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第4講　實驗:探究變壓器原、副線圈電壓與匝數的關系
一、實驗目的
探究變壓器原、副線圈電壓與匝數的關系。
二、實驗原理
電流通過原線圈時在鐵芯中激發磁場,由于電流的大小、方向在不斷變化,鐵芯中的磁場也在不斷變化。變化的磁場在副線圈中產生感應電動勢,副線圈中就存在輸出電壓。本實驗通過改變原、副線圈匝數,探究原、副線圈電壓與匝數的關系。
三、實驗器材
兩個多用電表、學生電源(低壓交流電源)、開關、可拆變壓器、導線若干。
四、實驗步驟
1.按如圖所示的電路圖連接好電路,將兩個多用電表調到交流電壓擋,并記錄兩個線圈的匝數。
2.打開學生電源,閉合開關,讀出兩個電表的電壓值,并記錄在表格中。
3.保持原線圈的電壓、匝數不變,多次改變副線圈的匝數,記錄下每次的副線圈匝數和對應的電壓值。
4.保持原線圈的電壓、副線圈的匝數不變,多次改變原線圈的匝數,記錄下每次的原線圈匝數和副線圈的電壓值。
五、數據記錄與處理
次數 1 2 3 4 …
n1/匝
n2/匝
n1∶n2
U1/V
U2/V
U1∶U2
六、實驗結論
理想變壓器原、副線圈的電壓之比等于原、副線圈的匝數之比。
七、注意事項
1.在改變學生電源電壓、線圈匝數前均要先斷開開關,再進行操作。
2.為了保證人身安全,學生電源的電壓不能超過12 V,且通電時不能用手接觸裸露的導線和接線柱。
3.為了保護多用電表,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合適的擋位進行測量。
八、誤差分析
1.由于漏磁,通過原、副線圈的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、副線圈中的焦耳熱損耗造成誤差。
3.鐵芯中有磁損耗,產生渦流,造成誤差。
4.電表的讀數存在誤差。
考點一　基礎性實驗
[例1] 【實驗原理與誤差分析】 (2024·河北張家口模擬)某同學準備做“探究變壓器原、副線圈電壓與匝數的關系”實驗,他在實驗室準備了可拆變壓器(如圖甲所示)、低壓交流電源、多用電表、開關和導線若干。
甲
(1)為實現探究目的,保持原線圈輸入的電壓一定,通過改變原、副線圈匝數,測量副線圈上的電壓。這個探究過程采用的科學探究方法是　　　　。
A.控制變量法 B.等效替代法
C.整體隔離法 D.理想實驗法
(2)該同學認真檢查電路無誤后,其中一次測量電壓時選擇2.5 V擋位,多用電表讀數如圖乙所示,此時電表讀數為　　　　V。
乙
(3)某次實驗中線圈N1接“0”“4”,線圈N2接“2”“14”,測得線圈N1兩端的電壓U1=2.30 V,線圈N2兩端的電壓U2=7.60 V,分析可知　　　　(選填“N1”或“N2”)是原線圈。
(4)實驗發現原、副線圈電壓比與匝數比不相等,可能的原因是　　　　　　　　　　　。
【答案】 (1)A　(2)2.00　(3)N2　(4)見解析
【解析】 (1)為實現探究目的,保持原線圈輸入的電壓一定,通過改變原、副線圈匝數,測量副線圈上的電壓。這個探究過程采用的科學探究方法是控制變量法。
(2)測交流電壓時選擇2.5 V擋位,此時電表讀數為U=2.00 V。
(3)若某次實驗中用匝數n1=400匝、n2=1 200匝的線圈,測得線圈N1兩端的電壓U1=2.30 V,線圈N2兩端的電壓U2=7.60 V,匝數之比近似等于電壓之比,則有=,按U1=2.30 V 解得N2兩端的電壓U2=6.90 V<7.60 V,結合變壓器不是理想的,存在漏磁、發熱等原因,則N2一定是原線圈,N1是副線圈。
(4)變壓器不是理想的,可能存在漏磁、線圈存在電阻產生焦耳熱等問題。
[例2] 【數據處理與實驗操作】 (2024·河北石家莊二模)某同學利用如圖甲所示器材做“探究變壓器原、副線圈電壓與匝數的關系”實驗。
甲
(1)該同學按圖乙連接電路,變壓器左側線圈的接線柱0、8與學生電源的“穩壓6 V”接線柱相連。閉合開關,用多用電表測得右側線圈的0、4接線柱之間的電壓為　　　　。
A.0 B.3.0 V C.6.0 V D.12.0 V
(2)正確連接電路后,變壓器選用左側0、2接線柱和右側0、4接線柱進行實驗,用多用電表測得左側0、2之間的電壓為U1,右側0、4之間的電壓為U2,數據如表所示,可判斷學生電源接在了　　　(選填“左側0、2”或“右側0、4”)接線柱上。
實驗次數 1 2 3 4 5
U1/V 1.00 1.90 3.00 4.00 4.80
U2/V 2.10 4.00 6.10 8.20 10.00
(3)實驗室中還有一個變壓器,如圖丙所示。現要測量A、B線圈的匝數,實驗步驟如下:
①取一段漆包線,一端與A線圈上端接線柱相連,順著原來的繞制方向在變壓器的鐵芯上再繞制n匝線圈,漆包線另一端與交流電源一端相連,A線圈下方接線柱與交流電源另一端相連接。
②用多用電表的交流電壓擋先后測出交流電源兩端的電壓U0和B線圈的輸出電壓U。
③用多用電表的交流電壓擋測出A線圈兩端的電壓U1。
如果把該變壓器看作理想變壓器,則A、B線圈的匝數nA=　　　　,nB=　　　　。(均用題中給出的字母表示)
