第4节 变压器

一．             教学目标

1.       知道变压器的构造及几种常见的变压器，理解变压器的工作原理。

2.       通过实验，探究理想变压器的原、副线圈中电压与匝数的关系，电流与匝数的关系，了解理想化模型在物理研究中的重要性。

3.       了解变压器在生活中的应用

二．             教学重点难点

1.       教学重点：变压器的工作原理，变压器的电压电流与匝数的关系

2.       教学难点：如何让学生探究出变压器的电压电流与匝数的关系

三．             材料准备

搜寻各种废弃的变压器——学校的相关地方。

找到演示用可拆式变压器——实验室

让学生带几只手机，要求事先检查电池的额定电压。

视频资料——我国的特高压变压器

四．             教学过程

课前方法学习：物理学研究用到了很多的方法，我们日常中曾经用到控制变量法、理想化模型法、守恒的方法等，能说出这些方法的内容吗？

控制变量法：物理学中对于多因素（多变量）的问题，常常采用控制因素（变量）的方法，把多因素的问题变成多个单因素的问题，而只改变其中的某一个因素，从而研究这个因素对事物影响，分别加以研究，最后再综合解决。比如说在研究a、F、m之间的关系。

理想化模型法：当你要定向研究一个因素对某个对象的影响时，你会遇到很多除了此因素以外的其他因素，并且它们对你所研究的对象也会产生影响。这时你可以忽略其他因素而只研究此因素所产生的影响。但实际上这种状态是无法达到的，实际中你无法忽略其他因素，也不能消除它们，但为了能定向研究此因素，我们便设想其他因素不存在。质点、点电荷等。

第一部分：课堂引入

活动展示：“手机爆炸那些事儿”。（电压过大的危害性：播放图片和爆炸视频，同时展示自己变形了的NOKIA手机电池。“体会解决该问题的重要性”）

教师：我们知道家用电压为220V，手机电池呢？（拆开手机后盖，让一名学生大声说出：4.2V），显然劣质的充电器中某个神秘原件未能起到什么作用？

教师：拆开充电器的壳子，展示给学生看一个迷你型的充电器，这就是我们今天要研究的电器元件——变压器。

在PPT中展示生活中的各式各样的变压器，回到课堂上的可拆式演示变压器介绍变压器的结构。

第二部分：新课展开

拆解实验：一、了解变压器的结构。

学生观察变压器结构并解说各个组成部分：涂有绝缘漆的硅钢片制成的闭合铁芯、铁芯上的线圈，与电源相连的叫原线圈，输入电压为U₁，线圈匝数为n₁。与负载（用电器）相连的叫副线圈，输出电压为U₂，线圈匝数为n₂。（教师：原副线圈的相连吗？学生：不相连）

探究实验：DIS探索闭合铁芯的作用。

教师：将电压调到直流6V处，对比实验：第一次无铁芯时测得磁感应强度很大；第二次有铁芯时测得磁感应强度明显减小。说明铁芯有何作用？

学生：让磁感线都束缚在铁芯中。

教师评价：总结的很好，让磁感线束缚在铁芯中。

（板书：1.结构：原线圈U₁、n₁；副线圈U₂、n₂   闭合铁芯。直接在图中标注

2.符号：                              ）

 

 

对比演示实验：（1）用直流电作为原线圈的电源，测副线圈有无电压。

对比演示实验：（2）用交流电作为原线圈的电源，测副线圈有无电压。

教师：变压器有何作用？既然原副线圈并不直接相连为什么通了直流电却没有，而通交流电副线圈中会有电压？

（板书：3.作用：改变交流电的电压）

学生：由于原线圈中的电流大小、方向在不断变化，铁芯中磁场不断变化。变化的磁场在副线圈中产生感应电动势，所以尽管两个线圈之间没有导线相连，副线圈也能输出电流。

（板书：4.原理：利用了互感原理）

二、理论探究：

1.变压器中的能量损耗。

请同学们再次观察变压器的结构，思考实际的变压器在运行时，哪些地方有能量损耗？

学生猜测：线圈电阻、铁芯涡流、还有可能什么因素？

教师：前面两中可以凭我们的生活经验理解（也能摸得到，让学生摸一摸手机充电器感受铁损与铜损），但第三种，看不见，摸不着，通过刚才的DIS探究已经知道了还有漏磁。

教师总结：从能量损耗角度来理解变压器的作用是什么？将电能转化成磁能再转换成电能。

2.理论推导：

若无铁损、铜损、漏磁，那么请同学能否推导出副线圈的电压表达式？

学生小组合作推导：

由组员代表汇报：

由于没有漏磁: 某一时刻t， = →一段时间 内， =

由电磁感应可知：

，

由于忽略导线电阻：U₁=E₁，U₂=E₂

综上所述：

 

三、实验验证：

1、  猜测：变压器的输出电压U₂可能与哪些因素有关？

原线圈的匝数n₁、副线圈的匝数n₂、原线圈的电压U₁，铁芯。

教师：具体什么关系？

教师：多变量探究应该采用什么方法？

学生：控制变量法

2、方案设计

学生讨论：

（1）保持n₁、n₁不变，改变U₁，测一测U₂如何变化。

（2）保持U₁、n₁不变，改变n₂，测一测U₂如何变化。

（3）保持U₁、n₂不变，改变n₁，测一测U₂如何变化。

3、实验验证（学生分组完成，集中汇报填写）

（1）   n₁   =  100    ，  n₂    =  200  

结论：n₁、n₂一定时，U₂∝U₁

（2）  U₁    =  4    V，   n₁   =  100  

结论：U₁和n₁一定，U₂∝n₂;

（3）  U₁    =  4    V，  n₂    = 200   

结论：U₁和n₂一定，U₂∝ ;

由学生总结：综上所述：U₂∝ 即

3.模型的建立

PPT展示日常生活中各种变压器的效率：

当损耗的能量可以忽略不计的时候，我们就可以将变压器看成理想变压器。

右图所示，请同学推导变压器原、副线圈中的电流与匝数的关系。

学生：由能量守恒可得：P₁₌P₂即 ，由此可得：

所以电流与匝数成反比。

三、知识拓展

视频介绍：特高压变压器的最新知识。抛出问题，如果要测压线路上的交流电压我们该怎么办？测交流大电流呢？让学生学会用所学知识解决生活中问题。

四、小结

通过本次学习你对变压器又何了解？在研究过程中用到了什么方法？

学生回答：了解了变压器的结构、知道了其工作原理，通过实验和理论理解了输出电压与输入电压以及匝数的关系，电流与匝数的关系。在研究中用到了控制变量法、理想化模型法。