探究變壓器規(guī)律的兩個演示實驗的改進

王漢權(quán) 常 琳

(江蘇省錫山高級中學(xué)，江蘇 無錫 214174)

變壓器作為電磁感應(yīng)原理應(yīng)用的重要裝置廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實踐,因此變壓器及相關(guān)的規(guī)律成為考查學(xué)生建模、探究、論證等核心素養(yǎng)的重要素材,為了使學(xué)生加深對原理及規(guī)律的理解,教師常常會選擇變壓器及電路元器件進行演示實驗,為學(xué)生提供探究或驗證的真實情境,引導(dǎo)學(xué)生在探究思考的基礎(chǔ)上,建立起理想的物理模型和形成行之有效的解題論證方法．但由于實驗室提供的變壓器模型并非是理想變壓器,通電后由于漏磁和電能損耗較大,所以在搭建好實驗電路后,可能觀察不到與理論分析相吻合的實驗結(jié)果,也就無法起到讓學(xué)生深入思考或深度探究的作用．教師為避免出現(xiàn)這樣的尷尬,都會選擇盡量少做或不做、盡量以講解訓(xùn)練為主,學(xué)生缺少了親身經(jīng)歷的探究論證的過程,也不利于知識的全面理解．為解決這一問題,筆者在實驗器材上作了適當(dāng)?shù)母倪M,在課堂的現(xiàn)場演示中收到理想的演示效果,也確保了課堂教學(xué)生動趣味、學(xué)生討論主動積極、知識學(xué)習(xí)扎實穩(wěn)固的教學(xué)效果．

1 用變壓器演示遠距離高壓輸電原理

在演示遠距離輸電實驗中,一般會選擇兩卷長導(dǎo)線來模擬遠距離的輸電線路,第一次實驗時直接利用長導(dǎo)線和小燈泡串聯(lián)(如圖1甲),接上合適的交流電壓,并讓學(xué)生觀察燈泡的亮度情況(最好把小燈泡亮度調(diào)到稍暗,便于前后比較),第二次實驗利用同樣的兩卷長導(dǎo)線連接升壓和降壓變壓器,讓小燈泡接在降壓變壓器副線圈兩端(如圖1乙),繼續(xù)觀察并和第一次小燈泡的亮度進行比較,用以說明遠距離輸電中提高電壓、降低電流、減少輸電線能耗損失的原理,但實驗結(jié)果卻基本上看不到第二次燈泡比第一次的亮(最期望的實驗結(jié)果),甚至由于變壓器本身的損耗較大,用升壓降壓的傳輸方法進行供電,小燈泡亮度反而比直接供電的還要暗(有時教師不得不偷偷地提高電源電壓,讓燈泡比第一次亮來達到預(yù)期效果)．分析實驗失敗的主要原因是選擇的兩卷導(dǎo)線雖然覺得已經(jīng)是很長很長,但導(dǎo)線的電阻還是比較小,無論接上高壓還是用低壓供電,導(dǎo)線的功率損耗變化都不太明顯,自然也就無法比較和反映出燈泡亮度的明顯變化．要想達到比較好的實驗效果,需要增大長導(dǎo)線的電阻(筆者利用導(dǎo)線中串接一個小電阻的方法來實現(xiàn)),再次做升壓降壓輸電實驗,實驗效果就非常好．

圖1

(1) 材料準備:滑動變阻器(0～50 Ω)或電阻箱一個、幾個小阻值的電阻(10 Ω～15 Ω左右)、兩卷長導(dǎo)線、小燈泡一只(3.8 V,0.3 A)、交流電源一只、兩只實驗室變壓器模型.

(2) 實驗及改進.

① 選擇兩卷長導(dǎo)線,將一變阻器與兩卷導(dǎo)線按圖1甲的電路直接串接在電源上,選擇某一電壓(實驗中可固定為4 V不變),接通電源,調(diào)節(jié)變阻器阻值,直到小燈泡微微發(fā)光為止．

② 用萬用表或其他儀表測量出此時變阻器接入電路的阻值R．

③ 找一個等阻值的電阻(或用幾個電阻串并聯(lián)獲得)代替變阻器與導(dǎo)線再次接入電路,實驗中還需作細微調(diào)整,直到小燈泡微微發(fā)光(如圖2所示)．

圖2

圖3

④ 將兩卷長導(dǎo)線串接在升壓和降壓變壓器之間,分別在升壓變壓器的原線圈和降壓變壓器的副線圈接入交流電源和小燈泡,選擇好一定的升壓匝數(shù)比和降壓匝數(shù)比確保實驗效果．實驗室配備的變壓器模型接線抽頭是0、200、800、1400(原)和0、100、400(副),筆者選擇的是0-100/0-1400升壓,0-800/0-100降壓,接通電路,不需要另外調(diào)整提高輸入電壓,就能清楚地觀察到第二次燈泡比第一次亮得很多的實驗效果(如圖3所示)．