【答案】 (1)A　(2)右側0、4　(3)　
【解析】 (1)變壓器是根據互感現象進行工作的,由題圖乙可知,原線圈連接的電壓為直流電壓,因此副線圈兩端的電壓為0。
(2)由于有漏磁,副線圈測量電壓一定小于理論值,所以U1為副線圈,可判斷學生電源接在了右側0、4接線柱上。
(3)根據理想變壓器電壓比等于匝數比,有=,=,解得nA=,nB=。
考點二　創新性實驗
[例3]
【實驗目的的創新】 (2023·重慶卷,12)一興趣小組擬研究某變壓器的輸入和輸出電壓之比,以及交流電頻率對輸出電壓的影響。題圖甲為實驗電路圖,其中L1和L2為變壓器的原、副線圈,S1和S2為開關,P為滑動變阻器RP的滑片,R為電阻箱,E為正弦式交流電源(能輸出電壓峰值不變、頻率可調的交流電)。
(1)閉合S1,用多用電表交流電壓擋測量線圈L1兩端的電壓。滑片P向右滑動后,與滑動前相比,電表的示數　　　　(選填“變大”“不變”或“變小”)。
(2)保持S2斷開狀態,調整E輸出的交流電頻率為50 Hz,滑動滑片P,用多用電表交流電壓擋測得線圈L1兩端的電壓為2 500 mV時,用示波器測得線圈L2兩端電壓u隨時間t的變化曲線如圖乙所示,則線圈L1兩端與L2兩端的電壓比值為　　　　(保留3位有效數字)。
(3)閉合S2,滑動P到某一位置并保持不變。分別在E輸出的交流電頻率為50 Hz、1 000 Hz的條件下,改變R的阻值,用多用電表交流電壓擋測量線圈L2兩端的電壓U,得到U-R關系曲線如圖丙所示。用一個阻值恒為20 Ω的負載R0替換電阻箱R,由圖丙可知,當頻率為
1 000 Hz時,R0兩端的電壓為　　　　 mV;當頻率為50 Hz時,為保持R0兩端的電壓不變,需要將R0與一個阻值為　　　　Ω的電阻串聯。(均保留3位有效數字)
丙
【答案】 (1)變大　(2)12.6　(3)270　7.78
【解析】 (1)閉合S1,滑動變阻器RP是分壓式接法,滑片P向右滑動后,用多用電表交流電壓擋測量線圈L1兩端的電壓,線圈L1兩端的電壓增大,因此與滑動前相比,電表的示數變大。
(2)保持S2斷開狀態,調整E輸出的交流電頻率為50 Hz,用多用電表交流電壓擋測得線圈L1兩端的電壓為U1=2 500 mV。線圈L2兩端電壓u隨時間t的變化曲線如題圖乙所示,由u-t圖像可得,線圈L2兩端電壓為U2== mV,則線圈L1兩端電壓與L2兩端的電壓比值為=≈12.6。
(3)閉合S2,滑動P到某一位置并保持不變。由 U-R關系曲線可得,當頻率為1 000 Hz,負載電阻R0=20 Ω時,R0兩端的電壓為UR0=270 mV。當頻率為50 Hz時,由U-R關系曲線可得線圈L2兩端的電壓為U′=375 mV。要保持R0兩端的電壓不變,需給R0串聯一電阻,此串聯電阻阻值為R串== Ω≈7.78 Ω。
[例4] 【數據處理的創新】 (2024·廣東江門期末)如圖甲所示,實驗室內有一變壓器,匝數標記位置模糊不清,但結構和功能是完好的,某同學利用該變壓器進行匝數的探究實驗,M、N是原線圈的兩個接線柱,P、Q是副線圈的兩個接線柱。
(1)實驗室有下列器材:
A.變壓器
B.開關、導線若干
C.0～40 V直流輸出電源
D.0～40 V交流輸出電源
E.多用電表
(2)選用的電源是　　　　(選填“C”或“D”)。
(3)為了保證人身安全,所用輸入電壓不要超過　　　　(選填“12 V”“40 V”或“220 V”)。
(4)該同學將M、N端接在所選電源正確位置后,多用電表紅、黑表筆接在變壓器P、Q端測量輸出電壓UPQ,調節輸入電壓UMN,得到多組數據。
(5)作出UMN-UPQ圖像,如圖乙所示,橫、縱坐標的截距分別為a、b,則匝數比=　　　(用a、b表示),匝數比的測量值　　　(選填“大于”“小于”或“等于”)真實值。
【答案】 (2)D　(3)12 V　(5)　大于
【解析】 (2)變壓器的原理是電磁感應,需使用交流電源,故選用的電源是0～40 V交流輸出電源。
(3)人體安全電壓上限為36 V,為了保證人身安全,所用輸入電壓不要超過12 V。
(5)根據理想變壓器原、副線圈電壓與線圈匝數的關系,匝數比為==;由于變壓器存在漏磁,測得的UPQ偏小,則匝數比的測量值大于真實值。
(滿分:30分)
1.(6分)(2024·福建廈門三模)某同學在“探究變壓器原、副線圈電壓與匝數的關系”實驗中使用的可拆變壓器如圖甲所示,圖中各接線柱對應的數字表示倍率為“×100”的匝數。
(1)除圖甲中的器材外,下列器材中還需要的是　　　　。(多選)
干電池 條形磁體
A B
低壓交流電源 多用電表
C D
直流電壓表 直流電流表
E F
(2)變壓器鐵芯的結構和材料是　　　　。
A.整塊不銹鋼鐵芯
B.整塊硅鋼鐵芯
C.絕緣的硅鋼片疊成
(3)若操作過程中橫鐵芯沒有與豎直鐵芯對齊,原線圈輸入電壓為U1=4 V,匝數為n1=200匝,改變副線圈匝數n2,測量副線圈兩端的電壓U2,得到U2-n2圖像如圖乙所示,則可能正確的是圖線　　　　(選填“a”“b”或“c”)。
【答案】 (1)CD　(2)C　(3)c
