最新人教版选修3-2高中物理第5章5-4变压器教学设计

第四节变压器
●本节教材分析
变压器是交变电路中常见的一种电器设备，也是远距离输送交流电不可缺少的装置在讲解变压器的原理时，要积极引导生从电磁感应的角度说明：原线圈上加交流电压产生交流电流，铁芯中产生交变磁通量，副线圈中产生交变电动势，副线圈相当于交流电对外界负载供电要向生强调，从能量转换的角度看，变压器是把电能通过磁场能转换成电能的装置，经过转换后一般电压、电流都发生了变化有的生认为变压器铁芯是带电的针对这种错误认识，可让生根据电磁感应原理，经过独立思考了解到变压器铁芯并不带电，铁芯内部有磁场（铁芯外部磁场很弱）
要让生明白，互感现象是变压器工作的基础要让生在习电磁感应的基础上理解互感现象这里的关键是明白原线圈和副线圈有共同的铁芯，穿过它们的磁通量和磁通量变化时刻都是相同的因而，其中的感应电动势之比只与匝数有关这样，原副线圈的匝数不同，就可以改变电压了
要使生明白，理想变压器是忽略了变压器中的能量损耗，它的输出功率与输入功率相等，这样才得出原、副线圈的电压、电流与匝数的关系在解决有两个副线圈的变压器的问题时，不做统一的要求，不必急于去分析这类问题，对有余力的生，可引导他们进行分析讨论
变压器在生产和生活中有十分广泛的应用课本中介绍了一些，教中可根据实际情况向生进行介绍，或看挂图、照片、实物或参观，以开阔生眼界，增加实际知识
●教目标
一、知识目标
1知道变压器的构造
2理解互感现象，理解变压器的工作原理
3理解理想变压器原、副线圈中电压与匝数的关系，能应用它分析解决有关问题
4理解理想变压器原、副线圈中电流与匝数的关系，能应用它分析解决有关问题
5知道课本中介绍的几种常见的变压器
二、技能目标
1用电磁感应去理解变压的工作原理，培养生综合应用所知识的能力
2讲解理想变压器使生了解建立物理模型的意义（抓主要因素，忽略次要因素，排除无关因素）
三、情感态度目标
1使生体会到能量守恒定律是普遍适用的
2培养生实事求是的态度
●教重点
变压器工作原理
●教难点
变压器是如何将原线圈的电能传输给副线圈的
●教方法
实验探究、演绎推理
●教用具
可拆变压器、交流电压表、交流电流表、灯泡、自耦变压器、调压器、导线等
●课时安排
1 课时
●教过程
一、引入新课
［师］在实际应用中，常常需要改变交流的电压大型发电机发出的交流，电压有几万伏，而远距离输电却需要高达几十万伏的电压各种用电设备所需的电压也各不相同电灯、电饭煲、洗衣机等家用电器需要220 V的电压，机床上的照明灯需要36 V的安全电压一般半导体收音机的电电压不超过10 V，而电视机显像管却需要10000 V以上的高电压交流便于改变电压，以适应各种不同需要变压器就是改变交流电压的设备这节课我们习变压器的有关知识
二、新课教
1变压器原理
［师］出示可拆变压器，引导生观察，变压器主要由哪几部分构成？
［生］变压器是由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成一个线圈跟电连接，叫原线圈（初级线圈），另一个线圈跟负载连接，叫副线圈（次级线圈）两个线圈都是绝缘导线绕制成的铁芯由涂有绝缘漆的硅钢片叠合而成［师］画出变压器的结构示意图和符号，如下图所示：
［演示］将原线圈接照明电，交流电压表接到不同的副线圈上，观察交流电压表是否有示数？
［生］电压表有示数且示数不同
［师］变压器原、副线圈的电路并不相同，副线圈两端的交流电压是如何产生的？请同们从电磁感应的角度去思考
［生］在原线圈上加交变电压U1，原线圈中就有交变电流，它在铁芯中产生交变的磁通量这个交变磁通量既穿过原线圈，也穿过副线圈，在原、副线圈中都要引起感应电动势如副线圈是闭合的，在副线圈中就产生交变电流，它也在铁芯中产生交变的磁通量，在原、副线圈中同样引起感应电动势副线圈两端的电压就是这样产生的
［师］物理上把原副线圈中由于有交变电流而发生的互相感应现象，叫做互感现象互感现象是变压器工作的基础
［生］变压器的铁芯起什么作用？
［师］如果无铁芯，并排放置的原副线圈也发生互感现象，但原副线圈所激发的交变磁场的磁感线只有一小部分穿过对方，漏失的磁感线不会在原副线圈中传送电能如有铁芯，由于磁化，绝大部分磁感线集中在铁芯内部，大大提高了变压器的效率
［生］原副线圈中，感应电动势大小跟什么有关系？
