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        STEM教育理念下變壓器原理拓展教學(xué)

        2019-06-29 07:08:28戴朱軍
        物理通報(bào) 2019年7期
        關(guān)鍵詞:原線圈副線圈交流電

        戴朱軍

        (張家港市樂(lè)余高級(jí)中學(xué) 江蘇 蘇州 215600)

        STEM教育理念強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)這4個(gè)方面的素養(yǎng),但目前高中對(duì)變壓器的教學(xué)要求僅限于讓學(xué)生知道理想變壓器的工作原理,以及電流電壓和匝數(shù)的關(guān)系,未能體現(xiàn)出技術(shù)素養(yǎng)和工程素養(yǎng)方面的培養(yǎng)要求.因此,有必要對(duì)生活中廣泛應(yīng)用的變壓器,進(jìn)一步開展拓展應(yīng)用教學(xué),以培養(yǎng)學(xué)生綜合科學(xué)素養(yǎng).

        1 拓展教學(xué)一

        為什么高壓原線圈的銅線比低壓副線圈細(xì)?

        準(zhǔn)備一個(gè)220 V轉(zhuǎn)換12 V的小型10 W電源變壓器,教師事先把原副線圈繞組上的絕緣保護(hù)塑料皮剝離,以便學(xué)生觀察,并用黑膠布把該變壓器上的廠家銘牌參數(shù)遮蓋住(因?yàn)殂懪粕蠘?biāo)明了輸入輸出的導(dǎo)線顏色、電壓、功率、匝數(shù)等參數(shù)),如圖1所示.

        圖1 比較原副線圈的匝數(shù)和粗細(xì)

        師:這是一個(gè)把220 V高壓轉(zhuǎn)換為低壓12 V的小型電源變壓器,通過(guò)觀察,你們能確定哪個(gè)是原線圈,哪個(gè)是副線圈嗎?

        生:匝數(shù)多的是原線圈,匝數(shù)少的是副線圈,因?yàn)殡妷汉驮褦?shù)成正比(大部分學(xué)生這樣回答).

        師:很好,那為什么高壓原線圈采用的銅線非常細(xì)呢?

        學(xué)生各種回答:因?yàn)樵€圈匝數(shù)太多,如果導(dǎo)線較粗就繞不下了;因?yàn)樵€圈電流小,所以采用較細(xì)的銅線繞制;因?yàn)榭紤]成本,粗了浪費(fèi)……

        教師引導(dǎo):同學(xué)們有多種看法,到底哪個(gè)有道理呢?讓我們來(lái)看一個(gè)變壓器廠家生產(chǎn)所用的漆包線的直徑與最大通過(guò)電流量的對(duì)比表格,如表1所示.同學(xué)們通過(guò)這個(gè)表格,能發(fā)現(xiàn)什么規(guī)律?

        表1 常用漆包線線徑和最大載流對(duì)照表

        生:漆包線的直徑越大(即越粗),能夠通過(guò)的最大電流就越大.

        師:很好,同學(xué)們現(xiàn)在明白了,因?yàn)閷?duì)單個(gè)副線圈的變壓器,工作電流和匝數(shù)成反比,因?yàn)楦邏涸€圈匝數(shù)多,所以通過(guò)電流小,選擇能滿足最大載流量的較細(xì)導(dǎo)線就可以了[1].這和生活中的水管完全類似,通過(guò)水流小,選擇較細(xì)的水管就可以了.

        2 拓展教學(xué)二

        輸出都為12 V的變壓器,匝數(shù)比220∶12 和2200∶120效果一樣嗎?

        教師準(zhǔn)備2只電源變壓器,都是220 V轉(zhuǎn)換12 V輸出,但功率分別為10 W和30 W,同樣用黑膠布把兩只變壓器上的廠家參數(shù)遮蓋,再讓學(xué)生觀察對(duì)比,如圖2所示.

        圖2 兩變壓器電壓相同但大小不同

        師:同學(xué)們,這兩個(gè)變壓器的輸入電壓和輸出電壓都是多少?

        生:輸入都是220 V,輸出都是12 V.

        師:如果看成理想變壓器,那匝數(shù)比是多少?