【解析】 (1)在“探究變壓器原、副線圈電壓與匝數的關系”實驗中,使用的是低壓交流電源,所以不需要干電池,磁場是利用了電流的磁效應,所以也不需要條形磁體,測量線圈兩端的電壓需要使用多用電表的交流電壓擋,不需要直流電壓表和直流電流表。
(2)變壓器鐵芯的結構和材料是絕緣的硅鋼片疊成。
(3)操作過程中橫鐵芯沒有與豎直鐵芯對齊,則可能導致漏磁,使得輸出電壓偏小,則有>,則可能正確的是圖線c。
2.(6分)(2024·遼寧撫順期中)某興趣小組用如圖甲所示的可拆變壓器進行“探究變壓器原、副線圈電壓與匝數的關系”實驗。
(1)下列說法正確的是　　　　。(多選)
A.變壓器工作時,通過鐵芯導電把電能由原線圈輸送到副線圈
B.變壓器工作時在原線圈上將電能轉化為磁場能,在副線圈上將磁場能轉化為電能
C.理想變壓器的輸入功率等于輸出功率,沒有能量損失
D.變壓器副線圈上不接負載時,原線圈兩端電壓為零
(2)實際操作中將電源接在原線圈的“0”和“800”兩個接線柱之間,測得副線圈的“0”和“400”兩個接線柱之間的電壓為3.0 V,則可推斷原線圈的輸入電壓可能為　　　　。
A.3 V B.5.5 V C.6.0 V D.6.5 V
(3)圖乙為某電學儀器原理圖,圖中變壓器為理想變壓器。左側虛線框內的交流電源與串聯的定值電阻R0可等效為該電學儀器電壓輸出部分,該部分與一理想變壓器的原線圈連接;一可變電阻R與該變壓器的副線圈連接,原、副線圈的匝數分別為n1、n2(右側實線框內的電路也可以等效為一個電阻)。在交流電源的電壓有效值U0不變的情況下,調節可變電阻R的過程中,當=　　　　時,R獲得的功率最大。
【答案】 (1)BC　(2)D　(3)()2
【解析】 (1)變壓器工作時在原線圈上將電能轉化為磁場能,在副線圈上將磁場能轉化為電能,故A錯誤,B正確;理想變壓器忽略能量損失,原線圈輸入功率等于副線圈輸出功率,故C正確;副線圈上不接負載時同樣有電壓,故原線圈兩端電壓不為零,故D錯誤。
(2)若是理想變壓器,則變壓器原、副線圈電壓與匝數的關系為=,當變壓器的原線圈接“0”和“800”兩個接線柱、副線圈接“0”和“400”兩個接線柱時,可知原、副線圈匝數比為2∶1,副線圈電壓為3.0 V,則原線圈電壓應該為6.0 V;但實際操作中,需要考慮能量損失,則原線圈所接電壓大于6.0 V。
(3)將R0當作電源內阻,設外電路等效電阻為R′,當內、外電阻相等時,即R′=R0,此時輸出功率最大,由R′=()2R得出=()2。
3.(9分)(2024·山東青島期末)某同學利用自耦變壓器探究降壓時“變壓器原、副線圈兩端的電壓與匝數關系”的實驗,變壓器結構圖如圖甲所示。
回答下列問題:
(1)實驗過程中為了安全選用學生電源供電,連接電路時,應該將學生電源　　　　(選填“直流”或“交流”)接線柱和自耦變壓器的　　　　(選填“A、B”或“C、D”)接線柱相連接。
(2)在測量變壓器副線圈上電壓時,選用了多用電表進行測量,如果某次實驗測得副線圈上的電壓大約為6 V,則多用電表選擇開關應該旋至圖乙中的　　　　　擋;正確選擋并開始實驗,刻度盤指針如圖丙,讀數為　　　　V。
丙
(3)實驗時保持變壓器原線圈輸入電壓不變,調節旋鈕P的位置并記錄數據,從所得數據發現原、副線圈電壓比總是略大于對應匝數比,造成這一誤差的原因可能是 　。(寫出一條即可)
【答案】 (1)交流　A、B　(2)交流10 V　6.4　
(3)見解析
【解析】 (1)變壓器工作需接交流電源,為確保實驗安全,實驗中要求原線圈匝數大于副線圈匝數,讓副線圈上得到較低的電壓,故電源連接自耦變壓器的A、B接線柱。
(2)實驗測得副線圈上的電壓大約為6 V,則多用電表擋位選擇交流10 V擋;由題圖丙可知,讀數為6.4 V。
(3)主要原因是變壓器不是理想變壓器,有漏磁現象、鐵芯內有渦流發熱、導線和線圈有電阻發熱等能量損耗,使副線圈兩端電壓偏低。
4.(9分)(2024·廣東汕頭二模)某興趣小組用如圖所示的可拆變壓器進行“探究變壓器原、副線圈電壓與匝數的關系”實驗。
　　　　　　　 a　　　　　　　　　　b
(1)該實驗中變壓器原線圈接線柱接入學生電源應該選擇　　　　(選填“A”或“B”)接法。
A　　　　　　　　　B
c
(2)實驗開始前,某同學沒有使用鐵芯組裝變壓器,而是直接將一個線圈接入電源,另外一個線圈接電壓表,保持電源輸入電壓、兩個線圈接入的匝數不變,逐漸將兩個線圈相互靠近的過程中,觀察到電壓表的讀數　　　(選填“變大”“變小”或“不變”)。
(3)在正確組裝變壓器后,甲、乙、丙三位同學分別利用控制變量法探究副線圈的電壓U2與原線圈電壓U1、原線圈的匝數n1、副線圈的匝數n2的關系,將實驗數據分別繪制成d、e、f三幅圖像,實驗結果有誤的是　　　　(選填“甲”“乙”或“丙”)同學。
(4)興趣小組在某次實驗中選擇廠家標注匝數 nA=200匝的線圈A作為原線圈,廠家標注匝數nB=100匝的線圈B作為副線圈,分別接入不同輸入電壓U1,測得對應的輸出電壓U2得到實驗數據如表所示。分析下列可能的原因,你認為正確的有　　　　。(多選)
實驗次數 nA/匝 nB/匝 U1/V U2/V
1 200 100 8.2 4.0
2 200 100 6.1 2.9
3 200 100 4.0 1.9
A.原、副線圈的電壓的頻率不相等
