對變壓器原線圈含阻問題的探討

(1. 河北省霸州市第四中學,河北 霸州 065700；2. 江西省南城縣第一中學,江西 南城 344700)

對變壓器原線圈含阻問題的探討

陳澤安1闕志武2

(1. 河北省霸州市第四中學,河北 霸州 065700；2. 江西省南城縣第一中學,江西 南城 344700)

筆者對2015年和2016年全國卷Ⅰ中變壓器原線圈電路含電阻問題進行深入探討,該試題與答案均符合科學性的要求,但對教學有不利影響,建議高考物理卷中不宜頻現此類試題。

變壓器；有效值；相位；相位差

1 問題的提出

2015年和2016年高考全國卷Ⅰ先后連續出現了變壓器原線圈電路含電阻問題，具體題目見例1、例2。

例1(2015年全國卷Ⅰ第16題)：一理想變壓器的原、副線圈的匝數比為3∶1,在原、副線圈的回路中分別接有阻值相同的電阻,原線圈一側接在電壓為220V的正弦交流電源上,如圖1所示，設副線圈回路中電阻兩端的電壓為U,原、副線圈回路中電阻消耗的功率的比值為K,則( )。

圖1

答案：A。

圖2

A. 2 B. 3 C. 4 D. 5

答案：B。

這兩道高考題均符合科學性的要求,筆者對參考答案無異議。與此相關的文獻,較多關注解法多樣及等效電阻的妙用,較少像文獻[1]結尾那樣提出異議：此題作為高考題,顯然不妥,因為無法在中學知識體系內弄清楚其中的來龍去脈,反而讓學生形成乃至強化了“交流電路中電阻和電感上電壓大小直接相加”的極其錯誤的潛意識,為今后的學習造成極大的負面影響。筆者想就此再具體探討這類試題帶來的負面影響。

2 問題的分析

2.1 理解相位一致有難度

與RL串聯電路不同,在變壓器問題中,副線圈電路負載是純電阻時,原線圈電壓u1(t)與電流i1(t)相位一致。這是因為在原線圈回路中的反射電流也是有功電流,原線圈的有功功率并未真正消耗,而是通過磁場耦合,傳遞到副線圈,以反映能量守恒。如果負載為非純電阻,原線圈中電壓與電流存在相位差。于學生而言,理解這些有難度。具體證明需要涉及大學物理中電磁學的相關知識,不是高中物理所要求內容。正因為相位問題對教師而言也是難點,所以人教版《物理選修3-2教師教學用書》在“教學資源庫”中著重談及相位問題。

2.2 列關系式要有理有據

解決上述兩道高考題,無論是基本方法(變壓器原理、能量守恒等)還是等效阻抗法,涉及的電壓關系、功率關系、能量關系,最終均要依據重要條件：“在純電阻負載情況下,原線圈中電壓與電流同相位”列式,拋棄此前提依據列式,均是“輕過程、重結論”“只管是什么、不問為什么”的表現。對原線圈電路列式U源=UR+UL1、P源=PR+PL1(或PL2)，看似理所當然,實質蘊涵重要依據條件：“負載為純電阻”。

對學生而言,將直流電路規律套用在原線圈電路中,普遍不會質疑U源=UR+UL1是否合理、是否需要前提條件,因為學生對直流串聯電路的電壓規律滾瓜爛熟,在原線圈電路中列式U源=UR+UL1,覺得毋庸置疑,恰恰歪打正著。

2.3 有礙物理觀念形成

有效值和相位是進行任何交流電路的計算時都必須兼顧的兩個方面。其中有效值U、I和直流電路中相應的量值地位相當,學生容易產生遷移。然而,相位和相位差的概念卻是直流電路中全然沒有的,學習“交變電流”一章時,應該密切注意相位和相位差這個因素在交變電流中所起的作用。

上述高考題非但未讓學生樹立物理觀念,反而讓學生形成乃至強化了“交流電路中電阻和電感上電壓大小直接相加”這一極有可能導致錯誤的潛意識。不利于培養學生的質疑和創新精神,有礙物理觀念的形成,對核心素養發展不利。

3 結語

一方面,物理教學追求邏輯縝密、有理有據；另一方面,礙于學情，盡量把物理問題化繁為簡。近兩年高考題中原線圈電路含用電器,對相位關系教學帶來兩難取舍。不強調“純電阻”條件,不談相位關系,直接套用直流電路規律,將學生“蒙在鼓里”,避免了不必要的教學麻煩,卻有違科學精神和課程改革理念；若強調“純電阻”條件,學生必問為什么,解釋時,學生受自感現象中相位關系、正弦交流發電機磁通量與感應電動勢相位關系影響,會產生前攝抑制,增加教學難度。教學實踐中如何處理兩難取舍，值得我們思考。

[1] 李力,趙軍.一道變壓器高考題的“其然”和“所以然”[J].物理教師,2016,(7):84-85.

[2] 趙凱華,陳熙謀.電磁學(下冊)[M].北京:高等教育出版社，2004:659-660.