物理试题情境必须真实——谈“日字形”铁芯变压器

马俊杰 石小明

（1.丹阳市教师发展中心，江苏 丹阳 212300；2.江苏省丹阳高级中学，江苏 丹阳 212300）

物理学是一门基于观察与实验、运用相关模型和数学工具进行推理和论证的自然科学.实验和理论推导两者相辅相成，实验现象建构出相应的理论，理论必须由实验来验证.一些理论上推导可行的，但是在实际情境中，由于一些实际应用与理论情况有微小差别，也会带来结果的不同，因此一些物理试题情境的建立，必须要经过真实的实验来验证.下面就用一道例题来进行说明.

例题.在绕制变压器时，某人误将两个线圈绕在图1所示变压器铁芯的左右两个臂上，当通以变变电流时，每个线圈产生的磁通量只有一半通过另一个线圈；另一半通过中间的臂.已知线圈1、2的匝数之比N1∶N2=2∶1，若输入端接入电压有效值为220V交变电流，下述说法中正确的是

图1

（A）线圈1为输入端，线圈2接55Ω电阻，电阻热功率为55W.

（B）线圈1为输入端，线圈2接10μF电容，电容耐压值为55V.

（C）线圈2为输入端，线圈1接55Ω电阻，电阻热功率为220W.

（D）线圈2为输入端，线圈1接10μF电容，电容耐压值为 2 20V.

这一例题提供的参考答案是（A）、（D）（解答过程略），该答案是否正确，我们可以通过实验来进行验证.为了更好地探究日字型变压器多磁路磁通量的分配关系，笔者特制作了一款实验器材进行探索，图2是实验装置的电路原理图（图中电阻数值单位为Ω）.

图2 电路原理图

图3是实验器材的安装示意图.

图3 安装示意图

器材的材料包括：舌宽24cm，叠厚30cm的铁芯一个，并用0.89mm的漆包线在中间的铁芯上绕600匝，300处抽头，两边的铁芯上各绕300匝，组成日字型变压器；10V交流电压表2个；250mA交流电流表2个；500型多用电表用转换开关两个；5Ω3W电阻9只；0.5Ω5W电阻2只；j1202高中学生电源1个；接线柱6个.

上述器材按照图3所示，将所有器件安装在一块面板上，再按图2将电路连接起来，实验装置如图4所示.

图4 实验装置图

表1-表3是实验测得的数据.

表1 （从中间600匝绕组输入交流16V）

表2 （从一边300匝绕组输入交流8V，负载1接中间绕组300匝）

表3 （从一边300匝输入，中间和另一边300匝输出）用数字多用电表测得

实验结论：

（1）3个表格中，表1、表2两输出的和与变比有一定差距，其原因是机械表内阻比数字表小，且误差大.另外两输出接负载时电流表的接入和线圈的电阻对输出电压都有影响.表3中的各组数据基本符合变压器的变比规律.

（2）从表1、表2第1组数据中可发现空载时磁路的磁阻对两输出有影响.表1两边都是3.2V，表2的中间是4.4V，边上是2.0V.

（3）从表1、表2第2、3组数据中可发现输出的一边空载，另一边负载的变化对两边输出电压无影响.

（4）从表1、表2第4、5、6、7组数据中可发现两边负载互相交换，负载的电压也跟着互换，但两负载中的电流始终保持一致.

（5）从表1、表2第8、9组数据中可发现两边总负载一样，虽然两负载上的电压不同，但是两边负载中的电流仍然保持一致.

（6）从表1、表2第10组数据中可发现两边总负载减小，则两负载上的电流同时增大.

综上所述，日字型变压器无论是从中间的绕组输入还是从边上的绕组输入，其实验的结果是一致的.虽然两组输出在外接电路上没有任何的联系，但是从实验数据中可以看出两组输出呈现了串联电路的特性.是谁在中间让它们串在一起的，那就是铁芯中变化的磁通量（交变磁通）.

图5

在两输出接相同负载或空载时，输入线圈中的磁通量在两输出中平均分配，见图5（a）.因此两输出电压相等.

在一个输出端接负载时，接负载的次级线圈中13mA的电流能生成反感电动势产生与原磁通相反的磁通，将原磁通量绝大部分排斥到空载的一边，见图5（b）.因此空载一边的输出电压便是两输出都是空载时的一倍.

在两输出接不同负载时，两输出电流产生的反向磁通就会不同（虽然电流一样），负载小的对原磁通阻作用碍大，负载大的对原磁通阻碍作用小，见图5（c）.因此负载大的（电阻小）输出端电压低，负载小的（电阻大）输出端电压高.

另外根据变压器的工作原理得知，输出电流对原磁通产生影响时，原线圈中会增加电流来抵消输出电流对原磁通的影响，使磁路中磁通达到原有的平衡（原磁通量不会改变，只是左右分配多少而已）.

如果两输出绕组的匝数不同，则空载时两输出，匝数多的电压高，匝数少的电压低.但两输出必须都接负载时才能有电流.接相同负载时匝数少的一边反而比匝数多的一边电压高.这都是原变化磁通受外接电路影响造成的（匝数越多反电动势越高）.

通过实验你会发现高中试卷中有关日字型变压器方面的试题的标准答案，或多或少都有问题，使学生产生一些错误认识.希望大家看到这个实验，对日字型变压器多磁路磁通量的分配关系有一个全新认识.

通过上述实验及分析，我们可以看出，试题中（A）（B）（C）选项都是错误的，只有（D）选项才是正确的.因为中间铁芯上无线圈，等同于空载.根据本实验表2中2、3组数据可知，（A）选项的电阻热功率为0W.电路中接负载的情况和不接负载的情况还是不一样的，不进行实验很难发现这一情况.因此一些物理试题的情境必须来自真实的实验，试题的设计不能想当然.