4第4节变压器

高二物理教案西北师大附中白景曦1第四节变压器白景曦（西北师范大学第一附属中学甘肃兰州730070）摘要变压器是改变交变电流电压的设备，变压器由闭合铁芯和两个线圈组成，变压器的工作原理是互感，变压的规律有：变压比，2121::nnUU；变流比，1221::nnII；功率比：1:1:21PP。常见的变压器有：自耦变压器，调压变压器，互感器（电压互感器和电流互感器）。关键词：变压器结构互感变压比变流比功率比复习：1.法拉第电磁感应定律的内容是什么？数学表达式怎么写？2.电功率的定义是什么？定义式怎么写？引言演示实验：要使额定电压为12V的灯泡正常发光，必须改变电压。电路：原线圈接220V的交流电，副线圈接额定电压为12V的小灯泡。现象：额定电压为12V的小灯泡正常发光。结论：这个设备能够改变交变电流的电压。实际应用中，常常需要改变交变电流的电压，例如：大型发电机产生的交流电，电压有几万伏，远距离输电需要高达几十万伏的电压，电饭煲、电磁炉、电冰箱、洗衣机需要220V电压，电视机显像管需要10000V的高电压。变压器就是改变交流电压的设备。本节课我们就来研究变压器。第1课时：变压器高二物理教案西北师大附中白景曦2新课教学：一、变压器：改变交流电压的设备。提出问题：变压器为什么能够改变交变电压呢？猜想：肯定与变压器的结构有关。观察：闭合铁芯、原线圈、副线圈手摸：绝缘导线绕成线圈，涂绝缘漆的硅钢片叠合成闭合铁芯。二、变压器原理1.结构线圈：原线圈和副线圈，由绝缘导线绕成；铁芯，由涂绝缘漆的硅钢片叠合而成。2.电路符号：3.工作原理原线圈两端加交变电压，原线圈中就有交变电流流过，原线圈中的交变电流在铁芯中产生交变磁通量，交变磁通量既通过原线圈又通过副线圈，在原、副线圈中引起感应电动势；当副线圈闭合时，副线圈中就产生交变电流，它也在铁芯中产生交变磁通量，这个交变磁通量既穿过副线圈，也穿过原线圈，在原副线圈中同样要引起感应电动势。这种在原副线圈中由于有交变电流而发生的互相感应的现象，叫做互感现象。由于互感现象，虽然原线圈和副线圈并没有连接，但是电能通过磁场从原线圈转移到了副线圈。归纳：变压器改变电压的原理是靠互感现象。n1n2n1n2高二物理教案西北师大附中白景曦3提出问题：变压器在转移电能的过程有没有能量损失？如果有能量损失，造成能量损失的原因是什么？4.能量损耗线圈电阻：交变电流流过原副线圈，由于线圈有电阻，线圈中会产生热量；铁芯：当线圈中通过交变电流时，在铁心中会产生涡流，引起铁芯发热；辐射电磁波：感应电流的磁场分布在整个空间中，并不能完全限制在铁芯中，一小部分磁感线漏在铁芯外面，导致穿过原、副线圈的磁通量并不相等，形成电磁波，辐射能量。实际的变压器在工作过程当中损失的能量多吗？不多。大型变压器的效率可达97%～99.5%。所以，在探究变压器的变压规律时，可将实际的变压器认为是没有能量损失的理想变压器。三、理想变压器1.什么是理想变压器：忽略原、副线圈的电阻和各种电磁能量损失的变压器，称为理想变压器。2.规律提出问题：变压器原、副线圈两端所加电压的关系是什么？理论探索：设原线圈的匝数1n，副线圈的匝数2n，原线圈两端所加电压为1U，副线圈两端所加电压为2U，原线圈中产生的感应电动势为1E，副线圈中产生的感应电动势为2E。对于理想变压器，忽略漏掉的磁通量，穿过原、副线圈的磁通量相等，原线圈中的感应电动势：11Ent；副线圈中的感应电动势：abE1U1高二物理教案西北师大附中白景曦422Ent。忽略原副线圈的电阻，11UE；22UE。所以，1212::UUnn（1）变压比：1212::UUnn，原副线圈的端电压之比，等于原副线圈的匝数之比。实验验证：观察录像。已知原线圈的匝数1n，副线圈的匝数2n，原线圈两端所加电压为1U，副线圈两端所加电压为2U。结果：1212::UUnn提出问题：如果现在只有12V的交变电源，和一个变压器，能使额定电压为220V的灯泡正常发光吗？设计电路：升压变压器现象：灯泡正常发光。◎12nn，12UU，降压变压器；◎12nn，12UU，升压变压器。转折：对于升压变压器和降压变压器而言，通过它们原、副线圈的电流之间有什么关系呢？理论探究：设原线圈的匝数1n，副线圈的匝数2n，原线圈两端所加电压为1U，副线圈两端所加电压为2U，原线圈中通过的电流为1I，副线圈中通过的电流为2I。由1122UIUI，得122121:::IIUUnn（2）变流比：变压器工作时，原线圈和副线圈中的电流跟它们的匝数成反比。（3）功率比：12PP第2课时：变压器规律应用高二物理教案西北师大附中白景曦5四、变压器的动态分析问题1．电压决定关系分析：对于理想变压器，原线圈两端所加电压1U由电源决定，电源确定，1U确定；根据1212::UUnn得，2U确定，与副线圈中连接的负载的变化无关。