直流模拟正弦交流电的实验方案
2013-01-11熊小兰黄春如
熊小兰 黄春如
(江西省樟树第三中学 江西 宜春 331200)
“变压器”一节的实验教学[1]，特别是探究性学习，由于考虑人身安全因素，一直以来是中学物理教师不愿也不敢放手让学生去做的主要原因之一．为了更好地在教学中落实物理课程的三维目标，使学生更好地经历科学探究过程，认识科学探究的意义，尝试应用科学探究的方法研究物理问题，验证物理规律，我们设计制作了直流变压器，供学生进行探究性学习，收到了很好的教学效果．
文献[2]使用直流电源串接简易直流电机，产生出脉动电流，实现了直流电能通过变压器的传输．该文被《中学物理教与学》2011年第8期全文转载．现在原文的基础上，介绍一款用直流模拟出正弦交流电的实验方案，以其对原文的补充完善，供同行们参考．
1 实验原理图
实验原理如图1所示．
图1 直流电通过变压器传输的工作原理图
2 实验实物连线图
实验实物连线如图2所示.
图2 直流电通过变压器模拟交流电实物连线图
3 工具材料及制作过程
3.1 工具与材料
尖嘴钳，电烙铁，绕线机，蓄电池E(24 V，二组12 V串联)，单刀开关S，滑动变阻器R(50 Ω,1.5 A)，直径约2 cm的PVC导管(护线管，制作原、副线圈骨架)，线径约0.5 mm的漆包线(绕制原、副线圈)，耦合线圈的铁芯(彩电行输出中的铁氧体磁芯)，LED，导线等．
3.2 制作过程
(1)滑动变阻器的加工改制.找准滑动变阻器R(50 Ω,1.5 A)电阻线的底部中间O点处的一匝或二匝线圈，用小刀刮掉部分绝缘漆，然后用电烙铁焊接出中心抽头，线的另一端焊接鳄鱼夹．
(2)原、副线圈的绕制.依据线圈铁芯的尺寸(铁氧体磁芯的大小)，选直径约2 cm,高约3.5 cm的PVC管加工成原线圈骨架，并用0.5 mm的漆包线在其上绕60匝，线圈两引出端焊接用于活动连接的铜质插孔(从废旧电脑插接线中取用)，以便实验时灵活接入电路之中．选约2 cm高的二段PVC管加工成两个独立的副线圈骨架，用0.5 mm漆包线在其上各绕120匝．线圈两端焊接上连接导线和铜质插孔．
(3)负载(LED发光面板)的制作.将绘制好LED符号及连线的彩印纸粘贴在泡沫面板上，在面板上对应位置安装LED并在其反面按要求进行连线、焊接，上、下节点用不同颜色的细导线焊接并将其穿孔引至面板的正面，引线的另一端与插针连接．并用金属丝和硬泡沫板制作支架和底座．
4 直流转换成正弦交流的理论分析
如图1,选O点为原线圈所加电压UPO的参考点，当滑动触头P来回移动时，P点相对于O点的电压UPO的大小和方向随时间交替变化．
变压器原线圈1,2接于P,O两点之间，给变压器原线圈供电电压即为UPO，当原线圈未接入电路时，流过R的干路电流为恒定值I， 其值约为
若变阻器触头P在手的作用下的运动可近似为简谐运动，则变压器原线圈输入电压近似按正弦(或余弦)规律变化，即
UPO(t)∝Umsinωt
或
UPO(t)∝Umcosωt
5 对直流电转变为交流电的实验验证
按图1连接电路，闭合开关，使触头P近似简谐运动，可观察到电流表A和电流计G的指针左右接近等幅度的摇摆．LED交替闪亮．
参考文献
1 普通高中课程标准实验教科书.物理·选修3-2(第2版) .北京:人民教育出版社,2006.39～42
2 黄春如，熊小兰.直流变压器的设计、制作与教学.物理通报,2011(3):45～47