［师］与线圈中磁通量变化率及线圈匝数成正比
师生共同活动：
1．实验探究得出理想变压器得变比关系 2．推导理想变压器的变压比公式
设原线圈的匝数为N 1，副线圈的匝数为N 2，穿过铁芯的磁通量为Φ，则原副线圈中产生的感应电动势分别为
E 1=N 1
Δt 1
ΦΔ E 2=N 2
Δt
Δ2
Φ 在忽略漏磁的情况下，ΔΦ1=ΔΦ2，由此可得
2
1
21N N E E = 在忽略线圈电阻的情况下，原线圈两端的电压U 1与感应电动势E 1相等，则有
U 1=E 1；副线圈两端的电压U 2与感应电动势E 2相等，则有U 2=E 2于是得到
2
1
21N N U U = ［师］请同们阅读教材，回答下列问题： （1）什么叫理想变压器？ （2）什么叫升压变压器？ （3）什么叫降压变压器？
（4）电视机里的变压器和复读机里的变压器各属于哪一类变压器？ ［生1］忽略原、副线圈的电阻和各种电磁能量损失的变压器，叫做理想变压器
［生2］当N 2＞N 1时，U 2＞U 1，这样的变压器叫升压变压器 ［生3］当N 2＜N 1时，U 2＜U 1，这样的变压器叫降压变压器
［生4］电视机里的变压器将220 V 电压升高到10000 V 以上属升压变压器；复读机的变压器将220 V 电压降到6 V ，属于降压变压器
［师］理想变压器原线圈的输入功率与副线圈的输出功率有什么关系？ ［生］P 出=P 入
［师］若理想变压器只有一个副线圈，则原副线圈中的电流I 1与I 2有什么关系？
［生］据P 出=U 2I 2，P 入=U 1I 1及P 出=P 入得：
U 2I 2=U 1I 1 则：
1
2
1221N N U U I I =
= ［师］绕制原副线圈的导线粗细一样吗？
［生］粗细不一样高压线圈匝数多而通过的电流小，用较细的导线；低压线圈匝数少而通过的电流大，用较粗的导线
2几种常见的变压器
［师］变压器的种类很多，请同们阅读教材，了解几种常见的变压器，并回答下列问题：
（1）自耦变压器有何特点？
（2）自耦变压器如何作升压变压器？又如何作降压变压器？ （3）互感器分为哪几类？ （4）电压互感器的作用是什么？ （5）电流互感器的作用是什么？
［生1］自耦变压器只有一个线圈，滑动头位置变化时，输出电压会连续发生变化
［生2］若把整个线圈作副线圈，线圈的一部分作原线圈，为升压变压器；若把线圈的一部分作副线圈，整个线圈作原线圈，为降压变压器
［生3］互感器分为两类，即电压互感器和电流互感器
［生4］电压互感器用把高电压变成低电压它的原线圈并联在高压电路中，副线圈上接入交流电压表，根据电压表测得的电压U 2和变压比，就可以算出高压电路中的电压
［生5］电流互感器用把大电流变成小电流它的原线圈串联在被测电路中，副线圈上接入交流电流表根据电流表测得的电流I 2和变流比，可以算出被测电路中的电流
三、小结
本节课主要习了以下内容： 1变压器主要由铁芯和线圈组成
2变压器可改变交变电的电压和电流，利用了原副线圈的互感现象 3理想变压器：忽略一切电磁损耗，有
P 输出=P 输入
2121N N U U =
1
221N N
I I = 4日常生活和生产中使用各种类型的变压器，但它们遵循同样的原理 四、作业（略） 五、板书设计
六、本节优化训练设计
1理想变压器原、副线圈匝数比为1∶2=10∶1, 如图所示在原线圈中输入交变电压，其瞬时表达式为U 1=2202(100π) V ，在副线圈两端接入一灯泡和一只交流电压表，下面说法正确的是
A 电压表的示数220 V
B 电压表的指针周期性左右偏转 输出交变电压频率减为5 Hz D 灯泡承受电压的最大值是220 V
2（1993年全国）如图所示，一理想变压器的原、副线圈分别由双线b 和cd （匝数都为1），f 和g （匝数都为2）组成，用I 1和U 1表示输入电流和电压，I 2和U 2表示输出电流和电压在下列四种连接中，符合
1
2212121,n n
I I n n U U ==的是
A b 与c 连接，以、d 为输入端；f 与g 相连，以、为输出端
Bb 与c 相连，以、d 为输入端；与g 相连，f 与相连为输出端 与c 相连，b 与d 相连为输入端；f 与g 相连，以、为输出端 D 与c 相连，b 与d 相连为输入端；与g 相连，f 、相连为输出端