结论：变压器的输入电压决定输出电压。2．电流决定关系分析：1U确定，2U确定，当副线圈中连接的负载发生变化时，副线圈中的电流发生变化，因为22UIR，所以负载的总电阻R减小，副线圈中的电流2I增大，根据1221::IInn，可知1I增大。结论：输出电流决定输入电流。推论：输出电流为零，输入电流为零；输出电流增大，输入电流增大；输出电流减小，输入电流减小。实验验证：变压器原线圈中串联“220V，100W”灯泡，副线圈中并联两个“12V，6W”的灯泡，观察原线圈中串联的“220V，100W”灯泡的亮暗变化。现象：副线圈中并联两个“12V，6W”的灯泡，原线圈中串联的“220V，100W”灯泡变亮。结论：变压器的输出电流决定输入电流；变压器的输出功率，决定输入功率。3．功率决定关系理想变压器的输出功率决定输入功率。联系实际：对于发电站来讲，是用户消耗的电能多少决定发电量的多少吗？是。夜间，用电量小时，发电站要关机或带动电动机抽水，这件工作由电力调配工作站负责。高二物理教案西北师大附中白景曦61AV1V2A216-图R6例题：《精析精练》第四节，例题1、2、3五、几种常用变压器1.自耦变压器：一组线圈，一个铁芯，四个接头。2.调压变压器：圆形自耦变压器。3.互感器（1）作用：测量大电流和高电压。（2）电压互感器：测高电压，原线圈与高压电路并联，副线圈接地。（3）电流互感器：测大电流，原线圈与被测电路串联，副线圈接地。参考资料：一、基本规律应用例1：有一个理想变压器，原线圈1200匝，副线圈400匝，现在副线圈上接一个变阻器R，如图所示，则下列说法中正确的是()A．安培表A1与A2的示数之比为3:1B．伏特表V1与V2的示数之比为3:1C．原、副线圈的功率之比为3:1二、变压器动态分析练习1：上题中，当变阻器的滑片向下滑动时，下面判断正确的是（B）A．V1、V2不变，A1增大，A2减小；B．V1、V2不变，A1和A2都增大；C．V1、V2不变，；高二物理教案西北师大附中白景曦7I2R1R2UU(甲))乙(R1R216-图3I1D．V1不变，V2增大，A1减小，A2增大。小结：当变压器原副线圈匝数比(21nn)确定以后，其输出电压U2是由输入电压U1决定的(即U2=12nnU1)但若副线圈上没有负载，副线圈电流为零输出功率为零，则输入功率为零，原线圈电流也为零，只有副线圈接入一定负载，有了一定的电流，即有了一定的输出功率，原线圈上才有了相应的电流（I1=12nnI2），同时有了相等的输入功率，（P入=P出）所以说：变压器上的电压是由原线圈决定的，而电流和功率是由副线圈上的负载来决定的。练习2：上题中，若滑动变阻器接入电路的电阻值为100Ω，原线圈接在市照明电路上，求各电表的示数？三、多输出端变压器例2：电阻R1和R2如图16-3甲所示接在变压器上，变压器原线圈接在电压恒为U的交流电源上，R1和R2上的电功率之比为2：1，若其它条件不变，只将R1和R2改成如图乙接法，R1和R2上的功率之比为1：8。若甲图中原线圈电流为I1，乙图中原线圈电流为I2，求：（1）两组副线圈的匝数之比；（2）I1和I2之比。解析：（1）甲图中R1和R2串联，电流相同，功率与电阻成正比，所以有R1=2R2（1）设三组线圈的匝数分别是n1,n2,n3，两组副线圈上的电压分别是U2和U3，易得高二物理教案西北师大附中白景曦8U2=12nnUU3=13nnU乙图中R1和R2上的功率之比为1:8即81212)(RUnn2213)(RUnn（2）联列（1）式和（2）式解得32nn=21（2）设甲图中输出功率为P1，则P1=2132)(Unnn/（R1+R2）设乙图中输出功率为P2，则P2=212)(Unn/R1+213)(Unn/R2以R1=2R2，n3=2n2代入，可得：3221PP。由于输入功率等于输出功率，所以甲、乙两图中输入功率之比也为32，根据P=IU，电压恒定，所以两图中电流之比I1：I2=2：3结论本节课收获如下：1.知识：（1）变压器的结构和工作原理；（2）理想变压器的规律和动态分析方法；（3）常见变压器及其功能。2.方法：演绎推理法、实验法参考文献：[1]人民教育出版社物理室编著．物理第二册教师教学用书．北京：人民教育出版社，2003.[2]人民教育出版社物理室编著．物理第二册（必修加选修）．北京：人民教育出版高二物理教案西北师大附中白景曦9社，2006.[3]人民教育出版社．延边教育出版社编著．物理第二册（必修加选修）教案．吉林：延边教育出版社，2008.[4]马兰刚著．物理第二册（必修加选修）教案．甘肃：未来教育出版社，待版．[5]杜鸿宝著．高二物理教案．甘肃：未来教育出版社，（等待出版）．