《变压器》教学中理想化模型的建立

秦文元

我们在处理物理问题时，为了便于研究，往往会舍弃非本质的次要因素，抓住对所要研究问题起主要作用的因素，建立理想化的物理模型，简称理想模型。理想化方法是研究物理问题的重要思想方法。

在高中物理学习中我们已经学习过的理想模型有质点、单摆、理想气体、点电荷、点光源、光滑曲面等。例如，我们现在使用的教材中关于《变压器》的一节，在现行教材中给出的两个等式只适用于理想变压器，教材在“什么样的变压器才是理想变压器”这个关键性问题上用“这种忽略原、副线圈的电阻和各种电磁能量损失的变压器，称为理想变压器”这样的一句话就把这个问题给避过去了，并没有提出变压器的理想化条件，建立理想模型。教材中提出变压器的理想模型就是因为实际变压器在工作时存在能量损失而且只有理想变压器的电压、电流和匝数才能够满足后面经过推导得出的结论。如果没有任何过渡而突然地引入变压器的理想化模型，不但会使教学环节衔接不自然，而且可能会导致学生对关系式应用条件的认识模糊，对能量损失的原因一知半解，不利于知识的拓展。通过在一线的教学实践与不断探索中我总结出，突出变压器的理想化模型，应是处理本节教学内容所遵循的基本原则，明确“理想变压器”的概念远远比含糊其辞要好。

因此，在教学这部分内容时，在引入新课后，在分析变压器的工作原理基础之后，教师应该以能量的转化和传输为核心，引导学生分析变压器传输电能时因各种原因而产生的电能损耗。为了体现这一点，我在教学时设计了如下教学过程：

老师：若使变压器中的铁芯不闭合或撤去铁芯，副线圈是否还会产生电磁感应现象？

学生：原线圈中的磁通量仍有部分通过副线圈，当磁通量变化时还会发生电磁感应现象。

老师：既然这样，为什么还说铁芯是变压器的重要组成部分？

演示实验 使可拆变压器的铁芯由不闭合到闭合，如图所示：可以观察到接在副线圈两端的小灯泡亮度从较暗到正常发光。

原因分析：若无铁芯或铁芯不闭合时，原线圈中的磁感线只有一小部分贯穿副线圈，大部分漏失在外，有了闭合铁芯，由于铁芯被磁化，绝大部分磁感线集中在铁芯内部而贯穿副线圈，大大地增强了变压器传输电能的作用。

老师：可见，漏失的磁感线不能起到传输电能的作用。有了闭合铁芯后，漏失的磁感线大大减少，但能完全避免漏失吗？

学生：不能，仍然会有一小部分磁感線漏失在周围空间。

老师：因此，变压器副线圈输出的电能比原线圈输入的电能小。实际变压器工作时，除了因漏磁而损耗电能外，还有哪些方面的原因也会引起电能损耗呢？

先留出时间让学生思考，鼓励学生提出猜想，再让一位学生用手触摸工作后的变压器线圈和铁芯，并说出触摸的感觉。

学生：由于原副线圈有电阻，电流通过时要发热；铁芯在反复磁化时也要发热，都要损耗电能。

老师：变压器工作时，能量损失主要有哪几个方面？

学生自己归纳后得出：（1）原副线圈的电阻发热；（2）磁感线漏失；（3）铁芯发热。

老师：完全正确，实际变压器工作时，有很小的功率损耗，功率损耗的形式有三种：铜损、铁损和磁损。（1）铜损：虽然铜导线的电阻很小，但是当变压器工作时，有电流通过线圈，线圈中仍然会有热量产生，导致能量损耗，这种损耗叫铜损；（2）铁损：当原副线圈中有交变电流通过时，在铁芯中产生交变磁通量，铁芯中就会因电磁感应而产生涡流，使铁芯发热而导致能量损耗，这种在铁芯中损失的能量叫铁损。为了减少铁损，变压器铁芯常用涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压制成，使涡流被限制在狭窄的薄片之间，回路电阻增大，涡流大为减弱，从而减少了铁损；（3）磁损：变压器工作时，原副线圈产生的交变磁通量绝大多数通过铁芯，但也有很少一部分磁通量从线圈匝与匝之间漏掉，即有漏磁，这就使得通过原副线圈的磁通量并不相等，这漏掉的磁通量会在周围空间形成电磁波而损失一部分能量，这种损耗叫磁损。

现在，由于在材料和技术上采取了许多有效措施，实际变压器在工作时，损失的能量虽然有三种途径，但损失的能量只占输入能量很小的一部分，特别是大型变压器，效率可以达到97%～99%，电能损耗很少。因此，我们可以忽略电能的损耗，建立理想化的物理模型：这样一种完全没有能量损耗的变压器，我们称它为理想变压器。

教学中，我们弄清了变压器工作时产生能量损失的各种因素，通过分清主次，并突出主导因素，建立了理想变压器的模型。后面的教学中就以理想变压器为对象，进一步研究其工作特性和变压规律。在此基础上进一步分析导出理想变压器原副线圈的功率关系、电压关系和电流关系。经过这样处理后，我的教学思路严谨清晰，教学过程自然流畅，不仅能够使学生准确地理解理想变压器的工作原理和工作特性，而且还能使学生再次学习建立物理模型的方法，有利于提高学生的分析概括能力。

注：本文系2018年甘肃省教育科学规划课题《崆峒区高中物理实验资源利用现状调查及厉行节约策略研究》成果，课题立项号：GS[2018]GHB2916）。

编辑 高 琼