高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册3 变压器课后练习题

3.变压器

1.变压器的原理

(1)变压器的构造

(2)变压器的工作原理

互感现象是变压器工作的基础。电流通过原线圈时在铁芯中激发磁场，由于电流的大小、方向在不断变化，铁芯中的磁场也在不断变化，变化的磁场在副线圈中产生感应电动势。

(3)作用：改变交变电流的电压，不改变交变电流的周期和频率。

(4)探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系

①实验思路

利用教学用的可拆变压器能方便地从不同接线柱上选取不同匝数的线圈。保持原线圈输入的电压一定，改变原、副线圈的匝数，测量副线圈上的电压，试着找出它们之间的关系。

②物理量的测量

先写出操作步骤，画出电路图。建议先保持原线圈的匝数不变，改变副线圈的匝数，研究其对副线圈电压的影响。然后再保持副线圈的匝数不变，研究原线圈的匝数对副线圈电压的影响。

③注意事项

a．电路图上要标出两个线圈的匝数、原线圈欲加电压的数值。要事先推测副线圈两端电压的可能数值。操作前要画好记录数据的表格。

b．连接电路后要由同组的几位同学分别独立检查，并经过确认。只有这时才能接通电源。

c．为了保证人身安全，只能使用低压交流电源，所用电压不要超过12 V；即使这样，通电时也不要用手接触裸露的导线、接线柱。

d．为了保证多用电表的安全，使用交流电压挡测电压时，先用最大量程挡试测，大致确定被测电压后再选用适当的挡位进行测量。

④数据分析

用表格的形式把原、副线圈的匝数与电压进行比较，寻找它们之间的关系。

⑤得出结论

如果变压器原、副线圈的匝数之比不同，原、副线圈上的电压之比也不一样。原、副线圈上的电压之比大致等于它们的匝数之比。

(5)理想变压器

变压器线圈通过电流时会发热；铁芯在交变磁场的作用下也会发热；此外，交变电流产生的磁场也不可能完全局限在铁芯内。所有这些，使得变压器工作时有能量损耗。但有些变压器的能量损耗很小，可以忽略。把没有能量损耗的变压器叫作理想变压器。理想变压器是一个理想化模型。

2．电压与匝数的关系

(1)电压与匝数的关系

①理想变压器原、副线圈的电压之比，等于原、副线圈的匝数之比，即＝。

②变压器的输出功率与输入功率之比，叫作变压器的效率。实际上变压器的效率都是比较高的，所以，在精度要求不太高的情况下可应用上式来计算。

注意：当只有一组原、副线圈时，理想变压器原、副线圈中电流之比等于原、副线圈匝数的反比，即＝。

(2)两类变压器

如果副线圈的电压比原线圈的电压低，这样的变压器叫作降压变压器；反之则叫升压变压器。

(3)变压器中的能量转化

变压器能输送电能是利用了电磁感应。在原线圈上由变化的电流激发了一个变化的磁场，即电场的能量转变成磁场的能量；通过铁芯使这个变化的磁场几乎全部穿过了副线圈，于是在副线圈上产生了感应电流，磁场的能量转化成了电场的能量。

典型考点一　探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系

1．在“探究变压器两个线圈的电压关系”的实验中，操作步骤如下：

①将两个线圈套到可拆变压器的铁芯上；

②闭合电源开关，用多用电表的交流电压挡分别测量原线圈和副线圈两端的电压；

③将匝数较多的一组线圈接到学生电源的交流电源输出端上，另一个作为副线圈，接上小灯泡；

④将原线圈与副线圈对调，重复以上步骤。

(1)以上操作的合理顺序是________(只填步骤前的数字序号)。

(2)如图所示，在实验中，两线圈的匝数分别为1600、400，当原线圈匝数较多，且原线圈两端电压为16 V时，副线圈两端电压为4 V；原线圈与副线圈对调后，当原线圈两端电压为8 V时，副线圈两端电压为32 V。那么可初步确定，变压器原、副线圈的电压U1、U2与原、副线圈匝数n1、n2的关系是________。

