第 3 节  变压器  教学建议

1．教学目标

（1）知道变压器的工作原理和理想变压器原、副线圈电压与匝数的关系，会推导理想变压器原、副线圈电流与匝数的关系，会用能量的观点理解变压器的工作原理。

（2）知道理想变压器是忽略了能量损失的一种理想模型，进一步体会建立理想模型这种思维方法。

（3）经历探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系的过程，提高科学探究的能力。

（4）在实验中要养成避免触电和安全使用电表的习惯，养成尊重实验数据的严谨科学态度。

2．教材分析与教学建议

变压器是继交变电流之后，电磁感应在生产生活中的又一重要的实际应用。变压器的工作原理和理想变压器的变压规律是本节的重点和难点。对于变压器的工作原理，教学中可以在互感现象的基础上，给学生解释为什么原、副线圈之间没有导线的连接，副线圈中还可以输出电流。对于变压器的变压规律，课程标准提出了“通过实验．探究并了解变压器原、副线圈电压与匝数的关系”的要求，教材也相应编写了“实验”栏目，通过探究实验得出结论。教学中要指导学生结合实验探究，再经过理论推导得出原、副线圈电压、电流与匝数的关系，并能从能量的传递与转化的角度进一步强化对变压器的认识。这样有利于重点的突出和难点的突破，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。同时，体会实验、理想化模型等方法的应用，拓展学生思维。

变压器是一种交变电路中常见的电气设备，是远距离输送交变电流不可缺少的设备。生活中各种用电设备所需的电压各不相同，都要由变压器改变电压，以适应不同的需要，教学中可以根据实际情况采用不同的形式进行介绍，例如挂图、照片、视频资料、实物或实地参观等，以开阔学生眼界。特别是要注意引导学生了解变压器在现代实际生活中的应用，再次感受交变电流与生产生活联系的广泛性，体会基础科学的重大发现在工业革命和社会发展中的作用。

（1）问题引入

教材从”问题”栏目直入主题，提出”变压器是如何改变电压的呢？”引发学生对变压器结构的思考，应用电磁感应的相关知识分析变压器的原理，明确变压器就是改变电压的设备，生活中需要用到变压器的用电器非常广泛。此时，在课堂上可以由教师提供各种变压器，也可以由学生在课前收集整理各类变压器（升压变压器、降压变压器、自耦变压器、电压互感器、电流互感器等），并让学生从各类变压器的整理中归纳变压器的结构特点，回答以下问题：“变压器由哪些部件组成？两个线圈分别叫什么？怎样区分原线圈和副线圈？变压器的示意图怎么画？在电路中的符号是怎样的？”从而激发学生的学习兴趣，同时为下一步分析变压器的原理做好准备。

（2）变压器的原理

在讲解变压器的原理时，要引导学生应用电磁感应的相关知识进行分析。例如，原线圈上加交变电压，就会产生交变电流，铁芯中的磁通量就会变化，副线圈中就会产生感应电动势，副线圈就可以给外界负载供电。

通过对变压器实物的拆解，帮助学生理解各部件的作用及变压器的工作原理，以及会画变压器的示意图和它在电路图中的符号。

互感现象是变压器工作的基础。只有在学习了电磁感应的基础上，才能更好地通过互感现象理解变压器的工作原理。因为原线圈和副线圈有共同的铁芯，穿过它们的磁通量和磁通量的变化时刻都相同，所以其中的感应电动势之比只与匝数有关。这样，原、副线圈的匝数不同，就可以改变电压了。

（3）实验：探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系

教材通过“实验”栏目，让学生在探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系的过程中，感悟科学探究的方法，激发学习兴趣。要引导学生在探究过程中对实验现象进行仔细观察、分类与归纳，概括实验结果的本质特征，提升分析与总结实验结果的能力。教学中应结合法拉第电磁感应定律解释、推导、理解新问题，强化对变压器工作原理的理解，同时也培养学生的实验能力和理论分析能力。

①实验思路

引导学生根据变压器的工作原理，通过分析，猜测原、副线圈的电压会与什么因素有关。学生由法拉第电磁感应定律可知，感应电动势与线圈匝数有关，由此设计科学探究的实验方案。

②物理量的测量

组织学生进行分组实验：保持原线圈电压和匝数不变，改变副线圈匝数，研究副线圈匝数对副线圈电压的影响；保持原线圈电压和副线圈匝数不变，改变原线圈匝数，研究原线圈匝数对副线圈电压的影响。在实验过程中注意引导学生正确操作实验器材，获得可靠的实验数据。

③分析数据、归纳结论

引导学生通过分析数据、发现规律，进而归纳形成具有普遍意义的结论。认识到原线圈电压和匝数不变时，副线圈匝数越多，电压越高；原线圈电压和副线圈匝数不变时，原线圈匝数越少，副线圈电压越高。

（4）理想变压器

在前面的实验中要注意引导学生分析实验中存在的误差，判断误差的来源。进而从能量的观点体会变压器的工作过程，以能量的转化和传输为核心，通过分析变压器在实际工作中有哪些能量损失，建立能量守恒观念下的理想变压器模型。

有的学生会认为原、副线圈之间并未直接用导线连接，而是靠线圈中的磁通量的变化传输能量，因此，能量在传输过程中不会有损失。对于这种认识，教师应该在学生进行分析与讨论后指出：会有一小部分磁通量漏失在铁芯之外，磁通量的变化会在铁芯中产生涡流，要损失一定的能量使铁芯发热，在导线上也会有热损耗，所以，能量在传输过程中仍会有损失。

