高中物理《变压器》教案14（人教版选修3-2）

1114变压器教学设计(一)教学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。学生通过前面电磁感应整章的学习，已经对磁生电以及涡旋电流有了基本的掌握，通过交变电流前两节的学习，对交变电流的特点也比较清楚，已经基本具备了学习变压器这一节内容的必备知识。本节重点是从电磁感应和能量的转化与守恒两种角度深刻理解变压器的工作原理以及探究变压器的线圈两端电压与匝数的关系并能用它解决基本问题。对于变压器工作原理，要让学生在电磁感应理论的基础上理解什么是互感现象？为什么原、副线圈之间在没有载流导体连接的状态下，副线圈中还可以输出电流？使学生再次体会交变电流与恒定电流的区别，以及交变电流的优点。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，对学有余力的学生，可引导他们进行分析讨论。本节内容是电磁感应知识与交变电流概念的综合应用，承上启下，体现出了交变电流的优点，并为电能输送奠定了基础。教学目标1了解变压器的构造及理解变压器的工作原理。2通过实验，探究变压器原、副线圈中电压与匝数的关系，电流与匝数的关系并能用它们解决基本问题。3了解理想化模型在物理学研究中的重要性。从探究“电压与匝数关系”全过程指导学生学习物理思想与方法。4了解变压器在生活中的应用。教学重点难点1探究变压器的线圈两端电压与匝数的关系并能用它解决基本问题。2从电磁感应和能量的转化与守恒两种角度理解变压器的工作原理。教学方法与手段演示、推理、实验探究法、合作学习法。教学媒体1教具：台式电脑、投影屏幕、实物投影仪；多媒体课件；可拆式变压器、学生电源、开关、小灯泡、导线、多用电表等。2学具：(分组用实验器材)可拆变压器、学生电源、开关、导线、多用电表等。知识准备复习电磁感应、法拉第电磁感应定律及交变电流的知识。课前收集变压器或拍摄变压器的照片、网上下载的图片。变压器在平时生活中比较常见，学生对变压器这一名词并不陌生，因此要求学生课下搜集各种变压器，了解变压器的基本作用，必会引起学生对变压器的极大兴趣，激发出学生对变压器的好奇心和求知欲，增强了感性认识，使变压器教学更贴近学生的实际生活，体会到物理与生活的紧密联系，提高学习物理的兴趣。引导学生自主搜集和整理学习材料，培养学生搜集和处理信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力。导入新课事件1教学任务：创设情景，导入新课。师生活动：今天我们要学习的是变压器这一节，课前让同学们搜集各种变压器，哪些同学可以跟同学们分享一下你们搜集的变压器的工作电压是多少？投影：(学生边回答边在表格中填写)例如用电器额定工作电压用电器额定工作电压随身听3 V机床上的照明灯36 V扫描仪12 V防身器3 000 V手机充电器4.2 V4.4 V5.3 V黑白电视机显像管几万伏录音机6 V9 V12 V彩色电视机显像管十几万伏提问：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220 V，怎样才能让这些工作电压不同的用电器正常工作呢？这就需要学习一种新的设备变压器。推进新课事件2教学任务：了解变压器的构造。师生活动：思考与讨论把两个没有导线相连的线圈套在同一个闭合铁芯上，一个线圈连到交流电源的两端，另一个线圈连到小灯泡上(如下图)。小灯泡可能发光吗？说出你的道理。连接电路，接通电源，看看你说的对不对。小灯泡会亮吗？演示实验：出示交流电源，用交流电压表(量程10 V)测其电压为7 V，若想用这个电源来使额定电压为3 V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。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。变压器的构造最典型的变压器是由两个线圈及其闭合铁芯构成。展示可拆变压器，左右各有一个线圈套在铁芯上，其中与电源相连的称为原线圈(或初级线圈)，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。