高中物理新教材同步选择性必修第二册 第3章 3 课时2 实验：探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系

课时2 实验：探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系 [学习目标] 学会探究在变压器输入电压一定时，副线圈上的电压与线圈匝数之间的关系． 一、实验思路 交变电流通过原线圈时在铁芯中产生变化的磁场，副线圈中产生感应电动势，其两端有输出 电压．线圈匝数不同时输出电压不同，实验通过改变原、副线圈匝数，探究原、副线圈的电 压与匝数的关系． 二、实验器材 多用电表、可拆变压器、学生电源、开关、导线若干(如图1 所示) 图1 三、物理量的测量 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．实物接线如图2 所示． 图2 表格一 U1＝5 V，n1＝400 匝 实验次数 1 2 3 n2/匝 U2/V (1)选择n1＝400 匝，用导线将变压器原线圈接在学生电源的交流输出接线柱上． (2)将选择开关调至使原线圈两端电压为5 V，如图甲所示． (3)将多用电表与副线圈n2＝200 匝的接线柱相连接，如图乙所示．读出副线圈两端的电压 U2. (4)将n2、U2、n1、U1记录在表格一中． (5)保持n1＝400 匝，U1＝5 V 不变．将多用电表与副线圈n2＝800 匝的接线柱相连接，如图 丙所示，重复上述实验，将结果记录到表格一中． (6)保持n1＝400 匝，U1＝5 V 不变．将多用电表与副线圈n2＝1 400 匝的接线柱相连接，如图 丁所示，重复上述实验，将结果记录到表格一中． 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n1对副线圈电压 U2的影响． 表格二 U1＝5 V，n2＝400 匝 实验次数 1 2 3 n1/匝 U2/V (1)将1 中的原线圈作为副线圈，副线圈作为原线圈． (2)选择n2＝400 匝，用导线将变压器原线圈接在学生电源的交流输出接线柱上． (3)将选择开关拨至5 V 挡． (4)将多用电表与副线圈n2＝400 匝的接线柱相连接，读出副线圈两端的电压U2. (5)将n2、U2、n1、U1记录在表格二中． (6)保持n2＝400 匝，U1＝5 V 不变，将连接电源的两根导线先后与原线圈n1＝800 匝和n1＝1 400 匝的接线柱相连接，重复上述实验，将结果记录到表格二中． (7)拆除实验线路，整理好实验器材． 四、数据分析与结论 分析表格一和表格二中记录的数据，可得以下结论： 1．当原线圈电压、原线圈匝数不变时，副线圈电压与副线圈匝数成正比．当原线圈电压、 副线圈匝数不变时，副线圈电压与原线圈匝数成反比． 2．原、副线圈的电压之比等于匝数之比. 五、注意事项 1．为了人身安全，只能使用低压交流电源，所用电压不要超过12 V，即使这样，通电时也 不要用手接触裸露的导线、接线柱． 2．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，大致确定电压 后再选择适当的挡位进行测量． 一、实验原理与操作 (多选)如图3 所示，在用可拆变压器“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实 验中，下列说法正确的是( ) 图3 A．用可拆变压器，能方便地从不同接线柱上选取不同匝数的线圈 B．测量原、副线圈的电压，可用“测定电池的电动势和内阻”实验中的直流电压表 C．原线圈接0、8 接线柱，副线圈接0、4 接线柱时，副线圈电压大于原线圈电压 D．为便于探究，先保持原线圈匝数和电压不变，改变副线圈的匝数，研究其对副线圈电压 的影响 答案 AD 解析 变压器的输出电压跟输入电压以及原、副线圈匝数之比都有关，因此需要用可拆变压 器研究，选项A、D 正确．变压器只对交流电压有作用，故不能用直流电压表测量原、副线 圈的电压，选项B 错误．根据输入、输出电压之比等于原、副线圈匝数之比可知，原线圈 接0、8 接线柱，副线圈接0、4 接线柱时，副线圈电压小于原线圈电压，选项C 错误． 二、探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系 如果把一个可拆变压器看成理想变压器，两个线圈分别为A、B，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，请简要叙述 实验步骤(写出要测的物理量，并用字母表示)： ______________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________. A 线圈的匝数为nA＝____________.