        生:220∶12.

        師:那能不能原副線圈繞制的匝數(shù)為220匝和12匝,或者2 200匝和120匝,甚至55匝和3匝?

        生:……應(yīng)該可以吧,匝數(shù)比都一樣,都是輸出12 V 啊.

        生:……

        師:同學(xué)們想一想,如果原線圈匝數(shù)太少,對(duì)輸入的220 V交流電來(lái)說(shuō),原線圈的感抗XL是很大還是很小?

        生:匝數(shù)越少,感抗越小.

        師:感抗越小,那對(duì)輸入交流電的阻礙越小,就越接近于短路,就會(huì)電流過(guò)大而燒毀原線圈!現(xiàn)在同學(xué)們理解為什么原線圈匝數(shù)不能太少了吧?

        請(qǐng)同學(xué)們思考另外一個(gè)問(wèn)題,如果需要電壓器輸出更大的功率,那鐵芯內(nèi)的磁場(chǎng)應(yīng)該越強(qiáng)還是越弱?原線圈的匝數(shù)需要越多還是越少?鐵芯截面積需要越大還是越???

        引導(dǎo)學(xué)生得出:當(dāng)然是原線圈匝數(shù)越多,產(chǎn)生磁場(chǎng)越強(qiáng),向副線圈輸送的磁場(chǎng)能就越大,需要的鐵芯截面積就越大.

        師:很好,也就是說(shuō)變壓器的功率越大,就需要原線圈匝數(shù)越大,鐵芯的截面積也要越大.功率越大的變壓器,往往外觀較大,重量也較重.所以雖然匝數(shù)比都是220∶12,但原線圈和副線圈的具體匝數(shù)選擇,需要根據(jù)鐵芯大小、設(shè)計(jì)功率、導(dǎo)線材料種類和截面積、交流電頻率等多種因素來(lái)確定.

        3 拓展教學(xué)三

        為什么手機(jī)充電器內(nèi)部的變壓器特別???

        教師事先準(zhǔn)備一個(gè)輸出5 V/2 A的閑置手機(jī)充電器(又稱開關(guān)電源), 把這個(gè)充電器拆開,以便學(xué)生觀察內(nèi)部的變壓器,并和上文中的10 W變壓器進(jìn)行對(duì)比,如圖3所示.

        圖3 手機(jī)充電器內(nèi)變壓器和普通變壓器大小對(duì)比

        師:同學(xué)們能計(jì)算這個(gè)手機(jī)充電器的額定輸出功率嗎?另外對(duì)這個(gè)手機(jī)充電器內(nèi)的變壓器有什么深刻印象?

        生:由P=UI=5 V×2 A=10 W,和之前看過(guò)的變壓器功率相同,但體積要小很多很多!

        師:對(duì)啊,變壓器體積和重量當(dāng)然是越小越好,這樣才輕便.但變壓器要輕小,必需要減少漆包線的匝數(shù)和鐵芯的大小,那如何確保功率和輸出電壓不會(huì)降低呢?

        生:……

        動(dòng)態(tài)范圍指的是畫面中最暗(1)和最亮(2)部分的亮度差距。不同相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍并不相同,不過(guò)總的來(lái)說(shuō),因?yàn)橄袼爻叽绺螅匀嫹鄼C(jī)通常擁有更高的動(dòng)態(tài)范圍。一張照片的直方圖(如右圖所示)占據(jù)越多的橫軸空間(3),這張照片的動(dòng)態(tài)范圍也就越高。

        師:同學(xué)們想一想,副線圈為什么會(huì)輸出電壓?

        生:電磁感應(yīng)啊,副線圈會(huì)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì).

        師:很好,那同學(xué)們由感生電動(dòng)勢(shì)公式

        去思考一下,如果減少匝數(shù)n和副線圈截面積S(即鐵芯截面積),但要確保電動(dòng)勢(shì)E不變,應(yīng)該怎么辦?

        師:很好,讓磁場(chǎng)變化得更快,也就是原線圈輸入的交流電要變化得越快,就是需要提高交流電的哪個(gè)參數(shù)?

        生:就是提高頻率!