答案　(1)①③②④　(2)＝

解析　(1)在“探究变压器两个线圈的电压关系”的实验中，首先将两个线圈套到可拆变压器的铁芯上；再将匝数较多的一组线圈接到学生电源的交流电源输出端上，另一个作为副线圈，接上小灯泡；然后闭合电源开关，用多用电表的交流电压挡分别测量原线圈和副线圈两端的电压；最后将原线圈与副线圈对调，重复以上步骤。可知顺序为①③②④。

(2)两线圈对调前，n1＝1600，n2＝400，当U1＝16 V时，U2＝4 V，可知＝；原线圈与副线圈对调后，n1＝400，n2＝1600，当U1＝8 V时，U2＝32 V，可知＝；由以上分析可初步确定：＝。

2．(2020·北京八中高二月考)物理研究课上，同学们用可拆变压器探究“变压器的电压与匝数的关系”。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，先用最大量程挡试测，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

答案　(1)CDF　(2)AC

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，使得副线圈上的电压较小，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”，故B错误；实验时采用控制变量法，可先保持原线圈电压、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，先用最大量程挡试测，大致确定电压后再选用适当的挡位进行测量，防止烧坏电表，故D正确；变压器开始正常工作后，通过电磁感应把电能由原线圈输送到副线圈，故E错误；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F正确。

(2)变压器线圈通电时会产生磁场，则变压器上端的横条铁芯相当于磁体，下端铁芯对横条铁芯有吸引力作用，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；若仅增加原线圈绕制的圈数，副线圈两端电压将减小，小灯泡的亮度将变暗，故B错误；若仅增加副线圈绕制的圈数，副线圈电压升高，小灯泡消耗的功率变大，学生电源输出的功率变大，有可能使学生电源的过载指示灯亮起，C正确。

典型考点二　变压器的工作原理及规律

3. 如图所示的理想变压器正常工作时，原、副线圈中可能不相同的物理量为(　　)

A．每匝线圈中磁通量的变化率

B．交变电流的频率

C．原线圈的输入功率和副线圈的输出功率

D．原线圈中的感应电动势和副线圈中的感应电动势

答案　D

解析　理想变压器是没有能量损耗的变压器，铁芯中无漏磁，所以每匝线圈的磁通量相等，磁通量的变化率相等，输入功率等于输出功率，故A、C不符合题意；根据变压器的工作原理可知，原、副线圈中交流电的频率相同，B不符合题意；由以上分析可知，每匝线圈中的磁通量变化率相同，而原、副线圈的匝数可能不同，故原、副线圈中的感应电动势可能不同，D符合题意。故选D。

4. 如图所示，一理想变压器原、副线圈的匝数比为1∶2，副线圈电路中接有灯泡，灯泡的额定电压为220 V，额定功率为22 W；原线圈电路中接有电压表和电流表，现闭合开关，灯泡正常发光。若用U和I分别表示此时电压表和电流表的读数，则(　　)

A．U＝110 V，I＝0.2 A   B．U＝110 V，I＝0.05 A

C．U＝440 V，I＝0.2 A     D．U＝440 V，I＝0.05 A

答案　A

解析　灯泡正常发光，说明副线圈的电压为220 V，电流为 A＝0.1 A，根据电压、电流与匝数的关系知，原线圈的电压为U＝×220 V＝110 V，电流为I＝×0.1 A＝0.2 A，A正确。

5．(多选)电流互感器和电压互感器如图所示。其中n1、n2、n3、n4分别为四组线圈的匝数，a、b为两只交流电表，则(　　)