(用所测物理量符号表示) 答案 见解析 解析 ①用长导线绕一个n 匝线圈，作为副线圈替代A 线圈． ②把低压交流电源接B 线圈，用多用电表交流电压挡测得绕制的线圈的输出电压U. ③用A 线圈换下绕制的线圈，用多用电表交流电压挡测得A 线圈的输出电压UA. nA＝n. 为完成“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验．必须要选用的是_______ _． A．有闭合铁芯的原、副线圈 B．无铁芯的原、副线圈 C．交流电源 D．直流电源 E．多用电表(交流电压挡) F．多用电表(交流电流挡) 用匝数na＝60 匝和nb＝120 匝的变压器，实验测量数据如下表， Ua/V 1.80 2.80 3.80 4.90 Ub/V 4.00 6.01 8.02 9.98 根据测量数据可判断连接电源的线圈是________(选填“na”或“nb”)． 答案 ACE nb 解析 为了完成实验，需要使用交流电源变压，故选用多用电表的交流电压挡．为了让变压 效果明显，需要带闭合铁芯的原、副线圈．由于存在漏磁，所以副线圈测量电压值应该小于 理论变压值，即nb为输入端，na为输出端． 1．如图4 所示是“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”的实验示意图，a 线圈接交 流电源，b 线圈接交流电压表，在实验过程中( ) 图4 A．只增加b 线圈的匝数，电压表的示数一定增大 B．只增加a 线圈的匝数，电压表的示数一定增大 C．同时增加a、b 两线圈的匝数，电压表的示数一定增大 D．只改变a 线圈两端的电压，电压表的示数不变 答案 A 解析 电压表示数设为Ub，交流电源电压设为Ua，则＝，所以只增加nb，Ub一定增大，A 正确；而只增加na，Ub一定减小，B 错误；na、nb都增加，Ub不一定增大，C 错误；只改变 Ua，Ub一定改变，D 错误． 2．在“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”的实验中，实验室中备有下列可供选择 的器材： A．可拆变压器(铁芯、两个已知匝数的线圈) B．条形磁体 C．直流电源 D．多用电表 E．开关、导线若干 上述器材在本实验中不必用到的是________(填器材前的序号)，本实验中还需用到的器材有 ______________． 答案 BC 低压交流电源 解析 探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系，需要知道原、副线圈的匝数，可拆变压器 就能满足条件，故A 必用到．变压器的原理是互感现象，是原线圈磁场的变化引起副线圈 产生感应电动势，所以不需要外界的磁场，故B 不必用到．如果原线圈中接的是直流电源， 则副线圈中不会有感应电动势产生，故C 不必用到，需要用到低压交流电源．探究变压器 原、副线圈电压与匝数的关系，需要测电压，所以需要一个测电压的仪器，故D 必用到． 做电学实验，需要用到开关、导线，故E 必用到． 3．有一个教学用的可拆变压器，如图5 甲所示，它有两个外观基本相同的线圈A、B，线圈 外部还可以绕线． 图5 (1)某同学用一多用电表的同一欧姆挡先后测量了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． (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．12 V 以内低压直流电源 C．36 V 安全电压 D．12 V 以内低压交流电源 答案 (1)A (2)D 解析 (1)匝数多的导线横截面积小，长度大，故电阻大，A 线圈电阻大，故A 线圈匝数较多． (2)为保证学生安全，应用12 V 以内低压交流电源． 4．理想变压器是指在变压器变压的过程中，线圈和铁芯不损耗能量、磁场被束缚在铁芯内 不外漏的变压器．现有一个理想变压器、一个原线圈(匝数为n1)和一个副线圈(匝数为n2)． 甲、乙两位同学想探究这个理想变压器的原、副线圈两端的电压与线圈匝数的关系． (1)甲同学的猜想是U1∶U2＝n1∶n2；乙同学的猜想是U1∶U2＝n2∶n1.你认为猜想合理的同学 是________，你做出上述判断所依据的物理规律是________________． (2)为了验证理论推导的正确性，可以通过实验来探究．为保证实验安全、有效地进行，应 选用________电源． (3)在实验时，若采用多用电表进行测量，应先将选择开关置于________挡，并选用_______ _量程进行试测，大致确定被测数据后，再先用适当的量程进行测量． 答案 (1)甲 法拉第电磁感应定律 (2)低压(一般低于12 V)交流 (3)交流电压 最大 解析 (1)由变压器的工作原理可知，猜想合理的同学是甲同学．做出上述判断依据的物理 规律是法拉第电磁感应定律． (2)为了保证实验安全、有效地进行，应选用低压(一般低于12 V)交流电源． (3)使用多用电表时，应先将选择开关置于交流电压挡，并先用最大量程进行试测．