探究变压器规律的两个演示实验的改进

王汉权 常 琳

(江苏省锡山高级中学，江苏 无锡 214174)

变压器作为电磁感应原理应用的重要装置广泛应用于生产实践,因此变压器及相关的规律成为考查学生建模、探究、论证等核心素养的重要素材,为了使学生加深对原理及规律的理解,教师常常会选择变压器及电路元器件进行演示实验,为学生提供探究或验证的真实情境,引导学生在探究思考的基础上,建立起理想的物理模型和形成行之有效的解题论证方法．但由于实验室提供的变压器模型并非是理想变压器,通电后由于漏磁和电能损耗较大,所以在搭建好实验电路后,可能观察不到与理论分析相吻合的实验结果,也就无法起到让学生深入思考或深度探究的作用．教师为避免出现这样的尴尬,都会选择尽量少做或不做、尽量以讲解训练为主,学生缺少了亲身经历的探究论证的过程,也不利于知识的全面理解．为解决这一问题,笔者在实验器材上作了适当的改进,在课堂的现场演示中收到理想的演示效果,也确保了课堂教学生动趣味、学生讨论主动积极、知识学习扎实稳固的教学效果．

1 用变压器演示远距离高压输电原理

在演示远距离输电实验中,一般会选择两卷长导线来模拟远距离的输电线路,第一次实验时直接利用长导线和小灯泡串联(如图1甲),接上合适的交流电压,并让学生观察灯泡的亮度情况(最好把小灯泡亮度调到稍暗,便于前后比较),第二次实验利用同样的两卷长导线连接升压和降压变压器,让小灯泡接在降压变压器副线圈两端(如图1乙),继续观察并和第一次小灯泡的亮度进行比较,用以说明远距离输电中提高电压、降低电流、减少输电线能耗损失的原理,但实验结果却基本上看不到第二次灯泡比第一次的亮(最期望的实验结果),甚至由于变压器本身的损耗较大,用升压降压的传输方法进行供电,小灯泡亮度反而比直接供电的还要暗(有时教师不得不偷偷地提高电源电压,让灯泡比第一次亮来达到预期效果)．分析实验失败的主要原因是选择的两卷导线虽然觉得已经是很长很长,但导线的电阻还是比较小,无论接上高压还是用低压供电,导线的功率损耗变化都不太明显,自然也就无法比较和反映出灯泡亮度的明显变化．要想达到比较好的实验效果,需要增大长导线的电阻(笔者利用导线中串接一个小电阻的方法来实现),再次做升压降压输电实验,实验效果就非常好．

图1

(1) 材料准备:滑动变阻器(0～50 Ω)或电阻箱一个、几个小阻值的电阻(10 Ω～15 Ω左右)、两卷长导线、小灯泡一只(3.8 V,0.3 A)、交流电源一只、两只实验室变压器模型.

(2) 实验及改进.

① 选择两卷长导线,将一变阻器与两卷导线按图1甲的电路直接串接在电源上,选择某一电压(实验中可固定为4 V不变),接通电源,调节变阻器阻值,直到小灯泡微微发光为止．

② 用万用表或其他仪表测量出此时变阻器接入电路的阻值R．

③ 找一个等阻值的电阻(或用几个电阻串并联获得)代替变阻器与导线再次接入电路,实验中还需作细微调整,直到小灯泡微微发光(如图2所示)．

图2

图3

④ 将两卷长导线串接在升压和降压变压器之间,分别在升压变压器的原线圈和降压变压器的副线圈接入交流电源和小灯泡,选择好一定的升压匝数比和降压匝数比确保实验效果．实验室配备的变压器模型接线抽头是0、200、800、1400(原)和0、100、400(副),笔者选择的是0-100/0-1400升压,0-800/0-100降压,接通电路,不需要另外调整提高输入电压,就能清楚地观察到第二次灯泡比第一次亮得很多的实验效果(如图3所示)．

