直流模擬正弦交流電的實(shí)驗(yàn)方案

熊小蘭 黃春如

(江西省樟樹第三中學(xué) 江西 宜春 331200)

“變壓器”一節(jié)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)[1]，特別是探究性學(xué)習(xí)，由于考慮人身安全因素，一直以來是中學(xué)物理教師不愿也不敢放手讓學(xué)生去做的主要原因之一．為了更好地在教學(xué)中落實(shí)物理課程的三維目標(biāo)，使學(xué)生更好地經(jīng)歷科學(xué)探究過程，認(rèn)識(shí)科學(xué)探究的意義，嘗試應(yīng)用科學(xué)探究的方法研究物理問題，驗(yàn)證物理規(guī)律，我們?cè)O(shè)計(jì)制作了直流變壓器，供學(xué)生進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)，收到了很好的教學(xué)效果．

文獻(xiàn)[2]使用直流電源串接簡(jiǎn)易直流電機(jī)，產(chǎn)生出脈動(dòng)電流，實(shí)現(xiàn)了直流電能通過變壓器的傳輸．該文被《中學(xué)物理教與學(xué)》2011年第8期全文轉(zhuǎn)載．現(xiàn)在原文的基礎(chǔ)上，介紹一款用直流模擬出正弦交流電的實(shí)驗(yàn)方案，以其對(duì)原文的補(bǔ)充完善，供同行們參考．

1 實(shí)驗(yàn)原理圖

實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示．

圖1 直流電通過變壓器傳輸?shù)墓ぷ髟韴D

2 實(shí)驗(yàn)實(shí)物連線圖

實(shí)驗(yàn)實(shí)物連線如圖2所示.

圖2 直流電通過變壓器模擬交流電實(shí)物連線圖

3 工具材料及制作過程

3.1 工具與材料

尖嘴鉗，電烙鐵，繞線機(jī)，蓄電池E(24 V，二組12 V串聯(lián))，單刀開關(guān)S，滑動(dòng)變阻器R(50 Ω,1.5 A)，直徑約2 cm的PVC導(dǎo)管(護(hù)線管，制作原、副線圈骨架)，線徑約0.5 mm的漆包線(繞制原、副線圈)，耦合線圈的鐵芯(彩電行輸出中的鐵氧體磁芯)，LED，導(dǎo)線等．

3.2 制作過程

(1)滑動(dòng)變阻器的加工改制.找準(zhǔn)滑動(dòng)變阻器R(50 Ω,1.5 A)電阻線的底部中間O點(diǎn)處的一匝或二匝線圈，用小刀刮掉部分絕緣漆，然后用電烙鐵焊接出中心抽頭，線的另一端焊接鱷魚夾．

(2)原、副線圈的繞制.依據(jù)線圈鐵芯的尺寸(鐵氧體磁芯的大小)，選直徑約2 cm,高約3.5 cm的PVC管加工成原線圈骨架，并用0.5 mm的漆包線在其上繞60匝，線圈兩引出端焊接用于活動(dòng)連接的銅質(zhì)插孔(從廢舊電腦插接線中取用)，以便實(shí)驗(yàn)時(shí)靈活接入電路之中．選約2 cm高的二段PVC管加工成兩個(gè)獨(dú)立的副線圈骨架，用0.5 mm漆包線在其上各繞120匝．線圈兩端焊接上連接導(dǎo)線和銅質(zhì)插孔．

(3)負(fù)載(LED發(fā)光面板)的制作.將繪制好LED符號(hào)及連線的彩印紙粘貼在泡沫面板上，在面板上對(duì)應(yīng)位置安裝LED并在其反面按要求進(jìn)行連線、焊接，上、下節(jié)點(diǎn)用不同顏色的細(xì)導(dǎo)線焊接并將其穿孔引至面板的正面，引線的另一端與插針連接．并用金屬絲和硬泡沫板制作支架和底座．

4 直流轉(zhuǎn)換成正弦交流的理論分析

如圖1,選O點(diǎn)為原線圈所加電壓UPO的參考點(diǎn)，當(dāng)滑動(dòng)觸頭P來回移動(dòng)時(shí)，P點(diǎn)相對(duì)于O點(diǎn)的電壓UPO的大小和方向隨時(shí)間交替變化．

變壓器原線圈1,2接于P,O兩點(diǎn)之間，給變壓器原線圈供電電壓即為UPO，當(dāng)原線圈未接入電路時(shí)，流過R的干路電流為恒定值I， 其值約為

若變阻器觸頭P在手的作用下的運(yùn)動(dòng)可近似為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，則變壓器原線圈輸入電壓近似按正弦(或余弦)規(guī)律變化，即

UPO(t)∝Umsinωt

或

UPO(t)∝Umcosωt

5 對(duì)直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姷膶?shí)驗(yàn)驗(yàn)證

按圖1連接電路，閉合開關(guān)，使觸頭P近似簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，可觀察到電流表A和電流計(jì)G的指針左右接近等幅度的搖擺．LED交替閃亮．

參考文獻(xiàn)

1 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書.物理·選修3-2(第2版) .北京:人民教育出版社,2006.39～42

2 黃春如，熊小蘭.直流變壓器的設(shè)計(jì)、制作與教學(xué).物理通報(bào),2011(3):45～47