高中物理新课标版人教版选修3-2优秀教案：教学设计(二){4变压器}.doc

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教学设计

（二）

教学目标　　　　　

一、知识目标

1．知道变压器的构造。

理解互感现象，理解变压器的工作原理。

2．理解理想变压器原、副线圈中电压、电流与匝数的关系，能应用它分析解决有关问题。

3．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器的工作原理，培养学生综合应用所学知识的能力。

2．讲解理想变压器使学生了解建立物理模型的意义。

三、情感态度目标

1．使学生体会到能量守恒定律是普遍适用的。

2．培养学生实事求是的科学态度。

教学重点难点　　　

变压器工作原理。

变压器是如何将原线圈的电能传输给副线圈的。

教学方法　　　　　

实验探究、演绎推理。

教学用具　　　　　

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

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220V的电压，机床上的照明灯需要36V的安全电压。

一般半导体收音机的电源电压不超过10V，而电视机显像管却需要10000V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。

这节课我们学习变压器的有关知识。

新课教学　　　　　

1．变压器原理

[师]出示可拆变压器，引导学生观察，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的。

一个线圈跟电源连接，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]将原线圈接照明电源，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？

请同学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的变压比关系。

（2）推导理想变压器的变压比公式。

设原线圈的匝数为N1，副线圈的匝数为N2，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

E1＝N1

E2＝N2

在忽略漏磁的情况下，ΔΦ1＝ΔΦ2，由此可得

＝

在忽略线圈电阻的情况下，原线圈两端的电压U1与感应电动势E1相等，则有U1＝E1；副线圈两端的电压U2与感应电动势E2相等，则有U2＝E2。

于是得到

＝

[师]请同学们阅读教材，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N2＞N1时，U2＞U1，这样的变压器叫升压变压器。

[生3]当N2＜N1时，U2＜U1，这样的变压器叫降压变压器。

[生4]电视机里的变压器将220V电压升高到10000V以上属升压变压器；复读机的变压器将220V电压降到6V，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I1与I2有什么关系？

[生]据P出＝U2I2，P入＝U1I1及P出＝P入得：

U2I2＝U1I1

则：

＝＝

[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，请同学们阅读教材，了解几种常见的变压器，并回答下列问题：

（1）互感器分为哪几类？

（2）电压互感器的作用是什么？

（3）电流互感器的作用是什么？

[生1]互感器分为两类，即电压互感器和电流互感器。

[生2]电压互感器用来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U2和变压比，就可以算出高压电路中的电压。

[生3]电流互感器用来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I2和变流比，可以算出被测电路中的电流。

课堂小结　　　　　

本节课主要学习了以下内容：

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

＝　　　＝

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。

作业　　　　　　　

（略）

4　变压器

变压器

优化训练　　　　　

1．理想变压器原、副线圈匝数比为n1∶n2＝10∶1，如图所示。

在原线圈中输入交变电压，其瞬时表达式为u1＝220sin100πtV，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．电压表的示数为22V

B．电压表的指针周期性左右偏转

C．输出交变电压频率减为5Hz

D．灯泡承受电压的最大值是220V

2．如图所示，一理想变压器的原、副线圈分别由双线ab和cd（匝数都为n1），ef和gh（匝数都为n2）组成，用I1和U1表示输入电流和电压，I2和U2表示输出电流和电压。

在下列四种连接中，符合＝，＝的是（　　）

A．b与c相接，以a、d为输入端；f与g相连，以e、h为输出端

B．b与c相连，以a、d为输入端；e与g相连，f与h相连为输出端

C．a与c相连，b与d相连为输入端；f与g相连，以e、h为输出端

D．a与c相连，b与d相连为输入端；e与g相连，f与h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A1的示数将，电流表A2的示数将，电流表A3的示数将，电压表V1的示数将，电压表V2将。

（不考虑输电线电压损耗）

4．如下图，在a、b两端与e、f两端分别加上220V交流电压时，测得c、d间与g、h间电压均为110V，若分别在c、d间与g、h间加110V电压，则a、b间与e、f间电压分别为（　　）

A．220V，220V

B．220V，110V

C．110V，110V

D．220V，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220V时，线圈2输出电压110V

B．当线圈1输入电压220V时，线圈2输出电压55V

C．当线圈2输入电压110V时，线圈1输出电压220V

D．当线圈2输入电压110V时，线圈1输出电压110V

参考答案：

1．A　2.A

3.变大　不变　变大　不变　不变

4．B　5.BD

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。

中学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：

U1＝E1，U2＝E2；电压关系：

＝；电流关系：

＝和功率传输关系：

P1＝P2。

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的影响，因此其电压平衡方程为：

空载时1＝－1＋0R1＋j0X1，2＝2；负载运行时1＝－1＋1R1＋j1X1，2＝2－2R2－j2X2。

式中R1、X1和R2、X2分别为原、副绕组的电阻和漏电抗，0为空载电流，2为副边开路电压。

由于电流1（I0）在R1、X1上的压降与主磁感应电动势1相比数值很小，可以忽略，故有1＝－1。

同理，如将2在R2和X2上产生的压降忽略，则在空载和负载下，均有2＝2。

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＝1，2＝2。

不过从下面的分析可知，U2＝E2的处理是近似的。

（2）原、副绕组的电压关系式

变压器的外特性曲线

对于实际变压器，空载时有U1E1，U20＝E2，因此＝。

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，U2随I2的增大而下降，并且功率因数cosΦ2愈小，U2下降愈厉害；当负载为电容性时，U2随I2的增大而升高，U2≠E2，故≠＝。

不过由于电压变动率一般在5%左右，所以近似认为＝，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：

1＝0－2。

因为变压器运行在额定负载时，0只占1的百分之几，故可略去，即有1＝－2。

如只考虑数值关系，则有＝，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，I1/I2＝N2/N1不成立，原因是此时0与1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P1＝PFe＋PCu＋P2，式中PFe为铁损，包括磁滞损耗和涡流损耗；PCu为铜损，即电流在线圈电阻上消耗的功率。

变压器的效率η＝P1/P2×100%，效率η与输出功率的关系如图所示。

如忽略PFe和PCu，则得到理想变压器功率传输关系：

P1＝P2和η＝100%。

由于大型变压器运行在额定值附近时，效率可达97%～99.5%，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P1＝P2、η＝100%均不成立。