A．A为电流互感器，且n1＜n2，a是电流表

B．A为电压互感器，且n1＞n2，a是电压表

C．B为电流互感器，且n3＜n4，b是电流表

D．B为电压互感器，且n3＞n4，b是电压表

答案　AD

解析　串联在火线上A的是电流互感器，因为电流与匝数成反比，有：＝，为了将输电线中的大电流转化成小电流进行测量，即使I1>I2，要求n1＜n2，a是电流表，A正确，B错误；并联在输电线上B的是电压互感器，因为电压与匝数成正比，有：＝，为了将输电线上的高电压转化为低电压进行测量，即使U3>U4，要求n3＞n4，b是电压表，C错误，D正确。

1. (2020·北京高二月考)变压器上的原、副线圈之间并没有导线直接连接，却将电能从原线圈的电路输送到副线圈的电路。在无线充电技术中，其中一种就是基于变压器的原理生产的，只不过变压器磁场的回路是铁芯，而无线充电装置磁场的回路是空气。如图所示是无线充电器正在对手机进行无线充电。下列说法合理的是(　　)

A．在变压器原、副线圈上不存在能量的转化

B．在变压器原线圈上电场能转化成磁场能

C．手机必须与无线充电器贴合才能进行无线充电

D．用无线充电器给手机充电的过程中是没有能量损耗的

答案　B

解析　无线充电技术与变压器都是利用电磁感应原理，在变压器原线圈上把电场能转化为磁场能，在副线圈上把磁场能转化为电场能，故A错误，B正确；当受电线圈没有对准供电线圈(手机与无线充电器没有完全贴合)时，也有变化的磁场通过受电线圈引起磁通量变化，也可以进行无线充电，故C错误；用无线充电器给手机充电的过程中是有能量损耗的，有一小部分磁场能在空间中耗散，故D错误。

2．(2020·首都师范大学附属中学永定分校高二期中)理想变压器的原、副线圈匝数为n1和n2，电流为I1和I2，电压为U1和U2，功率为P1和P2，下面关系正确的是(　　)

A.＝  B.＝

C.＝  D.＝

答案　A

解析　理想变压器中原、副线圈的电压关系满足＝，理想变压器的输入功率等于输出功率，即P1＝P2，则U1I1＝U2I2，即＝＝，故A正确，B、C、D错误。

3. 精密仪器要求稳压供电，当输入电压变化时，可以使用交流稳压器调节，使输出电压稳定在220 V上。稳压器的结构如图所示，原、副线圈分别带有滑动头P1、P2。现发现输出电压低于220 V，要使输出电压稳定在220 V，则下列操作不正确的是(　　)

A．保持P1不动，将P2向上移

B．保持P2不动，将P1向下移

C．将P1向下移，同时P2向上移

D．将P1向上移，同时P2向下移

答案　D

解析　保持P1不动，将P2向上移时，副线圈的匝数增大，输出电压将会增大，A正确；保持P2不动，将P1向下移时，原线圈的匝数减小，根据电压与匝数成正比可知，此时输出电压将会增大，B正确；将P1向下移，同时P2向上移时，原线圈的匝数减小，副线圈的匝数增加，根据电压与匝数成正比可知，此时输出电压将会增大，C正确；将P1向上移，同时P2向下移时，原线圈的匝数增大，副线圈的匝数减小，根据电压与匝数成正比可知，此时输出电压将会减小，D错误。本题要求选操作不正确的，故选D。

4．将输入电压为220 V、输出电压为6 V的理想变压器改绕成输出电压为30 V的变压器，已知副线圈原来是30匝，原线圈匝数不变，则副线圈新增匝数为(　　)

A．120匝  B．150匝  C．180匝  D．220匝

答案　A

解析　对理想变压器有＝，则＝，所以n1＝1100匝。当U2′＝30 V时，＝，所以n2′＝150匝，故副线圈新增匝数为Δn2＝n2′－n2＝120匝，A正确。

5．(2019·安徽省池州市高二下学期期末)钳形电流表的外形和结构如图a所示。图a中电流表的读数为1.2 A。图b中用同一电缆线在同一钳形电流表上绕了3匝，则(　　)