B.變壓器線圈中有電流通過時會發熱
C.鐵芯在交變磁場的作用下會發熱
D.穿過副線圈的磁通量大于原線圈的磁通量
【答案】 (1)B　(2)變大　(3)乙　(4)BC
【解析】 (1)由題圖c可知,A為直流接法,B為交流接法,而要探究變壓器原、副線圈電壓與匝數的關系則必須使用交流電壓。
(2)根據法拉第電磁感應定律E=n=nS,可知,越靠近通電線圈,接入電壓表的線圈所處的磁場就越強,產生的感應電動勢就越大,因此電壓表的讀數變大。
(3)根據理想變壓器原、副線圈電壓與匝數的關系=,可得U2=,可知U2-U1圖像與U2-n2圖像均為過原點的傾斜直線,而U2-n1圖像應為雙曲線,因此實驗結果有誤的為乙同學。
(4)由表中數據可知,原、副線圈的匝數比小于原、副線圈中的電壓之比,即有電能的損失。變壓器不會改變電壓的頻率,故A錯誤;根據電流的熱效應可知,當有電流通過線圈時,線圈會發熱,從而造成電能的損失,故B正確;鐵芯在交變磁場中會產生渦流,而根據電流的熱效應可知鐵芯會發熱,從而造成電能的損失,故C正確;因為鐵芯對磁場的約束不嚴密,因此,穿過副線圈的磁通量一定小于原線圈的磁通量,即磁通量有損失,故D錯誤。
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)第4講　實驗:探究變壓器原、副線圈電壓與匝數的關系
一、實驗目的
探究變壓器原、副線圈電壓與匝數的關系。
二、實驗原理
電流通過原線圈時在鐵芯中激發磁場,由于電流的大小、方向在不斷變化,鐵芯中的磁場也在不斷變化。變化的磁場在副線圈中產生感應電動勢,副線圈中就存在輸出電壓。本實驗通過改變原、副線圈匝數,探究原、副線圈電壓與匝數的關系。
三、實驗器材
兩個多用電表、學生電源(低壓交流電源)、開關、可拆變壓器、導線若干。
四、實驗步驟
1.按如圖所示的電路圖連接好電路,將兩個多用電表調到交流電壓擋,并記錄兩個線圈的匝數。
2.打開學生電源,閉合開關,讀出兩個電表的電壓值,并記錄在表格中。
3.保持原線圈的電壓、匝數不變,多次改變副線圈的匝數,記錄下每次的副線圈匝數和對應的電壓值。
4.保持原線圈的電壓、副線圈的匝數不變,多次改變原線圈的匝數,記錄下每次的原線圈匝數和副線圈的電壓值。
五、數據記錄與處理
次數 1 2 3 4 …
n1/匝
n2/匝
n1∶n2
U1/V
U2/V
U1∶U2
六、實驗結論
理想變壓器原、副線圈的電壓之比等于原、副線圈的匝數之比。
七、注意事項
1.在改變學生電源電壓、線圈匝數前均要先斷開開關,再進行操作。
2.為了保證人身安全,學生電源的電壓不能超過12 V,且通電時不能用手接觸裸露的導線和接線柱。
3.為了保護多用電表,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合適的擋位進行測量。
八、誤差分析
1.由于漏磁,通過原、副線圈的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、副線圈中的焦耳熱損耗造成誤差。
3.鐵芯中有磁損耗,產生渦流,造成誤差。
4.電表的讀數存在誤差。
考點一　基礎性實驗
[例1] 【實驗原理與誤差分析】 (2024·河北張家口模擬)某同學準備做“探究變壓器原、副線圈電壓與匝數的關系”實驗,他在實驗室準備了可拆變壓器(如圖甲所示)、低壓交流電源、多用電表、開關和導線若干。
甲
(1)為實現探究目的,保持原線圈輸入的電壓一定,通過改變原、副線圈匝數,測量副線圈上的電壓。這個探究過程采用的科學探究方法是　　　　。
A.控制變量法 B.等效替代法
C.整體隔離法 D.理想實驗法
(2)該同學認真檢查電路無誤后,其中一次測量電壓時選擇2.5 V擋位,多用電表讀數如圖乙所示,此時電表讀數為　　　　V。
乙
(3)某次實驗中線圈N1接“0”“4”,線圈N2接“2”“14”,測得線圈N1兩端的電壓U1=2.30 V,線圈N2兩端的電壓U2=7.60 V,分析可知　　　　(選填“N1”或“N2”)是原線圈。
(4)實驗發現原、副線圈電壓比與匝數比不相等,可能的原因是　　　　　　　　　　　。
[例2] 【數據處理與實驗操作】 (2024·河北石家莊二模)某同學利用如圖甲所示器材做“探究變壓器原、副線圈電壓與匝數的關系”實驗。
甲
(1)該同學按圖乙連接電路,變壓器左側線圈的接線柱0、8與學生電源的“穩壓6 V”接線柱相連。閉合開關,用多用電表測得右側線圈的0、4接線柱之間的電壓為　　　　。
A.0 B.3.0 V C.6.0 V D.12.0 V
(2)正確連接電路后,變壓器選用左側0、2接線柱和右側0、4接線柱進行實驗,用多用電表測得左側0、2之間的電壓為U1,右側0、4之間的電壓為U2,數據如表所示,可判斷學生電源接在了　　　(選填“左側0、2”或“右側0、4”)接線柱上。
實驗次數 1 2 3 4 5
U1/V 1.00 1.90 3.00 4.00 4.80
U2/V 2.10 4.00 6.10 8.20 10.00
(3)實驗室中還有一個變壓器,如圖丙所示。現要測量A、B線圈的匝數,實驗步驟如下:
