以變壓器為例探索遞進式實驗教學

陳 輝

(永康市第一中學 浙江 金華 321300)

1 課堂實驗建模教學現狀

在日常課堂教學中，一碰到耗時久、數據多、誤差大的演示實驗，大部分教師認為在應試教育的背景下花大半節甚至整節課時間做實驗，既得不到這節課的核心規律，影響教學進度，面對誤差離譜的實驗結果又不知如何處理，也不想浪費時間向學生解釋，最終還不如理論演算一番直接拿出結果豈不輕松快捷！

實際教學策略往往如下：先將演示實驗實物展示一下，不做實驗接著馬上用理論推導，直接拿出本堂課要學的理想化模型．根據之前的知識儲備學生能聽懂，但這樣一來，教學徹底與實驗脫節，完全違背物理的教學規律：以實驗為基礎，以現象為準線，以學生為主體，層層建模，一步一步去除次要因素，抓住事物主要因素，建立理想化模型，學習物理規律，應用規律．這樣的教學方式根本沒能激發學生對物理的學習興趣，培養學生分析解決問題能力，提升學生科學素養的教學目標更無從談起，長此以往，失去物理學習意義！

只有讓學生心里真真切切地理解一個個理想化模型，才有興趣學物理，才能學好物理，特將前些時候課堂中嘗試的變壓器遞進式實驗建模教學環節加以整理，希望對當前的課堂教學模式有些裨益．

2 原變壓器課堂實驗建模教學

教師往往先將教學用變壓器的實物和圖片展示一下，然后用法拉第電磁感應定律推導

再忽略鐵損、銅損(P1=P2)，得

最后得到理想變壓器模型．這純粹是一節理論教學課，教師考慮到實驗誤差大，與理論推導結果相去甚遠，課堂演示實驗能不做盡量不做，重理論推導輕實驗觀察，這種本末倒置的做法不可取．

3 變壓器遞進式實驗建模教學設計

教學流程圖如圖1所示.

圖1 教學流程

【遞進式實驗一】

教師：手頭有鐵芯、200匝線圈、帶40匝線圈的小燈泡、學生電源，如何在不給小燈泡通電的情況下使其發光？

學生：將40匝線圈和200匝線圈分別套到兩邊的鐵芯上，200匝線圈接學生電源.

教師：為什么發光？它們都沒有直接接觸，理論依據是什么？

學生：電磁感應中的互感原理.

教師：直流電行嗎？

學生：交流電產生變化的磁場，鐵芯導磁將能量傳輸給小燈泡.而直流電產生恒定的磁場，沒有磁感應現象.

演示：右側鐵芯200匝線圈，接12 V交流電壓，左側鐵芯40匝線圈，打開開關，小燈炮發光，確如學生所說．實驗如圖2所示.

(a)

(b)

【遞進式實驗二】

教師：小燈泡不僅發光，還實現了降壓，這個原理在生產生活中的用處太大了，可以做什么用？生活中哪個裝置就是這個功能？

學生：變壓器.

教師：對，大到居民社區的變壓器，小到手機充電器，都是這個原理．怎樣才能得到我們所需要的電壓？ 和什么有關？

學生：線圈匝數.

教師：采用控制變量法，實驗如圖3所示.

(a)

(b)

(c)

原線圈、副線圈都用漆包線課堂面對學生臨時繞制．

步驟一：用漆包銅線在紙筒上繞50匝作為原線圈，套在回字鐵芯的右邊，銅線兩端用摩沙紙去掉漆皮接到學生電源交流4 V.

步驟二：用漆包銅線在紙筒上繞40匝作為副線圈，套在回字鐵芯的左邊，兩端用磨沙紙去掉漆皮接教學電壓表．

步驟三：鐵芯不閉合，打開電源開關，叫學生讀電壓，發現幾乎沒有示數，什么原因？

學生回答漏磁嚴重．

步驟四：閉合鐵芯，重新做上述實驗，叫學生讀電壓，填入表格.