电路图中符号事件3教学任务：理解变压器的工作原理。师生活动：情境：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，交变的磁通量同样既穿过副线圈也穿过原线圈，所以也会引起感应电动势。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，可相当于一个电源对外供电。提问学生：若接直流电源，副线圈两端还会有电压吗？演示实验：接直流电时，灯泡不亮，用万用表测量，副线圈两端电压为零。合作讨论：怎么解释这个现象呢？可能有点难以理解，引导学生分析若为直流电，则在线圈中只能产生稳定的磁场，铁芯中有磁通量但不变化。即通过副线圈的磁通量不变。所以U20。所以小灯泡不亮。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线绝大部分集中在铁芯中，使得能量转化的效率大大提高。事件4教学任务：探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系实验。师生活动：你认为线圈两端的电压与线圈的匝数可能有什么关系？能不能简单地说，线圈的匝数越多，它两端的电压就越高？对于电压与匝数间的关系，我们同学可以自己动手做实验探究一下。学生实验：实验探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系根据前面“思考与讨论”中看到的现象，以及你对变压器原理的理解，你认为线圈两端的电压与线圈的匝数可能有什么关系？能不能简单地说，线圈的匝数越多，它两端的电压就越高？也许两个线圈的匝数都对副线圈两端的电压有影响；也许甲可拆变压器零部件乙组装后的变压器教学用可拆变压器1介绍仪器(投影)：a4 V学生交流电源b可拆变压器c万用表，可以测量交流电压，先使转动旋钮调在交流电压10 V量程挡上测量时直接用表笔接触接线柱，可以在表盘上读取数据。合作探究：2分组测量，并记录数据n1n2n1/n2U1U2U1/U260120121206021讨论与交流：数据幻灯片：(在课堂上让几组同学填写测得的数据，比较哪一组数据误差较大，并引导学生分析探讨)误差是怎么产生的，小组之间对比一下，看看谁的误差较大，谁的误差较小，通过对比，探究本小组产生误差的主要因素。教师小结：产生误差的主要原因：漏磁，线圈内阻等。如果在能量转化的过程中能量损失很小，能够略去原、副线圈的电阻，以及各种电磁能量损失，这样的变压器我们称之为理想变压器。这是物理学中又一种理想化模型。总结与归纳：学生归纳实验结论，其他学生补充完善。a在误差范围内，有，误差来源于原、副线圈的电阻和漏磁、铁芯发热等。b如果n2n1，则输出电压高，称升压变压器；如果n2n1，则输出电压低，称降压变压器。事件5教学任务：理想变压器的原、副线圈的电流与匝数的关系。师生活动：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。上一章学过绕在铁芯上的线圈通交变电流后会在铁芯中产生涡流，损失能量，因此铁芯用薄硅钢片叠加制成，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 P1P2交流讨论：理想变压器的原、副线圈的电流与匝数之间有什么关系呢？能不能推导出数学表达式呢？学生通过讨论一般都能得出正确结论，由P1P2，U1I1U2I2可得，所以，理想变压器的原、副线圈的电流跟它们的匝数成反比。对学生观点给予激励性评价。思维拓展：由上述关系，可知若是高压线圈，则必匝数多，但电流小，可用较细的导线，以节省材料；若是低压线圈则必匝数少，但电流大，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，进而判断是升压变压器还是降压变压器。事件6教学任务：了解几种常见的变压器。