《變壓器》教學中理想化模型的建立

秦文元

我們在處理物理問題時，為了便于研究，往往會舍棄非本質的次要因素，抓住對所要研究問題起主要作用的因素，建立理想化的物理模型，簡稱理想模型。理想化方法是研究物理問題的重要思想方法。

在高中物理學習中我們已經學習過的理想模型有質點、單擺、理想氣體、點電荷、點光源、光滑曲面等。例如，我們現在使用的教材中關于《變壓器》的一節，在現行教材中給出的兩個等式只適用于理想變壓器，教材在“什么樣的變壓器才是理想變壓器”這個關鍵性問題上用“這種忽略原、副線圈的電阻和各種電磁能量損失的變壓器，稱為理想變壓器”這樣的一句話就把這個問題給避過去了，并沒有提出變壓器的理想化條件，建立理想模型。教材中提出變壓器的理想模型就是因為實際變壓器在工作時存在能量損失而且只有理想變壓器的電壓、電流和匝數才能夠滿足后面經過推導得出的結論。如果沒有任何過渡而突然地引入變壓器的理想化模型，不但會使教學環節銜接不自然，而且可能會導致學生對關系式應用條件的認識模糊，對能量損失的原因一知半解，不利于知識的拓展。通過在一線的教學實踐與不斷探索中我總結出，突出變壓器的理想化模型，應是處理本節教學內容所遵循的基本原則，明確“理想變壓器”的概念遠遠比含糊其辭要好。

因此，在教學這部分內容時，在引入新課后，在分析變壓器的工作原理基礎之后，教師應該以能量的轉化和傳輸為核心，引導學生分析變壓器傳輸電能時因各種原因而產生的電能損耗。為了體現這一點，我在教學時設計了如下教學過程：

老師：若使變壓器中的鐵芯不閉合或撤去鐵芯，副線圈是否還會產生電磁感應現象？

學生：原線圈中的磁通量仍有部分通過副線圈，當磁通量變化時還會發生電磁感應現象。

老師：既然這樣，為什么還說鐵芯是變壓器的重要組成部分？

演示實驗 使可拆變壓器的鐵芯由不閉合到閉合，如圖所示：可以觀察到接在副線圈兩端的小燈泡亮度從較暗到正常發光。

原因分析：若無鐵芯或鐵芯不閉合時，原線圈中的磁感線只有一小部分貫穿副線圈，大部分漏失在外，有了閉合鐵芯，由于鐵芯被磁化，絕大部分磁感線集中在鐵芯內部而貫穿副線圈，大大地增強了變壓器傳輸電能的作用。

老師：可見，漏失的磁感線不能起到傳輸電能的作用。有了閉合鐵芯后，漏失的磁感線大大減少，但能完全避免漏失嗎？

學生：不能，仍然會有一小部分磁感線漏失在周圍空間。

老師：因此，變壓器副線圈輸出的電能比原線圈輸入的電能小。實際變壓器工作時，除了因漏磁而損耗電能外，還有哪些方面的原因也會引起電能損耗呢？

先留出時間讓學生思考，鼓勵學生提出猜想，再讓一位學生用手觸摸工作后的變壓器線圈和鐵芯，并說出觸摸的感覺。

學生：由于原副線圈有電阻，電流通過時要發熱；鐵芯在反復磁化時也要發熱，都要損耗電能。

老師：變壓器工作時，能量損失主要有哪幾個方面？

學生自己歸納后得出：（1）原副線圈的電阻發熱；（2）磁感線漏失；（3）鐵芯發熱。

老師：完全正確，實際變壓器工作時，有很小的功率損耗，功率損耗的形式有三種：銅損、鐵損和磁損。（1）銅損：雖然銅導線的電阻很小，但是當變壓器工作時，有電流通過線圈，線圈中仍然會有熱量產生，導致能量損耗，這種損耗叫銅損；（2）鐵損：當原副線圈中有交變電流通過時，在鐵芯中產生交變磁通量，鐵芯中就會因電磁感應而產生渦流，使鐵芯發熱而導致能量損耗，這種在鐵芯中損失的能量叫鐵損。為了減少鐵損，變壓器鐵芯常用涂有絕緣漆的薄硅鋼片疊壓制成，使渦流被限制在狹窄的薄片之間，回路電阻增大，渦流大為減弱，從而減少了鐵損；（3）磁損：變壓器工作時，原副線圈產生的交變磁通量絕大多數通過鐵芯，但也有很少一部分磁通量從線圈匝與匝之間漏掉，即有漏磁，這就使得通過原副線圈的磁通量并不相等，這漏掉的磁通量會在周圍空間形成電磁波而損失一部分能量，這種損耗叫磁損。

現在，由于在材料和技術上采取了許多有效措施，實際變壓器在工作時，損失的能量雖然有三種途徑，但損失的能量只占輸入能量很小的一部分，特別是大型變壓器，效率可以達到97%～99%，電能損耗很少。因此，我們可以忽略電能的損耗，建立理想化的物理模型：這樣一種完全沒有能量損耗的變壓器，我們稱它為理想變壓器。

教學中，我們弄清了變壓器工作時產生能量損失的各種因素，通過分清主次，并突出主導因素，建立了理想變壓器的模型。后面的教學中就以理想變壓器為對象，進一步研究其工作特性和變壓規律。在此基礎上進一步分析導出理想變壓器原副線圈的功率關系、電壓關系和電流關系。經過這樣處理后，我的教學思路嚴謹清晰，教學過程自然流暢，不僅能夠使學生準確地理解理想變壓器的工作原理和工作特性，而且還能使學生再次學習建立物理模型的方法，有利于提高學生的分析概括能力。

注：本文系2018年甘肅省教育科學規劃課題《崆峒區高中物理實驗資源利用現狀調查及厲行節約策略研究》成果，課題立項號：GS[2018]GHB2916）。

編輯 高 瓊