教学中，还要使学生明确，理想化是科学研究中一种常用的重要方法，在前面的学习中，学生通过这种方法得到了许多重要的物理模型（如质点、匀变速直线运动等）。变压器原线圈中的电流产生的磁通量，绝大部分通过铁芯，只有一小部分漏失到铁芯之外，在通常的计算中可以忽略漏掉的磁通量，认为穿过这两个线圈的磁通量是相等的。这些内容对初学者来说是有难度的。可以通过下述的教学片段突破这个教学难点。

 

教学片段

体会闭合铁芯的功能

演示：将无铁芯的线圈 1、2 并排摆放，线圈 1 接交流电源，线圈 2 接交流电压表，接通电源（图 3–4），学生观测到电压表的示数很小，几乎发现不了变化。这说明了什么？

分析：说明线圈 2 中产生的感应电动势很小，根据法拉第电磁感应定律可知，线圈 2 中的磁通量变化率很小。那么，在不改变电源电压、频率、线圈匝数的情况下，采用哪些方法可以使线圈 2 中产生的感应电动势增大？

方法一：将线圈 2 向线圈 1 靠拢，或将线圈 2 叠在线圈 1 的正上方（图 3–5）。接通电源时，电压表的示数增加。

感悟：上述做法可以使穿过线圈 2 的磁通量增加，从而也就增加了线圈 2 中磁通量的变化率，所以线圈中产生的感应电动势也就增大。

方法二：两线圈间距不变，把线圈 1、2 套在铁芯上，不闭合铁芯，接通电源时，电压表的示数增加。把铁芯闭合，电压表的示数增加得更大。

感悟：线圈中加入铁芯，线圈产生磁场的磁感应强度被加强，穿过线圈的磁通量也被加强。当铁芯闭合时，磁感线绝大部分沿铁芯闭合，线圈 2 中磁通量的变化率增加，产生的感应电动势也就显著增大。

（5）电压与匝数的关系

采用控制变量的方法，学生通过实验探究，得出变压器原、副线圈的电压与匝数的关系。教学中建议教师根据能量守恒定律，通过原、副线圈磁通量变化相同以及电压与匝数的关系，推导原、副线圈的功率、电流和匝数的关系，帮助学生理解变压器不能改变交变电流频率的原因。

在此基础上，逐可以进一步推导功率、电压、电流之间的各种制约关系，提高学生分析、概括、推理的能力。还可以通过所学知识分析自耦变压器、电压互感器、电流互感器的工作原理、装置特点、接入电路特点及其作用，让学生体会物理知识从生活到理论、再从理论回馈社会的过程。

（6）科学漫步无线充电技术

教材加强了对知识实际应用的介绍，不仅在正文中增加了交变电流的应用性内容，还特别结合了现代技术的发展，在“科学漫步”栏目中介绍了无线充电技术。当前无线充电技术发展很快，越来越普及，而其原理对学生来说并不难理解，教学中可以让学生自主学习。

3．“练习与应用”参考答案与提示

本节共设置 5 道习题。其中第 1、4 题分别考查了理想变压器的工作原理和实际变压器的热损，进一步加深了学生对理想变压器的认识。第 2、3 题考查的是变压器电压与匝数的关系。第 5 题是把实际生活中的变压器供电问题抽象成一个理想变压器，把理想变压器的特点与闭合电路欧姆定律有机地结合起来，帮助学生学会分析实际问题的思路与方法。

 

1．恒定电流的电压加在变压器的原线圈上时，通过原线圈的电流是恒定电流，即电流的大小和方向都不变，它产生的磁场通过副线圈的磁通量不变。因此，在副线圈中不会产生感应电动势，副线圈两端也就没有电压，所以变压器不能改变恒定电流的电压。

 

2．136 匝，20.8 V

提示：根据题目条件可知，U₁ = 380 V、U₂ = 36 V、n₁ = 1 440。由于 \(\frac{{{U_1}}}{{{U_2}}}\) = \(\frac{{{n_1}}}{{{n_2}}}\)，可求得 n₂ = 136。若输入电压为 220 V，则代入数据可得输出电压为 20.8 V。

 

3．1 600

提示：根据题目可知，n₂ = 400，U₁ = 220 V，U₂ = 55 V，则 n₁ = \(\frac{{{U_1}}}{{{U_2}}}\)n₂，代入数据得 n₁ = 1 600。

 

4．降压变压器的副线圈应当用较粗的导线。根据能量守恒定律，理想变压器的输出功率等于输入功率，即 I₁U₁ = I₂U₂，降压变压器的 U₂ < U₁。因而，它的 I₂ > I₁，即副线圈的电流大于原线圈的电流。所以，相比之下，为了减少热损，副线圈应用较粗的导线。

 

5．将该街头变压器视为理想变压器，通常原线圈输入的电压 U₁ 恒定，V₁ 示数不变；由于匝数比不变，所以副线圈输出电压 U₂ 不变，V₂ 示数不变；当用户的用电器增加时，相当于 R 减小，所以 A₂ 示数增大；因为 U₂、R₂ 不变，I₂ 增大，所以 R₀ 上的电压增大，导致 V₃ 示数减小；理想变压器输入功率等于输出功率，有 U₁I₁ = U₂I₂，由于 U₁、U₂ 的值不变，I₂ 增大，所以 I₁ 增大，A₁ 示数增大。