛,如圖甲所示。某同學(xué)利用環(huán)牛探究變壓器原、副線圈兩端的電壓與匝數(shù)之間的關(guān)系(環(huán)牛效率極高,可看成理想變壓器,其示意圖如圖乙所示)。(1)測量環(huán)牛的初級(原)、次級(副)線圈匝數(shù)n1、n2的方法是:先在閉合鐵芯上緊密纏繞n=70匝漆包細銅線,并將理想交流電壓表1接在細銅線兩端;然后在初級線圈(左側(cè))上輸入有效值為24.0V的低壓交流電,再將理想交流電壓表2連接在次級線圈(右側(cè))上,若理想交流電壓表1的示數(shù)為3.0V,理想交流電壓表2的示數(shù)為12.0V,則次級線圈的匝數(shù)n2=。

(2)若在初級線圈(左側(cè))上接入電壓瞬時值u=2202sin100πtV的電壓,則連接在次級線圈(右側(cè))上的理想交流電壓表2的示數(shù)為V。

(3)由于變壓器工作時有能量損失,實驗中測得的原、副線圈的電壓比(選填“大于”“小于”或“等于”)原、副線圈的匝數(shù)比n1n(4)導(dǎo)致實驗誤差的原因可能是。(多選)

A.變壓器的鐵芯漏磁B.原線圈所加電壓小C.變壓器的鐵芯產(chǎn)生渦流【答案】(1)280(2)110(3)大于(4)AC【解析】(1)根據(jù)理想變壓器變壓規(guī)律得Un=U1n1,Un=U2n2,解得n(2)初級線圈所接交流電壓的有效值U1=Um2=220V,根據(jù)理想變壓器變壓規(guī)律得U1U2=n1n2,(3)由于變壓器工作時有能量損失,導(dǎo)致副線圈電壓實際值比理論值小,故實驗中測得的原、副線圈的電壓比大于原、副線圈的匝數(shù)比。(4)變壓器的鐵芯漏磁,會造成副線圈電壓實際值比理論值小,故A正確;原線圈所加電壓小,不會造成副線圈電壓實際值比理論值小,故B錯誤;變壓器的鐵芯產(chǎn)生渦流,會造成副線圈電壓實際值比理論值小,故C正確。4.(15分)(2025·甘肅蘭州模擬)用如圖甲所示的高中學(xué)生實驗用的可拆變壓器進行“探究變壓器原、副線圈的電壓與匝數(shù)的關(guān)系”實驗。(1)關(guān)于此實驗,下列說法正確的是。

A.副線圈不接用電器時,原線圈可以長時間通電B.為了保證人身安全,要使用低壓直流電源C.副線圈空載時,用交流電壓表可以測得副線圈兩端的電壓(2)小明同學(xué)將變壓器按照要求組裝好后,原線圈接“0”“4”接線柱,副線圈接“0”“14”接線柱,此時接在原線圈兩端的交流電壓表量程為10V,示數(shù)如圖乙所示,其讀數(shù)值為V(結(jié)果保留1位小數(shù)),此時副線圈輸出的電壓理論上與(填選項前字母)最接近。

A.0 B.1.2V C.14V D.18.2V(3)小黃同學(xué)將原線圈接在交流電源上,將副線圈接在電壓傳感器(可視為理想電壓表)上,觀察到副線圈電壓U2隨時間變化的圖像如圖丙所示,在t1～t2時間內(nèi)該同學(xué)先斷開開關(guān),其后僅進行的一項操作可能是