        師:很好!我們手機(jī)充電器里就是通過(guò)高頻開關(guān)電路,把交流電的頻率從50 Hz 提高到了100 kHz,整整提高了2 000倍!這樣就可以顯著降低變壓器的匝數(shù)和鐵芯大小,從而讓變壓器變得更加輕小,這樣的變壓器稱為高頻變壓器,對(duì)應(yīng)的電源稱為開關(guān)電源[2].現(xiàn)在幾乎所有數(shù)碼類產(chǎn)品的電源,都是開關(guān)電源,其基本工作原理如圖4所示.

        圖4 開關(guān)電源工作原理示意圖

        4 拓展教學(xué)四

        為什么沒(méi)有鐵芯也可以無(wú)線輸電?

        通過(guò)展示華為Mate20 pro手機(jī)的無(wú)線充電功能宣傳圖,引入無(wú)線輸電話題.

        師:無(wú)線輸電,摒棄了導(dǎo)線的牽連纏繞,讓手機(jī)充電更加便捷,那無(wú)線輸電的基本原理是什么呢?讓我們通過(guò)一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn),來(lái)研究一下.

        教師拿出上文中已經(jīng)拆開的手機(jī)充電器,現(xiàn)場(chǎng)把一個(gè)事先繞好的30匝線圈的兩端,焊接在手機(jī)充電器內(nèi)高頻變壓器的副線圈上.再拿出一個(gè)事先繞好的30匝線圈,其兩端已經(jīng)焊接了一個(gè)發(fā)光二極管LED,如圖5所示.

        圖5 自制無(wú)線輸電演示裝置

        師:同學(xué)們,激動(dòng)人心的時(shí)刻到了!現(xiàn)在我把充電器重新裝上外殼,把充電器插在220 V電源插座上,接下來(lái),我慢慢把兩個(gè)線圈靠近,你們會(huì)看到什么呢?

        實(shí)驗(yàn)如圖6所示.

        生:LED逐漸亮起來(lái)了!太神奇了!原來(lái)無(wú)線輸電這么簡(jiǎn)單好玩?。?/p>

        圖6 演示無(wú)線輸電

        教師引導(dǎo)講解原理:和高頻變壓器連接的線圈叫做發(fā)射線圈,發(fā)射線圈中通了高頻交流電,則這個(gè)線圈會(huì)在周圍空間激發(fā)出高頻交變磁場(chǎng).連接LED的線圈叫做受電線圈,當(dāng)受電線圈靠近發(fā)射線圈,就進(jìn)入了交變磁場(chǎng)所在區(qū)域,由電磁感應(yīng)原理,受電線圈中就產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),閉合電路中產(chǎn)生感應(yīng)電流,所以LED就亮起來(lái)了.這就是無(wú)線輸電的基本原理[3],如圖所7示.

        圖7 無(wú)線輸電原理示意圖

        師:同學(xué)們發(fā)現(xiàn),發(fā)射線圈和受電線圈間雖然沒(méi)有鐵芯,但交變磁場(chǎng)也能通過(guò)空間傳輸?shù)竭_(dá)受電線圈.為了提高無(wú)線輸電的效率,發(fā)射線圈內(nèi)的交變電流頻率應(yīng)該更高些還是更低些?

        生:和前面分析一樣的道理,應(yīng)該進(jìn)一步提高頻率,才能讓鐵芯更小,甚至直接取消鐵芯.

        師:很好!目前無(wú)線輸電的技術(shù)方案有多種,其中有幾種方案中,交變磁場(chǎng)的頻率數(shù)量級(jí)高達(dá)MHz (106Hz)甚至GHz(109Hz).

        5 課后反思

        通過(guò)以上系列探究,學(xué)生不僅了解到生活中變壓器和無(wú)線輸電中的工程技術(shù)知識(shí),還對(duì)電磁感應(yīng)、電磁波知識(shí)也有了更深的理解,學(xué)習(xí)物理的興趣更加濃厚,這正是STEM教育的魅力所在.在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域,我們高中物理可能是(也應(yīng)該是)最能體現(xiàn)STEM教育理念的一門學(xué)科,廣大物理教師大有作為!

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