师生活动：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n2n1为降压变压器；若将整个线圈作副线圈，则n2n1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电压互感器电压互感器要求：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和铭牌上注明的变压比(U1/U2)，可以算出高压电路中的电压。为了工作安全，电压互感器的铁壳和副线圈应该接地。b电流互感器电流互感器要求：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和铭牌上注明的变流比(I1/I2)可以算出被测电路中的电流。如果被测电路是高压电路，为了工作安全，同样要把电流互感器的外壳和副线圈接地。事件7教学任务：理想变压器的综合应用。师生活动：课堂训练1如图所示，M为理想变压器，电源电压不变，当变阻器的滑动头P向上移动时，读数发生变化的电表是()AA1 BA2CV1 DV2可先用实验演示此题：实验现象：A1、A2增大， V1、 V2不变。合作讨论：原、副线圈各个物理量变化的决定因素是什么？结论：输入电压U1决定输出电压U2，输出功率P2决定输入功率P1，在U1、n1、n2一定的情况下，输出电流I2决定I1。答案：AB2如图所示，理想变压器的输入端电压u311sin100t(V)，原、副线圈的匝数之比为n1n2101；若图中电流表读数为2 A，则()A电压表读数为220 V B电压表读数为22 VC变压器输出功率为44 W D变压器输入功率为440 W讨论与交流：变压器电压比、电流比计算时要注意有效值和最大值不要混淆，原、副线圈都用有效值或者都用最大值。答案：BC3汽车等交通工具中用电火花点燃汽油混合气，如下图所示。已知汽车蓄电池电压为12 V，变压器匝数之比为1100，当开关S闭合后，火花塞上电压为多少？当开关S从闭合到突然断开，可为火花塞提供瞬时高电压，产生电火花。蓄电池提供的是直流电，为什么变压器的副线圈也能得到高电压呢？合作讨论：(小组成员充分讨论后派代表汇报讨论结果)(1)当开关S闭合后，变压器原、副线圈两端电压情况。当开关S闭合后，变压器的原线圈中是恒定电流，铁芯中的磁通量不变，副线圈中没有感应电动势，火花塞上电压为零。(2)蓄电池提供的是直流电，为什么变压器的副线圈也能得到高电压呢？当开关S从闭合到突然断开，铁芯中磁通量突然变小，在副线圈会产生一个瞬时高电压(脉冲高电压可达104 V左右)，使火花塞产生电火花。对学生积极参与讨论给予激励性评价。点评：(1)解题中很容易出现套用电压公式求出U21 200 V的错误结果。排除失误方法：掌握变压器的工作原理，闭合S后，副线圈中没有磁通量变化，不能产生感应电动势。(2)当开关突然断开时，副线圈中磁通量突然变为零，/t很大，可产生高电压，与原线圈上电压是交流还是直流无关。答案：见解析。课堂巩固与反馈事件8教学任务：形成性测试：学生独立完成。时间：4分钟1下列关于理想变压器的说法，正确的是()A输入功率等于输出功率B输送的电能经变压器先转化为磁场能，再转化为电能C输送的电能经变压器先转化为电场能，再转化为电能D输送的电能经变压器的铁芯直接传输过去2正常工作的理想变压器的原、副线圈中，数值上一定相等的是()A电流的频率 B端电压的峰值C电流的有效值 D电功率3用一理想变压器向一负载电阻R供电，如图所示，当增大负载电阻R时，原线圈中的电流I1和副线圈中的电流I2之间的关系是() AI2增大，I1也增大 BI2增大，I1却减小CI2减小，I1也减小 DI2减小，I1却增大4对于理想变压器，下列说法中正确的是()A原线圈的输入功率，随着副线圈输出功率的增大而增大B原线圈的输入电流，随着副线圈输出电流的增大而增大C副线圈的输出电压随负载电阻的增大而增大D副线圈的输出电流随负载电阻的增大而减小5一个理想变压器，原线圈输入220 V电压时，副线圈输出电压为22 V，若副线圈增加100匝后输出电压增加到33 V，则变压器原线圈匝数为匝。答案：1.AB2.AD3.C4.ABD5.2 000课堂小结事件9教学任务：引导学生总结本节课的学习活动。本节重点是从电磁感应和能量的转化与守恒两种角度深刻理解变压器的工作原理，以及探究变压器的匝数与线圈两端的电压的关系并能用它解决基本问题。