3如图所示的理想变压器供电线路中，若将开关S 闭合，电流表A 1的示数将_______，电流表A 2的示数将_______，电流表A 3的示数将_______，电压表V 1的示数将_______，电压表V 2将_______（不考虑输电线电压损耗）
4如图，在、b 两端与、f 两端分别加上220 V 交流电压时，测得c 、d 间与g 、间电压均为110 V ，若分别在c 、d 间与g 、间加110 V 电压，则、b 间与、f 间电压分别为
A220 V，220 V B220 V，110 V
110 V，110 V D220 V，0
5在绕制变压器时，将两个线圈绕在如图变压器铁芯的左右两臂上，当通以交流电时，每个线圈产生的磁通量都只有一半通过另一个线圈，另一半通过中间的臂已知线圈1、2的匝数比N1∶N2=2∶1，在不接负载情况下
A当线圈1输入电压220 V时，线圈2输出110 V
B当线圈1输入电压220 V时，线圈2输出电压55 V
当线圈2输入电压110 V时，线圈1输出电压220 V
D当线圈2输入电压110 V时，线圈1输出电压110 V
参考答案：
1A 2AD
3V1、V2均不变，A1变大，A2不变，A3变大
4B 5D
●备课资料
理想变压器与实际变压器
理想变压器是对实际变压器作理想化处理后得到的结果中物理教材对变压器的讨论，都是在理想化基础上进行的，即认为变压器线圈电阻为零，磁通量全部集中在铁芯中以及变压器运行时内部损耗忽略不计由此导出原、副绕组的电压平
衡方程：U 1=E 1，U 2=E 2；电压关系：2121N N U U =
;电流关系：1
221N N
I I =和功率传输关系：P 1=P 2
上述关系基本上反映了变压器的运行规律，但理想变压器与实际变压器存在一定的差距，在某些条件下，这种差距还相当大，以致个别公式并不适用下面从四个方面作进一步分析
（1）原、副绕组的电压平衡方程
实际变压器考虑了线圈电阻以及漏磁通的影响，因此其电压平衡方程为：
空载时；负载运行时
式中R 1、X 1和R 2、X 2分别为原副绕
组的电阻和漏电抗，0⋅
I 为空载电流，20⋅
U 为副边开路电压
由于电流1⋅
I （I 0）在R 1、X 1上的压降与主磁感应电动势1⋅
E 相比数值很小，可以忽略，故有1⋅
U =-1⋅
E 同理，如将2⋅
I 在R 2和X 2上产生的压降忽略，则在空载和负载下，均有2⋅
U =2⋅E 仅考虑数值大小，我们就得到了理想变压器的电压平衡方程：
1⋅
U =1⋅
E ，2⋅
U =2⋅E 不过从下面的分析可知，U 2=E 2的处理是近似的
（2）原、副绕组的电压关系式
对于实际变压器，空载时有U 1
E 1,U 20=E 2，因此
201
U U 21E E =2
1
N N 负载时从图所示的外特性曲线可知，当负载为电阻性及电感性时，U 2随I 2的增大而下降，并且功率因数c φ2愈小，U 2下降愈厉害；当负载为电容性时，U 2随I 2的增大而升
高，U 2≠E 2,故
2
1
U U ≠2121N N E E =不过由于电压变动率一般在5%左右，所以近似认为21U U =2
1
N N ，即理想变压器的电压关系成立 （3）原、副绕组的电流关系
由磁势平衡方程，可得到实际变压器原、副绕组的电流关系：
21
201⋅
⋅
⋅-=I N N I I 因为变压器运行在额定负载时，0⋅I 只占1⋅I 的百分之几，故可略
去，即有2121⋅⋅
-=I N N I 如只考虑数值关系，则有1
221N N
I I =，这就是理想变压器的电流关系式
这里我们要指出，当变压器运行在轻载或空载状态时，I 1/I 2=N 2/N 1不成立，原因是此时0⋅
I 与1⋅
I 相比，绝对不可以忽略
（4）功率传输关系及效率
效率曲线
实际变压器输入、输出功率关系为P 1=P F +P +P 2，式中P F 为铁损，包括磁滞损耗和涡流损耗；P 为铜损，即电流在线圈电阻上消耗的功率变压器的效率η=P 1/P 2×100%,效率η与输出功率的关系如图所示
如忽略P F 和P ，则得到理想变压器功率传输关系：P 1=P 2和η=100%由于大型变压器运行在额定值附近时，效率可达97%~995%，故此时理想变压的关系式均成立不过请注意，当变压器在轻载和空载条件下运行，其效率是比较低的，也就是此时P 1=P 2、η=100%均不成立。