A．这种电流表能测直流电流，图b的读数为2.4 A

B．这种电流表能测交流电流，图b的读数为0.4 A

C．这种电流表能测交流电流，图b的读数为3.6 A

D．这种电流表既能测直流电流，又能测交流电流，图b的读数为3.6 A

答案　C

解析　该电流表利用了互感原理，只能测交变电流，故A、D错误；由变压器电流比＝可知，当原线圈(电缆线)匝数为原来的三倍，电流不变时，副线圈电流(也是通过电流表的电流)为原来的三倍，即图b中电流表的读数为3.6 A，故C正确，B错误。

6. 自耦变压器铁芯上只绕有一个线圈，原、副线圈都只取该线圈的某部分。一升压式自耦调压变压器的电路如图所示，其副线圈匝数可调。已知变压器线圈总匝数为1900匝，原线圈为1100匝，接在有效值为220 V的交流电源上。当变压器输出电压调至最大时，负载R上的功率为2.0 kW。设此时原线圈中电流有效值为I1，负载两端电压的有效值为U2，且变压器为理想变压器，则U2和I1分别约为(　　)

A．380 V和5.3 A  B．380 V和9.1 A

C．240 V和5.3 A  D．240 V和9.1 A

答案　B

解析　对理想变压器，输入功率等于输出功率，故通过原线圈的电流I1＝＝ A≈9.1 A，负载两端电压即为副线圈电压，由＝，即＝，可得U2＝380 V，B正确。

7．(2019·福建省高二期中)如图所示，灯泡L1接在变压器初级电路中，灯泡L2、L3接在变压器次级电路中。变压器为理想变压器，交流电源电压为U，L1、L2、L3都是额定电压为U0的同种型号灯泡，若三个灯泡都能正常发光，则(　　)

A.＝，U＝3U0  B.＝，U＝3U0

C.＝，U＝2U0  D.＝，U＝2U0

答案　A

解析　设灯泡正常发光时的电流为I0，所以原线圈电流I1＝I0，副线圈电路两灯泡并联，所以副线圈电流I2＝2I0，根据电流与匝数的关系可得：＝＝，根据电压与匝数的关系有：＝＝，解得：U＝3U0，B、C、D错误，A正确。

8．如图所示，理想变压器的原线圈为1650匝，接在电压最大值为220 V、频率为50 Hz的正弦交流电源上；副线圈为150匝，接入一个二极管和一个阻值为100 Ω的负载电阻R，则2 s内电阻R上产生的焦耳热为(　　)

A．1 J  B．8 J  C．4 J  D．2 J

答案　D

解析　由题意可知＝＝，根据＝，得副线圈电压的最大值是20 V，计算焦耳热需要使用有效值，副线圈电压的有效值U2有效＝ V＝10 V，交流电的周期T＝＝0.02 s，由二极管特点可知在2 s内有1 s二极管内有电流通过，则2 s内电阻R上产生的焦耳热Q＝t＝×1 J＝2 J，D正确。

9．(2020·安徽省蚌埠二中高二期中)(多选)如图所示，两种情况下灯泡L2、L3的功率均为P，且L1、L2、L3为完全相同的灯泡，匝数比为n1∶n2＝3∶1，则(　　)

A．图(a)中L1的功率为3P

B．图(a)中L1的功率为9P

C．图(b)中L1的功率为9P

D．图(b)中L1的功率为

答案　BD

解析　由题意可知，两种情况下变压器的输入功率均为2P。设灯泡L2、L3的电压为U，电流为I，电阻为R，则有P＝，根据电压与匝数成正比可知，两种情况下变压器的输入电压均为3U，根据输入功率和输出功率相等有：3UI入＝2IU，解得I入＝I，所以图(a)中L1的功率为P1＝＝9P，图(b)中L1的功率为P1′＝2R＝P，故A、C错误，B、D正确。

10. (2020·长春市第二十九中学高二期中)(多选)如图，理想变压器原、副线圈分别接有额定电压相同的灯泡L1和L2，当输入电压U为灯泡额定电压的10倍时，两灯泡均能正常发光。下列说法正确的是(　　)