对于理想变压器电压与匝数的关系：输入功率等于输出功率：P1P2电流与匝数的关系：互助合作：同桌二人一问一答，检验以上概念的记忆效果，互换角色重复一遍。4变压器一、变压器的构造1示意图变压器示意图2电路图中的符号3构造二、变压器的工作原理1互感现象：原、副线圈中由于有交变电流而发生的互相感应现象。2能量转化：电能磁场能电能3理想变压器P入P出三、理想变压器的变压规律U1/U2n1/n2四、理想变压器的变流规律I1/I2n2/n1五、常用变压器传统教学常把这节课上成变压器原理介绍课，忽视了课题的方法教育功能(实验方法、理想化方法等)和学生思维能力、探究能力的培养。因此笔者力图将本课题的教学转变成为师生共同参与的启发式实验探究课。在教学中以实验为载体展开，以问题为线索将课堂教学组织起来，通过积极创设问题情境，力求使实验与思维有机结合，层层递进，使学生始终处于积极参与探究的状态之中，充分展现物理课教学的特点和魅力。问题1：变压比、变流比公式的适用范围。理想变压器各线圈两端电压与匝数成正比的关系式，不仅适用于原、副线圈各有一个的情况。而且适用于有多个副线圈的情况。这是因为理想变压器的磁通量是全部集中在铁芯内的，因此穿过每组线圈的磁通量的变化率是相同的，因而每组线圈中产生的电动势和匝数成正比。在线圈内阻不计的情况下，线圈两端的电压就等于线圈中产生的电动势，故每组线圈两端电压都与匝数成正比。可见公式是普遍适用的关系式，既适用于原、副线圈间电压的计算，也适用于任意的两个副线圈间电压的计算，但理想变压器原、副线圈中电流与匝数成反比的关系式只适用于原、副线圈各有一个的情况，一旦有两个或多个副线圈时，该关系式便不适用。这种情况下，可应用理想变压器输入功率和输出功率相等的关系列出关系式U1I1U2I2U3I3UnIn来确定电流间的关系。问题2：变压器能否改变直流电压？变压器是利用电磁感应原理来改变电压的装置。要产生感应电动势，必有磁通量发生变化。当原线圈加上交流电时，原线圈产生的交变的磁通量通过副线圈时就产生感应电动势；若原线圈中通以恒定电流，则在铁芯中产生恒定的磁通量，副线圈中虽有磁通量通过，但磁通量不变化，因此副线圈中不能产生感应电动势，当然就不能变压了。但是，若在原线圈中通以方向不变而大小变化的脉冲电流，同样也可以达到变压的目的。汽车、摩托车就是内设一个特殊开关，产生脉冲电流送入变压器中，获得高电压来提供汽油机的点火电压的。问题3：变压器与滑动变阻器变压的不同。变压器的工作原理是电磁感应，一般应接交流，能使交流电压升高或降低。滑动变阻器工作原理是串联电阻分压，可接交流或直流，但只能使电压降低。问题4：原、副线圈用粗细不同导线绕制的原因。变压器由两个线圈组成：一个为原线圈，另一个为副线圈。这两个线圈的电压不同。作为高压线圈的匝数多、通过的电流小，根据焦耳定律和节材原则，应用较细的导线绕制；作为低压线圈的匝数少、通过的电流大，根据焦耳定律和节能原则，应当用较粗的导线绕制。因此，我们打开变压器时看到两个线圈粗细不同，用粗导线绕制的线圈为低压线圈，用细导线绕制的线圈为高压线圈。问题5：变压器能否改变交流电的频率？对变压器，当加在原线圈上的交变电压发生一个周期变化时，原线圈中的交变电流就发生一个周期变化，铁芯中产生的交变磁通量也发生一个周期变化，副线圈中产生的交变电动势(电压)也发生一个周期变化，因此，变压器只能改变交流电的电压及电流，不能改变交流电的频率。问题6：变压器是否一定能改变交流电的电压？变压器要工作，必须穿过副线圈的磁通量发生变化。如果穿过副线圈的磁通量不变，则变压器不能工作(变压)。如下图所示，原线圈导线采用“双线绕法”。(1)若b、d相接，a、c作为电压输入端，两线圈中形成的磁通量任何时刻方向相反，若彼此作用互相抵消，穿过的磁通量为零，没有电磁感应现象，此时，“交流不变压”。(2)b、c相接，a、b作为输入端，两线圈中形成的磁通量方向相同，作用相互加强，此时两线圈的效果相当于一个匝数为两线圈匝数之和的单个线圈，能变压。(3)若a、c相接，b、d相接后分别接上交流电源，相当于两匝数相等(仅讨论此情况)的线圈并联，电压跟匝数的关系与单个线圈相同(对副线圈同理可讨论)。综上分析：变压器不一定都能改变交流电的电压。111