高考物理实验探究：变压器原副线圈电压与匝数的关系

高考物理实验探究：变压器原副线圈电压与匝数的关系

变压器是高中物理的重要实验内容之一，其原副线圈电压与匝数的关系是理解变压器工作原理的关键。本文将通过详细的实验探究，帮助读者全面掌握这一知识点。

实验原理与操作

基本原理与操作

1. 原理装置图

2. 操作要领

• 安装：按照原理装置图安装实验仪器，其中多用电表选择交流电压挡
• 操作：测量原、副线圈的电压，并记录原、副线圈的匝数
• 列表：把测得的原、副线圈的电压和匝数记录到表中，分析电压与匝数之间的关系

实验核心关键点

1. 数据处理

• 控制变量法：
  ① 保持n1、U1不变，改变n2的值，记录n2、U2的大小
  ② 保持U1、n2不变，改变n1的值，记录n1、U2的大小
• 列表分析：把实验数据填入表中，研究测量的数据，可发现在实验误差允许的范围内，理想变压器原、副线圈两端电压U1、U2之比等于两个线圈的匝数n1、n2之比

2. 注意事项

• 要事先推测副线圈两端电压的可能值
• 为了人身安全，只能使用低压交流电压，所用电压不要超过12V，即使这样，通电时不要用手接触裸露的导线、接线柱
• 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
• 连接电路后要由同组的几位同学分别独立检查，然后请老师确认，只有这时才能接通电源

3. 误差分析

• 由于漏磁，通过原、副线圈的每一匝的磁通量不严格相等造成误差
• 原、副线圈有电阻，原、副线圈中的焦耳热损耗(铜损)造成误差
• 铁芯中有磁损耗，产生涡流造成误差

考查点(一)实验原理与操作

1. 物理研究课上，同学们用可拆变压器“探究变压器原副线圈电压与匝数的关系”。可拆变压器如图甲、乙所示：

   (1)下列说法正确的是________；
   A. 为确保实验安全，实验中要求原线圈匝数小于副线圈匝数
   B. 变压器的原线圈接低压交流电，测量副线圈电压时应当用多用电表的“直流电压挡”
   C. 可以先保持原线圈电压、匝数不变，改变副线圈的匝数，研究副线圈匝数对副线圈电压的影响
   D. 测量副线圈电压时，先用最大量程试测，大致确定电压后再选用适当的挡位进行测量
   E. 变压器开始正常工作后，铁芯导电，把电能由原线圈输送到副线圈
   F. 变压器开始正常工作后，若不计各种损耗，在原线圈上将电能转化成磁场能，在副线圈上将磁场能转化成电能，铁芯起到“传递”磁场能的作用

   (2)如图丙所示，某同学自己绕制了两个线圈套在可拆变压器的铁芯上。原线圈接学生电源的交流输出端，副线圈接小灯泡。下列说法正确的是________。
   A. 与变压器未通电时相比较，此时若将可拆变压器上端的横条铁芯取下将更费力
   B. 若仅增加原线圈绕制的圈数，小灯泡的亮度将保持不变
   C. 若仅增加副线圈绕制的圈数，学生电源的过载指示灯可能会亮起

   解析：
   (1)为确保实验安全，实验中要求副线圈匝数小于原线圈匝数，使得次级电压较小，故A错误；变压器的原线圈接低压交流电，测量副线圈电压时应当用多用电表的“交流电压挡”测量，故B错误；实验时可采用控制变量法，先保持原线圈电压、匝数不变，改变副线圈的匝数，研究副线圈匝数对副线圈电压的影响，故C正确；测量副线圈电压时，先用最大量程试测，大致确定电压后再选用适当的挡位进行测量，防止烧坏电压表，故D正确；变压器开始正常工作后，若不计各种损耗，在原线圈上将电能转化成磁场能，在副线圈上将磁场能转化成电能，铁芯起到“传递”磁场能的作用，故E错误，F正确。
   (2)变压器线圈通电会产生磁场，而变压器上端的横条相当于磁铁，下端对横条有吸引力作用，因此与变压器未通电时相比较，此时若将可拆变压器上端的横条铁芯取下将更费力，故A正确；仅增加原线圈匝数，副线圈两端电压将减小，小灯泡亮度将变暗，故B错误；若仅增加副线圈绕制的圈数，副线圈两端电压增大，小灯泡消耗的功率变大，学生电源输出的功率变大，有可能会使学生电源的过载指示灯亮起，故C正确。

   答案：
   (1)CDF
   (2)AC

2. 有一个教学用的可拆变压器，其铁心粗细一致，如图所示，它有两个外观基本相同的线圈A、B(内部导线电阻率、横截面积相同)，线圈外部还可以再绕线圈。

   (1)某同学用多用电表的同一欧姆挡先后测量了A、B线圈的电阻值，指针分别对应图中的a、b位置，则A线圈的电阻为_____Ω，由此可推断_____(选填“A”或“B”)线圈的匝数较多。