2 变压器演示研究输入功率由输出功率决定的规律

在探究变压器原副线圈物理量决定关系上,输出电压U2由输入电压U1及匝数比n1/n2决定,学生基本上都会认同,但在变压器输入功率P1反而由输出功率P2决定的关系上大多数学生都很难认同,认识上也比较模糊,在课堂教学中分析如下例题时,好多学生会错误地选择了(A)选项,认识上出现了明显的偏差．

例题.有5个完全相同的灯泡连接在理想变压器的原、副线圈中(如图4所示),原副线圈的匝数比为n1∶n2=3∶1,副线圈的4只灯泡可以通过开关S1、S2、S3、S4控制通断,若将该线路与交流电源接通,则下列说法正确的是

(A) 当开关S1、S2、S3、S4全部断开时,灯泡L上有电流.

(B) 当开关S1、S2、S3、S4全部断开时,灯泡L上无电流.

(C) 若闭合S1、S2、S3且L1、L2、L3均正常发光,则灯泡L也正常发光.

(D) 若闭合S1、S2、S3且L1、L2、L3均正常发光,则再闭合S4时,灯泡L有可能会烧毁.

图4

询问学生的想法,他们认为在图4电路中小灯泡L和原线圈串联,既然接有交流电压,那怕副线圈中开关全部打开,没有接任何负载,小灯泡L上一定会有电流,亮度上可能会暗些．因此在这错误的思维定势下即使教师利用功率决定关系分析副线圈空载时,灯泡L中应该没有电流的结果,学生难免还是将信将疑,只是勉强接受结论．这时候最行之有效的解惑方法就是实实在在的做出实验,让他们亲眼观察到真实的物理现象,让他们心服口服,这样的学习才能使他们对知识的理解变成深刻和稳固．

(1) 材料准备:小灯泡5只(3.8 V,0.3 A)、交流电源一只、一只实验室变压器模型、开关导线若干,演示板一块(用于固定各器件便于演示实验)．

图5

(2) 实验及改进:利用一只变压器模型,按图4电路将原、副线圈及开关、灯泡连接好,接通电源,灯泡均不亮,怀疑电压偏低或者匝数关系没调好,反复调整试验,均无法演示出上述例题各选项的理论结果．一筹莫展时,突然悟出:是不是因为变压器并不是理想变压器,加之匝数多的原线圈线径较细,电阻较大,接上交流电时还有感抗等阻碍因素,灯泡不亮也属正常情况了．能不能把原、副线圈颠倒一下呢?如图5所示,简单的转换,不一样的惊喜,实验成功了,期待的现象终于出现了!特别是当原线圈中的灯泡正常发光时,断开副线圈的所有灯泡,原线

圈中的灯泡竟然真的不亮.实验中选用线径粗的线圈作为原线圈(接线头可选用0-400匝),副线圈利用线径细的线圈来代替(接线头可选用0-200匝)．若实验中原副线圈均选用变压器模型中的粗线径的两个线圈,调整适当的匝数比,实验效果更佳．

图6

① 副线圈中3个开关均闭合,实验结果如图6所示．

② 副线圈中3个开关均断开,副线圈无负载接入,原线圈中灯泡L真的完全不亮!实验结果如图7所示．

③ 闭合其中的两个开关,实验结果如图8所示．

学生津津有味地观察着一次次的实验,一次次灯泡亮度的变化,很快打开了学生心中的疑窦,也很快帮助学生选出了例题正确的答案(BCD);这时老师还可以结合实验现象提出一些有思考价值问题：如“能否通过负载的变化烧毁原线圈中的灯泡L、为什么副线圈灯泡接得越多,几个灯泡的亮度反而变暗了……”等等问题,学生就会主动地结合实验观察到的现象,去思考和破解一个个与实验相关的问题,同时也在不断地深化对规律的理解．

图7 图8

简单的几个仪器、巧妙的组合改进,换来的是惊喜的目光和主动讨论的场景,相信结果也肯定会是不一样的精彩．这样的有效教学,教师何乐而不为?这样的素养提升,也正是新课程教学所期待的．