2 變壓器演示研究輸入功率由輸出功率決定的規(guī)律

在探究變壓器原副線圈物理量決定關(guān)系上,輸出電壓U2由輸入電壓U1及匝數(shù)比n1/n2決定,學(xué)生基本上都會認同,但在變壓器輸入功率P1反而由輸出功率P2決定的關(guān)系上大多數(shù)學(xué)生都很難認同,認識上也比較模糊,在課堂教學(xué)中分析如下例題時,好多學(xué)生會錯誤地選擇了(A)選項,認識上出現(xiàn)了明顯的偏差．

例題.有5個完全相同的燈泡連接在理想變壓器的原、副線圈中(如圖4所示),原副線圈的匝數(shù)比為n1∶n2=3∶1,副線圈的4只燈泡可以通過開關(guān)S1、S2、S3、S4控制通斷,若將該線路與交流電源接通,則下列說法正確的是

(A) 當(dāng)開關(guān)S1、S2、S3、S4全部斷開時,燈泡L上有電流.

(B) 當(dāng)開關(guān)S1、S2、S3、S4全部斷開時,燈泡L上無電流.

(C) 若閉合S1、S2、S3且L1、L2、L3均正常發(fā)光,則燈泡L也正常發(fā)光.

(D) 若閉合S1、S2、S3且L1、L2、L3均正常發(fā)光,則再閉合S4時,燈泡L有可能會燒毀.

圖4

詢問學(xué)生的想法,他們認為在圖4電路中小燈泡L和原線圈串聯(lián),既然接有交流電壓,那怕副線圈中開關(guān)全部打開,沒有接任何負載,小燈泡L上一定會有電流,亮度上可能會暗些．因此在這錯誤的思維定勢下即使教師利用功率決定關(guān)系分析副線圈空載時,燈泡L中應(yīng)該沒有電流的結(jié)果,學(xué)生難免還是將信將疑,只是勉強接受結(jié)論．這時候最行之有效的解惑方法就是實實在在的做出實驗,讓他們親眼觀察到真實的物理現(xiàn)象,讓他們心服口服,這樣的學(xué)習(xí)才能使他們對知識的理解變成深刻和穩(wěn)固．

(1) 材料準備:小燈泡5只(3.8 V,0.3 A)、交流電源一只、一只實驗室變壓器模型、開關(guān)導(dǎo)線若干,演示板一塊(用于固定各器件便于演示實驗)．

圖5

(2) 實驗及改進:利用一只變壓器模型,按圖4電路將原、副線圈及開關(guān)、燈泡連接好,接通電源,燈泡均不亮,懷疑電壓偏低或者匝數(shù)關(guān)系沒調(diào)好,反復(fù)調(diào)整試驗,均無法演示出上述例題各選項的理論結(jié)果．一籌莫展時,突然悟出:是不是因為變壓器并不是理想變壓器,加之匝數(shù)多的原線圈線徑較細,電阻較大,接上交流電時還有感抗等阻礙因素,燈泡不亮也屬正常情況了．能不能把原、副線圈顛倒一下呢?如圖5所示,簡單的轉(zhuǎn)換,不一樣的驚喜,實驗成功了,期待的現(xiàn)象終于出現(xiàn)了!特別是當(dāng)原線圈中的燈泡正常發(fā)光時,斷開副線圈的所有燈泡,原線

圈中的燈泡竟然真的不亮.實驗中選用線徑粗的線圈作為原線圈(接線頭可選用0-400匝),副線圈利用線徑細的線圈來代替(接線頭可選用0-200匝)．若實驗中原副線圈均選用變壓器模型中的粗線徑的兩個線圈,調(diào)整適當(dāng)?shù)脑褦?shù)比,實驗效果更佳．

圖6

① 副線圈中3個開關(guān)均閉合,實驗結(jié)果如圖6所示．

② 副線圈中3個開關(guān)均斷開,副線圈無負載接入,原線圈中燈泡L真的完全不亮!實驗結(jié)果如圖7所示．

③ 閉合其中的兩個開關(guān),實驗結(jié)果如圖8所示．

學(xué)生津津有味地觀察著一次次的實驗,一次次燈泡亮度的變化,很快打開了學(xué)生心中的疑竇,也很快幫助學(xué)生選出了例題正確的答案(BCD);這時老師還可以結(jié)合實驗現(xiàn)象提出一些有思考價值問題：如“能否通過負載的變化燒毀原線圈中的燈泡L、為什么副線圈燈泡接得越多,幾個燈泡的亮度反而變暗了……”等等問題,學(xué)生就會主動地結(jié)合實驗觀察到的現(xiàn)象,去思考和破解一個個與實驗相關(guān)的問題,同時也在不斷地深化對規(guī)律的理解．

圖7 圖8

簡單的幾個儀器、巧妙的組合改進,換來的是驚喜的目光和主動討論的場景,相信結(jié)果也肯定會是不一樣的精彩．這樣的有效教學(xué),教師何樂而不為?這樣的素養(yǎng)提升,也正是新課程教學(xué)所期待的．