①取一段漆包線,一端與A線圈上端接線柱相連,順著原來的繞制方向在變壓器的鐵芯上再繞制n匝線圈,漆包線另一端與交流電源一端相連,A線圈下方接線柱與交流電源另一端相連接。
②用多用電表的交流電壓擋先后測出交流電源兩端的電壓U0和B線圈的輸出電壓U。
③用多用電表的交流電壓擋測出A線圈兩端的電壓U1。
如果把該變壓器看作理想變壓器,則A、B線圈的匝數nA=　　　　,nB=　　　　。(均用題中給出的字母表示)
考點二　創新性實驗
[例3]
【實驗目的的創新】 (2023·重慶卷,12)一興趣小組擬研究某變壓器的輸入和輸出電壓之比,以及交流電頻率對輸出電壓的影響。題圖甲為實驗電路圖,其中L1和L2為變壓器的原、副線圈,S1和S2為開關,P為滑動變阻器RP的滑片,R為電阻箱,E為正弦式交流電源(能輸出電壓峰值不變、頻率可調的交流電)。
(1)閉合S1,用多用電表交流電壓擋測量線圈L1兩端的電壓。滑片P向右滑動后,與滑動前相比,電表的示數　　　　(選填“變大”“不變”或“變小”)。
(2)保持S2斷開狀態,調整E輸出的交流電頻率為50 Hz,滑動滑片P,用多用電表交流電壓擋測得線圈L1兩端的電壓為2 500 mV時,用示波器測得線圈L2兩端電壓u隨時間t的變化曲線如圖乙所示,則線圈L1兩端與L2兩端的電壓比值為　　　　(保留3位有效數字)。
(3)閉合S2,滑動P到某一位置并保持不變。分別在E輸出的交流電頻率為50 Hz、1 000 Hz的條件下,改變R的阻值,用多用電表交流電壓擋測量線圈L2兩端的電壓U,得到U-R關系曲線如圖丙所示。用一個阻值恒為20 Ω的負載R0替換電阻箱R,由圖丙可知,當頻率為
1 000 Hz時,R0兩端的電壓為　　　　 mV;當頻率為50 Hz時,為保持R0兩端的電壓不變,需要將R0與一個阻值為　　　　Ω的電阻串聯。(均保留3位有效數字)
丙
[例4] 【數據處理的創新】 (2024·廣東江門期末)如圖甲所示,實驗室內有一變壓器,匝數標記位置模糊不清,但結構和功能是完好的,某同學利用該變壓器進行匝數的探究實驗,M、N是原線圈的兩個接線柱,P、Q是副線圈的兩個接線柱。
(1)實驗室有下列器材:
A.變壓器
B.開關、導線若干
C.0～40 V直流輸出電源
D.0～40 V交流輸出電源
E.多用電表
(2)選用的電源是　　　　(選填“C”或“D”)。
(3)為了保證人身安全,所用輸入電壓不要超過　　　　(選填“12 V”“40 V”或“220 V”)。
(4)該同學將M、N端接在所選電源正確位置后,多用電表紅、黑表筆接在變壓器P、Q端測量輸出電壓UPQ,調節輸入電壓UMN,得到多組數據。
(5)作出UMN-UPQ圖像,如圖乙所示,橫、縱坐標的截距分別為a、b,則匝數比=　　　(用a、b表示),匝數比的測量值　　　(選填“大于”“小于”或“等于”)真實值。
(滿分:30分)
1.(6分)(2024·福建廈門三模)某同學在“探究變壓器原、副線圈電壓與匝數的關系”實驗中使用的可拆變壓器如圖甲所示,圖中各接線柱對應的數字表示倍率為“×100”的匝數。
(1)除圖甲中的器材外,下列器材中還需要的是　　　　。(多選)
干電池 條形磁體
A B
低壓交流電源 多用電表
C D
直流電壓表 直流電流表
E F
(2)變壓器鐵芯的結構和材料是　　　　。
A.整塊不銹鋼鐵芯
B.整塊硅鋼鐵芯
C.絕緣的硅鋼片疊成
(3)若操作過程中橫鐵芯沒有與豎直鐵芯對齊,原線圈輸入電壓為U1=4 V,匝數為n1=200匝,改變副線圈匝數n2,測量副線圈兩端的電壓U2,得到U2-n2圖像如圖乙所示,則可能正確的是圖線　　　　(選填“a”“b”或“c”)。
2.(6分)(2024·遼寧撫順期中)某興趣小組用如圖甲所示的可拆變壓器進行“探究變壓器原、副線圈電壓與匝數的關系”實驗。
(1)下列說法正確的是　　　　。(多選)
A.變壓器工作時,通過鐵芯導電把電能由原線圈輸送到副線圈
B.變壓器工作時在原線圈上將電能轉化為磁場能,在副線圈上將磁場能轉化為電能
C.理想變壓器的輸入功率等于輸出功率,沒有能量損失
D.變壓器副線圈上不接負載時,原線圈兩端電壓為零
(2)實際操作中將電源接在原線圈的“0”和“800”兩個接線柱之間,測得副線圈的“0”和“400”兩個接線柱之間的電壓為3.0 V,則可推斷原線圈的輸入電壓可能為　　　　。
A.3 V B.5.5 V C.6.0 V D.6.5 V
(3)圖乙為某電學儀器原理圖,圖中變壓器為理想變壓器。左側虛線框內的交流電源與串聯的定值電阻R0可等效為該電學儀器電壓輸出部分,該部分與一理想變壓器的原線圈連接;一可變電阻R與該變壓器的副線圈連接,原、副線圈的匝數分別為n1、n2(右側實線框內的電路也可以等效為一個電阻)。在交流電源的電壓有效值U0不變的情況下,調節可變電阻R的過程中,當=　　　　時,R獲得的功率最大。
3.(9分)(2024·山東青島期末)某同學利用自耦變壓器探究降壓時“變壓器原、副線圈兩端的電壓與匝數關系”的實驗,變壓器結構圖如圖甲所示。
回答下列問題:
(1)實驗過程中為了安全選用學生電源供電,連接電路時,應該將學生電源　　　　(選填“直流”或“交流”)接線柱和自耦變壓器的　　　　(選填“A、B”或“C、D”)接線柱相連接。