   (2)如果把该变压器看作理想变压器，现要测量A线圈的匝数，提供的器材有：一根足够长绝缘导线、一只多用电表和低压交流电源，请完成以下实验步骤：
   ① 用绝缘导线在线圈B上绕制n匝线圈
   ② 将A线圈与低压交流电源相连接
   ③ 用多用电表的“交流电压”挡分别测量A线圈的输入电压UA和________(选填“绕制”或“B”)线圈的输出电压U
   ④ 则A线圈的匝数为________(用已知和测得量的符号表示)。

   解析：
   (1)多用电表欧姆挡读数＝指针指示值×倍率。A的读数为24，倍率为“×1”，所以电阻为24Ω。根据电阻定律，导线越长，电阻越大，因为A的电阻比B大，所以A线圈匝数多。
   (2)③因为要测量A线圈匝数，所以要把A线圈与低压交流电源相连接。变压器输入、输出电压都是交流电，所以要用交流电压挡测绕制线圈的输出电压U。
   ④根据变压器电压比等于匝数比，有eq\f(UA,U)＝eq\f(nA,n)，所以nA＝eq\f(UA,U)n。

   答案：
   (1)24A
   (2)③绕制④eq\f(UA,U)n

3. 在探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系实验中，小李同学采用了如图所示的可拆式变压器(铁芯不闭合)进行研究。

   (1)实验还需下列器材中的________；
   (2)实验中，上图中变压器的原线圈接“0、8”接线柱，副线圈接线“0、4”接线柱，当副线圈所接电表的示数为5.0V，则所接电源电压挡位可能为________。
   A. 18.0V
   B. 10.0V
   C. 5.0V
   D. 2.5V

   解析：
   (1)本实验中，变压器的原线圈应接在交流电源上；为了知道原、副线圈的电压比和线圈匝数比之间的关系，还需要用交流电压表。故学生电源和交流电压表两个器材不能缺少。
   (2)理想变压器原、副线圈电压和匝数的关系为eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)；若变压器的原线圈接“0、8”接线柱，副线圈接线“0、4”接线柱，则原、副线圈匝数比为eq\f(n1,n2)＝2，则原线圈两端电压U1＝eq\f(n1,n2)U2＝10V；本题中可拆变压器并非理想变压器，存在漏磁现象，要使副线圈所接电压表示数为5V，则原线圈电压必须大于10V，故选A。

   答案：
   (1)BC
   (2)A

考查点(二)数据处理与误差分析

4. 一个教学用的简易变压器，两线圈的匝数未知，某同学想用所学变压器的知识测定两线圈的匝数。

   (1)为完成该实验，除了选用电压表、导线外，还需要选用低压________(填“直流”或“交流”)电源。
   (2)该同学在变压器铁芯上绕10匝绝缘金属导线C，然后将简易变压器的A、B两线圈依次接电源，用电压表分别测出线圈A，线圈B及线圈C两端的电压，记录在下面的表格中，则线圈A的匝数为________匝，线圈B的匝数为________匝。
   A线圈电压 B线圈电压 C线圈电压
   8.0V 3.8V 0.2V
   (3)为减小线圈匝数的测量误差，你认为绕制线圈C的匝数应该________(填“多一些”“少一些”)更好。

   解析：
   (1)需要选用低压交流电，才能产生交变的磁场。
   (2)根据变压器原理有：eq\f(nA,nC)＝eq\f(UA,UC)解得：nA＝eq\f(UA,UC)nC＝400匝同理有：eq\f(nB,nC)＝eq\f(UB,UC)解得：nB＝eq\f(UB,UC)nC＝190匝。
   (3)根据eq\f(nA,nC)＝eq\f(UA,UC)，可知C的匝数越多，C的电压示数越大，测量更准确，故线圈C的匝数应该多一些。

   答案：
   (1)交流
   (2)400 190
   (3)多一些

5. (2022·广州模拟)
   (1)在“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”的实验中，下列器材在实验中不必用到的有________。
   (2)若在实验中用匝数N1＝400匝和N2＝800匝的变压器，对应的电压测量数据如表所示。根据测量数据，下列说法正确的是________。
   实验次数 1 2 3 4
   U1/V 0.90 1.40 1.90 2.40
   U2/V 2.00 3.01 4.02 5.02
   A. N1一定是原线圈
   B. N2一定是原线圈
   C. N1可能是副线圈
   D. N2可能是副线圈

   解析：
   (1)
   (2)根据测量数据可以看出，U2是U1的两倍左右，说明N2是N1的两倍左右，因此N1可能是副线圈，N2可能是原线圈，也可能是N1是原线圈，N2是副线圈，故CD正确。

   答案：
   (2)CD