A．原、副线圈匝数比为9∶1

B．原、副线圈匝数比为1∶9

C．此时L1和L2的电功率之比为9∶1

D．此时L1和L2的电功率之比为1∶9

答案　AD

解析　设灯泡的额定电压为U0，两灯均能正常发光，所以原线圈两端电压为U1＝9U0，副线圈两端电压为U2＝U0，故＝，根据电压与匝数的关系，有：＝＝，A正确，B错误；根据公式＝可得＝，由于小灯泡两端的电压相等，根据公式P＝UI可得此时L1和L2的电功率之比为1∶9，C错误，D正确。

11. (多选)如图所示，一理想变压器接在正弦交变电源上，变压器原、副线圈匝数比为1∶2，A为理想交流电流表，副线圈电路中标有“36 V　360 W”的电动机正常工作，若电动机线圈电阻r＝0.6 Ω，则(　　)

A．电流表的示数为5 A

B．原线圈所加交变电压的有效值为18 V

C．电动机正常工作时的输出功率为300 W

D．若在电动机正常工作时，转子突然卡住，则电动机的发热功率为60 W

答案　BC

解析　副线圈电路中标有“36 V　360 W”的电动机正常工作，所以副线圈电流为I2＝ A＝10 A，变压器原、副线圈匝数比为1∶2，根据电流与匝数的关系得电流表的示数为20 A，A错误；副线圈电路中标有“36 V　360 W”的电动机正常工作，所以副线圈电压为U2＝36 V，根据电压比等于匝数之比，可知原线圈所加交变电压的有效值为18 V，B正确；电动机正常工作时的输出功率为P＝U2I2－Ir＝36×10 W－102×0.6 W＝300 W，C正确；若电动机的转子由于机械故障被卡住，则副线圈回路可视为纯电阻电路，副线圈电流为I′＝ A＝60 A，则此时电动机的发热功率为P′＝I′2r＝2160 W，D错误。

12．(2019·江苏省高二期末)在“探究变压器原、副线圈电压与匝数关系”的实验中：

(1)为了确保实验的安全，下列做法正确的是________。

A．为了人身安全，只能使用低压直流电源，所用电压不要超过12 V

B．连接好电路后，可不经检查电路是否正确，直接接通电源

C．因为使用电压较低，通电时可用手直接接触裸露的导线、接线柱

D．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

(2)多用电表刻度盘上交流电压的刻度是________(选填“均匀”或“不均匀”)的。

(3)某实验小组通过实验，记录的数据如下表：

通过分析实验数据可得出的实验结论是______________________________。

(4)一次实验中，变压器原、副线圈的匝数分别为400匝和200匝，测得的电压分别为8.00 V和3.90 V，电压之比与匝数之比并不相等，主要原因是________________________________________________(至少说出两个原因)。

答案　(1)D　(2)不均匀

(3)在误差允许的范围内，变压器原、副线圈的电压之比等于匝数之比

(4)有漏磁、铁芯发热、导线发热等

解析　(1)变压器的工作原理是电磁感应，原线圈两端应接交流电，为了人身安全，只能使用低压交流电源，所用电压应不要超过12 V，故A错误；连接好电路后，要先检查电路是否正确，然后再接通电源，通电时，若用手接触裸露的导线、接线柱，这样无形之中，将人体并联在电路中，导致所测数据不准确，故B、C错误；为了多用电表的安全，使用多用电表测电压时，先用最大量程挡试测，再选用恰当的挡位进行测量，故D正确。

(2)由多用电表的表盘可知，多用电表刻度盘上交流电压的刻度是不均匀的。

(3)通过分析实验数据可得出的实验结论是：在误差允许的范围内，变压器原、副线圈的电压之比等于匝数之比，即＝。

(4)电压之比与匝数之比并不相等，主要原因是变压器不是理想变压器，有漏磁、铁芯发热、导线发热等能量损耗，使副线圈两端电压偏低。