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        對變壓器演示實驗的改進和拓展

        2014-05-18 11:42:22丁佐建
        物理教師 2014年1期
        關鍵詞:原線圈副線圈電工學

        丁佐建

        (江蘇省常州市第一中學,江蘇 常州 213000)

        人教版高中物理3-2教材第5章第4節(jié)“變壓器”中的“思考與討論”中有一實驗:演示變壓器對交流電的作用,教材給出如圖1參考電路圖,筆者在教學實踐中發(fā)現(xiàn),此實驗有拓展和改進的空間.

        圖1

        1 問題與改進

        電路圖顯示,實驗使用的學生電源有交、直流兩種輸出,要求學生思考和討論“一個線圈連到交流電源的兩端,另一個線圈連到小燈泡上,小燈泡可能發(fā)光嗎?”演示得到肯定結果后,學生必然會形成與上述成鮮明對比的“變壓器對穩(wěn)恒電流是否有類似的作用呢?”這樣的疑問.

        教材給出兩種輸出的電源,編撰者也就是為教師演示留有發(fā)揮的余地——只要改接一下電源的輸出端,就能因電流的不同而形成迥然不同的效果,不但會給學生留下深刻的印象,還能很自然地引導學生深層次地思考變壓器的工作原理.部分教師在授課時可能也是如此操作.

        但利用上述電路圖直接演示變壓器對穩(wěn)恒電流的作用,看似只需簡單地將原線圈改接到穩(wěn)恒直流電源上,但一個細節(jié)卻不容忽視.如果先斷開學生電源,待原線圈改接到直流電源后,合上電源開關,則會在合上開關的一瞬間,燈泡出現(xiàn)一次閃爍,開關斷開的一瞬間,小燈泡也會出現(xiàn)一次閃爍.這是因為,原線圈中穩(wěn)恒電流的建立或消失需要一段時間(較短),鐵芯中的磁場會發(fā)生相應變化,由于時間較短,在副線圈中會產生一個峰值較大的感應電動勢和電流脈沖,如果學生觀察到閃爍現(xiàn)象,而教師不加解釋,會以為變壓器對穩(wěn)恒電流也起到了某種作用,適得其反.如果先拆除副線圈和小燈泡的連接,把原線圈從交流電源改接到直流電源輸出端,接通原線圈電路,電流穩(wěn)定后再將副線圈與小燈泡連接好,這時小燈泡不會發(fā)生閃爍,表明了變壓器不能傳輸穩(wěn)恒電流的特征,達到了演示目的,很明顯操作繁瑣,尤其是在原線圈通路穩(wěn)定的情況下“再將副線圈和小燈泡連接好”,從電工學的角度講有“帶電操作”的嫌疑,有違電工學操作規(guī)范(當然本實驗沒有危險),會對學生會產生潛移默化的不良影響.

        如何改進呢?筆者認為很簡單,按照電工學對電路和操作的要求,在原、副線圈回路中各接上開關S1和S2,如圖2所示.

        圖2

        演示變壓器對穩(wěn)恒電流作用,其流程如下:斷開S1和S2,改接好相關電路后,先將電源開關和S1閉合,再閉合S2,燈泡不亮,目標達成.

        有教師可能會質疑S1存在的必要性,認為學生電源的自帶開關能夠滿足實驗的要求.其實S1的存在不只是為了滿足電路的規(guī)范要求,更重要的是能為實驗的后續(xù)拓展服務.

        2 拓展與思索

        講完變壓器工作原理后,我們可以再次利用如圖2電路圖進行如下的實驗拓展操作和相關問題的設問,以深化學生對變壓器原理的理解.

        (1)在S2合上的狀態(tài)下,合上S1讓學生觀察并思索小燈泡閃爍的原因(傳統(tǒng)“千人震”實驗的原理).

        (2)在S2合上的狀態(tài)下,斷開S1讓學生觀察并思考小燈泡也能閃爍的能量來源(這是說明磁場具有能量的極好事例).

        (3)讓學生思索:小燈泡的閃爍不是特別明亮的原因(不是電流小,其實感應電流脈沖的峰值很大,只是持續(xù)時間短,能量少,不足以使燈絲升高至較高溫度并維持一段時間.此問題對學生而言有難度).

        (4)讓學生思索:如何讓小燈泡的閃爍更亮、更持續(xù)、更穩(wěn)定(改變匝數(shù)比的效果不明顯,必須快速地、連續(xù)地通斷開關S1,通斷的頻率越高,燈泡越亮、越穩(wěn)定,人眼甚至感覺不到閃爍,達到與交流電源同樣的發(fā)光效果,這是因為感應電流脈沖之間的時間間隔小,燈絲熱量散失慢,溫度可以上升并維持在較高值.最好讓學生自己動手操作和實踐,其操作效果非常明顯、動感十足、課堂氛圍極度高漲).

        (5)讓學生思索:上述現(xiàn)象是否說明變壓器對穩(wěn)恒電流起到了傳送作用?(答案是否定的,而是進一步說明:只要原線圈的電流發(fā)生變化,即使不是交流電,副線圈也一定能產生感應電流).

        以上是筆者在教學實踐中的一點啟發(fā),建議教材編撰者從電工學的規(guī)范要求和挖掘實驗潛能的角度出發(fā),在原副線圈回路中各加上一開關,不當處請指正.

        1 梁原.活用可拆變壓器 補充課堂演示實驗[J].物理教師,2004(1):31.

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