高中物理选修3-2教学设计6：5.4变压器

5.4 变压器
[教学目标]
1、了解使用变压器的目的，知道变压器的基本构造，知道理想变压器和实际变压器的区别。

2、知道变压器的工作原理，会用法拉第电磁感应定律解释变压器的变比关系。

3、知道不同种类的变压器。

[教学重点]
变压器的工作原理，互感过程的理解及电压与匝数的关系。

[教学难点]
互感过程的理解，变比关系的推导和理解
[教学方法]
演示、推理、学生实验
[教具]
学生电源、可拆变压器、交流电压表、小灯泡、多用电表（交流电压档）
[教学过程]
引入新课
今天我们要学习的是变压器这一节，在进入新课前，我们来看这样一组数据。

投影：
提问：我们发现不同的用电器所需的额定电压是不同的，但是我国民用供电电压均为220V，怎样才能让这些工作电压不同的用电器正常工作呢？
回答：用我们今天所要学习的设备――变压器。

演示实验：出示交流电源，用交流电压表（量程10V）测其电压为7V，若想用这个电源来使额定电压为3V的小灯泡正常发光，显然不能直接接电源，我们就可以利用变压器将电源
电压降下来后再接灯泡。

现象：灯泡能够正常发光。

这说明变压器是能够改变交流电压的设备。

过渡：为什么变压器会有这样的功能呢？就让我们先从变压器的构造说起。

一、变压器的构造
最典型的变压器是由两个线圈和闭合铁芯构成。

展示可拆变压器，左右各有一个线圈套在铁芯上，其中一个与电源相连的称为原线圈（或初级线圈），另一个与用电器相连的称为副线圈（或次级线圈）。

线圈是由绝缘的导线绕制的。

闭合的铁芯是由涂有绝缘漆的薄硅钢片叠加而成的。

线圈与铁芯彼此绝缘。

投影：变压器的示意图，原副线圈的匝数一般是不同的，n1和n2分别表示原线圈和副线圈的匝数，U1和U2表示原线圈和副线圈的端电压。

提出疑问：从前面的实验中看到灯泡能够发光，说明副线圈两端是有电压的，但是线圈和铁芯彼此绝缘，不可能将原线圈的电能直接传送到副线圈来，那么这个电压是如何产生的呢？其实变压器也是法拉第电磁感应现象的一种应用，我们可以具体来分析变压器是如何工作的。

二、变压器的工作原理
分析：把交变电压加在原线圈上，原线圈中的交变电流产生交变的磁场，将铁芯磁化并在铁芯中产生交变的磁通量，这个交变的磁通量不但穿过原线圈，也穿过副线圈，所以也在副线圈中激发感应电动势。

如果副线圈两端连着用电器，副线圈中就会产生交变电流。

这一交变电流也产生交变的磁通量，交变的磁通量同样即穿过副线圈也穿过原线圈，所以也都会引起感应电动势。

把原线圈引起的总感应电动势用E1表示，副线圈引起的总感应电动势用E2表示。

显然，这一过程中原副线圈是互相感应的，我们就把原、副线圈中由于有交变电流而产生的互相感应的现象，称为互感现象。

因此，通过互感现象，副线圈中产生了感应电动势，相当于一个电源可以对外供电了。

提问学生：若是接直流电源的话，副线圈两端还会有电压吗？
演示实验：接直流电时，灯泡不亮，副线圈两端电压为零。

从能量的角度解释，接交流电时，由于互感现象原线圈的电能先转化为磁场能再转化为副线圈的电能。

而接直流电时，不能发生这样的能量转化。

提问：在变压器通过交变磁场传输电能的过程中，闭合铁芯起什么作用？
演示实验：取下可拆变压器的一块铁芯，使其不闭合，观察现象。

发现灯变暗了，甚至不亮，而重新加上铁芯后，正常发光。

说明：若没有铁芯，则磁感线漏失在空间中，只有一小部分穿过另一线圈，而加上铁芯后可以使磁感县绝大部分集中在铁芯中，使得能量转化的效率大大提高了。

三、理想变压器的变压规律
若将漏失的磁通量忽略不计，可认为穿过原副线圈的磁通量相同变化情况也相同，则在每匝线圈中产生的感应电动势是一样的，但因为原副线圈的匝数不同，则有：
E1 = n1ΔΦ/Δt E2 = n2ΔΦ/Δt
由此可得E1/E2= n1/n2
若将原线圈导线电阻忽略不计，则U1 = E1。

若将副线圈导线电阻忽略不计，则因为副线圈可以看成一个电源，忽略内阻，电动势等于路端电压，U2 = E2。

因此：
U1/U2= n1/n2
像这样忽略了原副线圈的电阻以及各种电磁能量损失的变压器，称为理想变压器。

可见，理想变压器原副线圈的电压之比等于两个线圈的匝数比。

过渡：对于电压与匝数间的关系我们可以自己动手做实验验证一下。

学生实验：1、介绍仪器ａ、4V学生交流电源
投影：ｂ、小型变压器，不同于可拆变压器，两个线圈套在一起，每个线圈都标有匝数，铁芯上下拼成日字形状，使线圈处于铁芯的中间，这样同样能使得穿过原副线圈的磁通量相同。

ｃ、万用表，可以测量交流电压，先使得转动旋钮调在交流电压10V量程挡上，读数可以在表盘上读取，测量时直接用表笔接触接线柱。

2、测量，并记录数据
3、提问学生，并得到结论：
ａ、在误差范围内，有U1/U2= n1/n2
略有误差是因为，此时忽略了原副线圈的电阻和漏磁。

ｂ、如果n2＞n1，则输出电压高，称升压变压器；
如果n2＜n1，则输出电压低，称降压变压器。

对于理想变压器而言，还有一个重要特点是将铁芯中发热的能量忽略不计。

我们知道绕在在铁芯上的线圈通交流电后会在铁芯中产生涡流，损失能量，但是铁芯如果用薄硅钢片叠加制成的话，可以使损失大大降低，甚至可以忽略不计。

因此，理想变压器输入的电功率等于输出的电功率，即
P1=P2
U1I1=U2I2
由此可得，I1/I2= n2/n1
所以，理想变压器的原副线圈的电流跟他们的匝数成反比。

由这一关系，可知若是高压线圈匝数多，但电流小，可用较细的导线，可以节省材料；若是低压线圈匝数少但是电流大，就要用较粗的导线。

所以，我们可以从导线的粗细来判断其匝数的多少，进而判断使升压变压器还是降压变压器。

四、几种常见的变压器
投影图片
1、自耦变压器
特点：只有一个线圈，滑动头P改变位置时，输出电压也会改变
若将整个线圈作原线圈，则n2＜n1为降压变压器，
若将整个线圈作副线圈，则n2＞n1为升压变压器。

2、互感器
应用：用于将高电压变成低电压，或将大电流变成小电流的变压器。

这样可以测量高电压和大电流了。

ａ、电压互感器
要求：原线圈并联进电路，副线圈接交流电压表，原线圈匝数大于副线圈匝数。

ｂ、电流互感器
要求：原线圈串联进电路，副线圈接交流电流表，原线圈匝数小于副线圈匝数。

五、小结
本节课主要学习了以下内容：
1、变压器由线圈和铁芯组成。

2、变压器可以改变交流电的电压和电流，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
P1=P2
U1/U2= n1/n2
I1/I2= n2/n1
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。