(2)在測量變壓器副線圈上電壓時,選用了多用電表進行測量,如果某次實驗測得副線圈上的電壓大約為6 V,則多用電表選擇開關應該旋至圖乙中的　　　　　擋;正確選擋并開始實驗,刻度盤指針如圖丙,讀數為　　　　V。
丙
(3)實驗時保持變壓器原線圈輸入電壓不變,調節旋鈕P的位置并記錄數據,從所得數據發現原、副線圈電壓比總是略大于對應匝數比,造成這一誤差的原因可能是 　。(寫出一條即可)
4.(9分)(2024·廣東汕頭二模)某興趣小組用如圖所示的可拆變壓器進行“探究變壓器原、副線圈電壓與匝數的關系”實驗。
　　　　　　　 a　　　　　　　　　　b
(1)該實驗中變壓器原線圈接線柱接入學生電源應該選擇　　　　(選填“A”或“B”)接法。
A　　　　　　　　　B
c
(2)實驗開始前,某同學沒有使用鐵芯組裝變壓器,而是直接將一個線圈接入電源,另外一個線圈接電壓表,保持電源輸入電壓、兩個線圈接入的匝數不變,逐漸將兩個線圈相互靠近的過程中,觀察到電壓表的讀數　　　(選填“變大”“變小”或“不變”)。
(3)在正確組裝變壓器后,甲、乙、丙三位同學分別利用控制變量法探究副線圈的電壓U2與原線圈電壓U1、原線圈的匝數n1、副線圈的匝數n2的關系,將實驗數據分別繪制成d、e、f三幅圖像,實驗結果有誤的是　　　　(選填“甲”“乙”或“丙”)同學。
(4)興趣小組在某次實驗中選擇廠家標注匝數 nA=200匝的線圈A作為原線圈,廠家標注匝數nB=100匝的線圈B作為副線圈,分別接入不同輸入電壓U1,測得對應的輸出電壓U2得到實驗數據如表所示。分析下列可能的原因,你認為正確的有　　　　。(多選)
實驗次數 nA/匝 nB/匝 U1/V U2/V
1 200 100 8.2 4.0
2 200 100 6.1 2.9
3 200 100 4.0 1.9
A.原、副線圈的電壓的頻率不相等
B.變壓器線圈中有電流通過時會發熱
C.鐵芯在交變磁場的作用下會發熱
D.穿過副線圈的磁通量大于原線圈的磁通量
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)(共48張PPT)
高中總復習·物理
第4講　
實驗:探究變壓器原、副線圈
電壓與匝數的關系
一、實驗目的
探究變壓器原、副線圈電壓與匝數的關系。
二、實驗原理
電流通過原線圈時在鐵芯中激發磁場,由于電流的大小、方向在不斷變化,鐵芯中的磁場也在不斷變化。變化的磁場在副線圈中產生感應電動勢,副線圈中就存在輸出電壓。本實驗通過改變原、副線圈匝數,探究原、副線圈電壓與匝數的關系。
三、實驗器材
兩個多用電表、學生電源(低壓交流電源)、開關、可拆變壓器、導線若干。
四、實驗步驟
1.按如圖所示的電路圖連接好電路,將兩個多用電表調到交流電壓擋,并記錄兩個線圈的匝數。
2.打開學生電源,閉合開關,讀出兩個電表的電壓值,并記錄在表格中。
3.保持原線圈的電壓、匝數不變,多次改變副線圈的匝數,記錄下每次的副線圈匝數和對應的電壓值。
4.保持原線圈的電壓、副線圈的匝數不變,多次改變原線圈的匝數,記錄下每次的原線圈匝數和副線圈的電壓值。
五、數據記錄與處理
次數 1 2 3 4 …
n1/匝
n2/匝
n1∶n2
U1/V
U2/V
U1∶U2
六、實驗結論
理想變壓器原、副線圈的電壓之比等于原、副線圈的匝數之比。
七、注意事項
1.在改變學生電源電壓、線圈匝數前均要先斷開開關,再進行操作。
2.為了保證人身安全,學生電源的電壓不能超過12 V,且通電時不能用手接觸裸露的導線和接線柱。
3.為了保護多用電表,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合適的擋位進行測量。
八、誤差分析
1.由于漏磁,通過原、副線圈的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、副線圈中的焦耳熱損耗造成誤差。
3.鐵芯中有磁損耗,產生渦流,造成誤差。
4.電表的讀數存在誤差。
[例1] 【實驗原理與誤差分析】 (2024·河北張家口模擬)某同學準備做“探究變壓器原、副線圈電壓與匝數的關系”實驗,他在實驗室準備了可拆變壓器(如圖甲所示)、低壓交流電源、多用電表、開關和導線若干。
甲
(1)為實現探究目的,保持原線圈輸入的電壓一定,通過改變原、副線圈匝數,測量副線圈上的電壓。這個探究過程采用的科學探究方法是　　　　。
A.控制變量法 B.等效替代法
C.整體隔離法 D.理想實驗法
A
【解析】 (1)為實現探究目的,保持原線圈輸入的電壓一定,通過改變原、副線圈匝數,測量副線圈上的電壓。這個探究過程采用的科學探究方法是控制變量法。
(2)該同學認真檢查電路無誤后,其中一次測量電壓時選擇2.5 V擋位,多用電表讀數如圖乙所示,此時電表讀數為　　　　V。
乙
2.00
【解析】(2)測交流電壓時選擇2.5 V擋位,此時電表讀數為U=2.00 V。
(3)某次實驗中線圈N1接“0”“4”,線圈N2接“2”“14”,測得線圈N1兩端的電壓U1=2.30 V,線圈N2兩端的電壓U2=7.60 V,分析可知　　　(選填“N1”或“N2”)是原線圈。
N2
(4)實驗發現原、副線圈電壓比與匝數比不相等,可能的原因是　　　　　。
【答案及解析】 (4)變壓器不是理想的,可能存在漏磁、線圈存在電阻產生焦耳熱等問題。
[例2] 【數據處理與實驗操作】 (2024·河北石家莊二模)某同學利用如圖甲所示器材做“探究變壓器原、副線圈電壓與匝數的關系”實驗。
(1)該同學按圖乙連接電路,變壓器左側線圈的接線柱0、8與學生電源的“穩壓6 V”接線柱相連。閉合開關,用多用電表測得右側線圈的0、4接線柱之間的電壓為　　　　。
A.0 B.3.0 V
C.6.0 V D.12.0 V
A
甲
【解析】 (1)變壓器是根據互感現象進行工作的,由題圖乙可知,原線圈連接的電壓為直流電壓,因此副線圈兩端的電壓為0。
(2)正確連接電路后,變壓器選用左側0、2接線柱和右側0、4接線柱進行實
驗,用多用電表測得左側0、2之間的電壓為U1,右側0、4之間的電壓為U2,數據如表所示,可判斷學生電源接在了　 　 　(選填“左側0、2”或“右側
0、4”)接線柱上。
右側0、4
實驗次數 1 2 3 4 5
U1/V 1.00 1.90 3.00 4.00 4.80
U2/V 2.10 4.00 6.10 8.20 10.00
【解析】 (2)由于有漏磁,副線圈測量電壓一定小于理論值,所以U1為副線圈,可判斷學生電源接在了右側0、4接線柱上。
(3)實驗室中還有一個變壓器,如圖丙所示。現要測量A、B線圈的匝數,實驗步驟如下:
①取一段漆包線,一端與A線圈上端接線柱相連,順著原來的繞制方向在變壓器的鐵芯上再繞制n匝線圈,漆包線另一端與交流電源一端相連,A線圈下方接線柱與交流電源另一端相連接。
②用多用電表的交流電壓擋先后測出交流電源兩端的電壓U0和B線圈的輸出電壓U。
③用多用電表的交流電壓擋測出A線圈兩端的電壓U1。
如果把該變壓器看作理想變壓器,則A、B線圈的匝數nA=　　　　,nB=　　　　。(均用題中給出的字母表示)
[例3] 【實驗目的的創新】 (2023·重慶卷,12)一興趣小組擬研究某變壓器的輸入和輸出電壓之比,以及交流電頻率對輸出電壓的影響。題圖甲為實驗電路圖,其中L1和L2為變壓器的原、副線圈,S1和S2為開關,P為滑動變阻器RP的滑片,R為電阻箱,E為正弦式交流電源(能輸出電壓峰值不變、頻率可調的交流電)。
(1)閉合S1,用多用電表交流電壓擋測量線圈L1兩端的電壓。
滑片P向右滑動后,與滑動前相比,電表的示數　　　　(選填
“變大”“不變”或“變小”)。
變大
【解析】 (1)閉合S1,滑動變阻器RP是分壓式接法,滑片P向右滑動后,用多用電表交流電壓擋測量線圈L1兩端的電壓,線圈L1兩端的電壓增大,因此與滑動前相比,電表的示數變大。
(2)保持S2斷開狀態,調整E輸出的交流電頻率為50 Hz,滑動滑片P,用多用電表交流電壓擋測得線圈L1兩端的電壓為2 500 mV時,用示波器測得線圈L2兩端電壓u隨時間t的變化曲線如圖乙所示,則線圈L1兩端與L2兩端的電壓比值為
　　　　(保留3位有效數字)。
12.6
(3)閉合S2,滑動P到某一位置并保持不變。分別在E輸出的交流電頻率為
50 Hz、1 000 Hz的條件下,改變R的阻值,用多用電表交流電壓擋測量線圈L2兩端的電壓U,得到U-R關系曲線如圖丙所示。用一個阻值恒為20 Ω的負載R0替換電阻箱R,由圖丙可知,當頻率為1 000 Hz時,R0兩端的電壓為　　 mV;
當頻率為50 Hz時,為保持R0兩端的電壓不變,需要將R0與一個阻值為　 　Ω的電阻串聯。(均保留3位有效數字)
270
7.78
丙
[例4] 【數據處理的創新】 (2024·廣東江門期末)如圖甲所示,實驗室內有一變壓器,匝數標記位置模糊不清,但結構和功能是完好的,某同學利用該變壓器進行匝數的探究實驗,M、N是原線圈的兩個接線柱,P、Q是副線圈的兩個接線柱。
(1)實驗室有下列器材:
A.變壓器
B.開關、導線若干
C.0～40 V直流輸出電源
D.0～40 V交流輸出電源
E.多用電表
(2)選用的電源是　　　　(選填“C”或“D”)。
D
【解析】 (2)變壓器的原理是電磁感應,需使用交流電源,故選用的電源是0～40 V交流輸出電源。
(3)為了保證人身安全,所用輸入電壓不要超過　　　　(選填“12 V”“40 V”或“220 V”)。
12 V
【解析】 (3)人體安全電壓上限為36 V,為了保證人身安全,所用輸入電壓不要超過12 V。
(4)該同學將M、N端接在所選電源正確位置后,多用電表紅、黑表筆接在變壓器P、Q端測量輸出電壓UPQ,調節輸入電壓UMN,得到多組數據。
大于
1.(6分)(2024·福建廈門三模)某同學在“探究變壓器原、副線圈電壓與匝數的關系”實驗中使用的可拆變壓器如圖甲所示,圖中各接線柱對應的數字表示倍率為“×100”的匝數。
(1)除圖甲中的器材外,下列器材中還需要的是　　　　。(多選)
CD
干電池 條形磁體
A B
低壓交流電源 多用電表
C D
直流電壓表 直流電流表
E F
【解析】 (1)在“探究變壓器原、副線圈電壓與匝數的關系”實驗中,使用的是低壓交流電源,所以不需要干電池,磁場是利用了電流的磁效應,所以也不需要條形磁體,測量線圈兩端的電壓需要使用多用電表的交流電壓擋,不需要直流電壓表和直流電流表。
(2)變壓器鐵芯的結構和材料是　　　　。
A.整塊不銹鋼鐵芯
B.整塊硅鋼鐵芯
C.絕緣的硅鋼片疊成
【解析】 (2)變壓器鐵芯的結構和材料是絕緣的硅鋼片疊成。
C
(3)若操作過程中橫鐵芯沒有與豎直鐵芯對齊,原線圈輸入電壓為U1=4 V,匝數為n1=200匝,改變副線圈匝數n2,測量副線圈兩端的電壓U2,得到U2-n2圖像如圖乙所示,則可能正確的是圖線　　　　(選填“a”“b”或“c”)。
c
2.(6分)(2024·遼寧撫順期中)某興趣小組用如圖甲所示的可拆變壓器進行“探究變壓器原、副線圈電壓與匝數的關系”實驗。
(1)下列說法正確的是　　　　。(多選)
A.變壓器工作時,通過鐵芯導電把電能由原線圈輸送到副線圈
B.變壓器工作時在原線圈上將電能轉化為磁場能,在副線圈上將磁場能轉化為電能
C.理想變壓器的輸入功率等于輸出功率,沒有能量損失
D.變壓器副線圈上不接負載時,原線圈兩端電壓為零
BC
【解析】 (1)變壓器工作時在原線圈上將電能轉化為磁場能,在副線圈上將磁場能轉化為電能,故A錯誤,B正確;理想變壓器忽略能量損失,原線圈輸入功率等于副線圈輸出功率,故C正確;副線圈上不接負載時同樣有電壓,故原線圈兩端電壓不為零,故D錯誤。
(2)實際操作中將電源接在原線圈的“0”和“800”兩個接線柱之間,測得副線圈的“0”和“400”兩個接線柱之間的電壓為3.0 V,則可推斷原線圈的輸入電壓可能為　　　　。
A.3 V B.5.5 V C.6.0 V D.6.5 V
D
3.(9分)(2024·山東青島期末)某同學利用自耦變壓器探究降壓時“變壓器原、副線圈兩端的電壓與匝數關系”的實驗,變壓器結構圖如圖甲所示。
回答下列問題:
(1)實驗過程中為了安全選用學生電源供電,連接電路時,應該將學生電源
　　　　(選填“直流”或“交流”)接線柱和自耦變壓器的　　 　　(選填“A、B”或“C、D”)接線柱相連接。
交流
A、B
【解析】 (1)變壓器工作需接交流電源,為確保實驗安全,實驗中要求原線圈匝數大于副線圈匝數,讓副線圈上得到較低的電壓,故電源連接自耦變壓器的A、B接線柱。
(2)在測量變壓器副線圈上電壓時,選用了多用電表進行測量,如果某次實驗測得副線圈上的電壓大約為6 V,則多用電表選擇開關應該旋至圖乙中的
　　　　　擋;正確選擋并開始實驗,刻度盤指針如圖丙,讀數為　　　　V。
交流10 V
【解析】 (2)實驗測得副線圈上的電壓大約為6 V,則多用電表擋位選擇交流10 V擋;由題圖丙可知,讀數為6.4 V。
6.4
丙
(3)實驗時保持變壓器原線圈輸入電壓不變,調節旋鈕P的位置并記錄數據,從所得數據發現原、副線圈電壓比總是略大于對應匝數比,造成這一誤差的原因可能是 　 。(寫出一條即可)
【答案及解析】 (3)主要原因是變壓器不是理想變壓器,有漏磁現象、鐵芯內有渦流發熱、導線和線圈有電阻發熱等能量損耗,使副線圈兩端電壓偏低。
4.(9分)(2024·廣東汕頭二模)某興趣小組用如圖所示的可拆變壓器進行“探究變壓器原、副線圈電壓與匝數的關系”實驗。
B
a　　　　　　　b
(1)該實驗中變壓器原線圈接線柱接入學生電源應該選擇　　　　(選填“A”或“B”)接法。
A　　　　 　　　B
c
【解析】 (1)由題圖c可知,A為直流接法,B為交流接法,而要探究變壓器原、副線圈電壓與匝數的關系則必須使用交流電壓。
A　　　　 　　　B
c
(2)實驗開始前,某同學沒有使用鐵芯組裝變壓器,而是直接將一個線圈接入電源,另外一個線圈接電壓表,保持電源輸入電壓、兩個線圈接入的匝數不變,逐漸將兩個線圈相互靠近的過程中,觀察到電壓表的讀數　　　(選填“變大”“變小”或“不變”)。
變大
(3)在正確組裝變壓器后,甲、乙、丙三位同學分別利用控制變量法探究副線圈的電壓U2與原線圈電壓U1、原線圈的匝數n1、副線圈的匝數n2的關系,將實驗數據分別繪制成d、e、f三幅圖像,實驗結果有誤的是　　　　(選填“甲”“乙”或“丙”)同學。
乙
(4)興趣小組在某次實驗中選擇廠家標注匝數 nA=200匝的線圈A作為原線圈,廠家標注匝數nB=100匝的線圈B作為副線圈,分別接入不同輸入電壓U1,測得對應的輸出電壓U2得到實驗數據如表所示。分析下列可能的原因,你認為正確的有　　　　。(多選)
實驗次數 nA/匝 nB/匝 U1/V U2/V
1 200 100 8.2 4.0
2 200 100 6.1 2.9
3 200 100 4.0 1.9
A.原、副線圈的電壓的頻率不相等
B.變壓器線圈中有電流通過時會發熱
C.鐵芯在交變磁場的作用下會發熱
D.穿過副線圈的磁通量大于原線圈的磁通量
BC
【解析】 (4)由表中數據可知,原、副線圈的匝數比小于原、副線圈中的電壓之比,即有電能的損失。變壓器不會改變電壓的頻率,故A錯誤;根據電流的熱效應可知,當有電流通過線圈時,線圈會發熱,從而造成電能的損失,故B正確;鐵芯在交變磁場中會產生渦流,而根據電流的熱效應可知鐵芯會發熱,從而造成電能的損失,故C正確;因為鐵芯對磁場的約束不嚴密,因此,穿過副線圈的磁通量一定小于原線圈的磁通量,即磁通量有損失,故D錯誤。

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