步驟五：副線圈在原來40匝的基礎上繼續接著繞銅導線，學生幫忙邊數邊繞，一直到60匝，將該位置用沙紙磨掉包漆作為接口接電壓表，閉合鐵芯，打開電源，仍叫學生讀數，記錄數據；同理，再接著繞，直到副線圈達80匝，記錄數據，填入表1．

教師：請同學分析表格中的數據，找出規律.

數據如表1所示.

表1 原線圈匝數50匝不變，改變副線圈匝數

副線圈輸出電壓U2與副線圈匝數n2的關系曲線,如圖4所示.

圖4 副線圈輸出電壓U2與副線圈匝數n2的關系曲線

學生：變壓器的輸出電壓和副線圈的匝數成正比.

教師：對，變壓器的輸出電壓和副線圈的匝數成正比；同理，接下來我們做另一個實驗：副線圈匝數不變，原線圈匝數依次改變，得到副線圈輸出電壓與原線圈匝數成反比，如表2所示.

表2 副線圈匝數50匝不變，改變原線圈匝數

輸出電壓U2與原線圈匝數n1的關系曲線,如圖5所示.

圖5 輸出電壓U2與原線圈匝數n1的關系曲線

教師：綜上兩次數據，U1，U2，n1，n2之間又有什么關系？請學生閱讀課本理論推導找結論．

教師：實驗數據和理論公式不吻合，什么原因？

學生：漏磁嚴重，鐵芯里渦流能量損失較大．

【遞進式實驗三】

教師：如圖6所示，用教學用變壓器演示，原副線圈都有200匝、800匝、1 400匝、1 400匝供選擇，分別接學生電源和電壓表，再用控制變量法記錄輸入電壓與輸出電壓，再計算電壓之比與匝數之比情況．

圖6 用教學變壓器演示

原線圈匝數不變，副線圈匝數變，數據如表3所示.

表3 原線圈匝數1 400匝不變，改變副線圈匝數

輸出電壓U2與副線圈匝數n2的關系曲線，如圖7所示.

圖7 輸出電壓U2與副線圈匝數n2的關系曲線

學生：原線圈匝數不變，副線圈匝數變時教學用變壓器和手工纏繞式變壓器相比，電壓之比與匝數之比接近很多，但還是不相等．

副線圈匝數不變，原線圈匝數改變，數據如表4所示.

表4 副線圈匝數800匝不變，改變原線圈匝數

輸出電壓U2與原線圈匝數n1的關系曲線,如圖8所示.

圖8 輸出電壓U2與原線圈匝數n1的關系曲線

學生：原線圈匝數不變，副線圈匝數變時教學用變壓器和手工纏繞式變壓器相比，電壓之比與匝數之比接近很多，但還是不相等．

教師：原因是什么？

學生：鐵芯漏磁、渦流、線圈銅損不可能完全消除．

【遞進式實驗四】

教師：展示生活用的變壓器圖片、視頻，實際應用中往往通過下列方法來減少磁損、鐵損、銅損[1]：

(1)采用高導磁硅鋼片和非晶合金片；

(2)減少工藝系數；

(3)改進鐵心結構；

(4)減少鐵心窗口尺寸；

(5)設計無共振鐵心[2]；

(6)采用卷鐵心變壓器和立體鐵心變壓器．

即使這樣，鐵芯漏磁、渦流、線圈銅損還是有影響．還有待技術的提升進一步減少能量損失．作為課堂學習，可以認為沒有能量損失，結果如何？

學生：在不考慮能量損失情況下，可認為

P1=P2

教師：抓住研究對象的主要因素，逐步忽略次要因素，是我們學習物理非常重要的基礎思想方法，這就是我們今天要學習的理想化模型：理想變壓器．

4 遞進式實驗建模教學的積極意義

(1)改變教師主體，學生被迫接受的教學模式，體現新課改教學理念：教師引導，學生為主體，積極開動思維，提煉理想變壓器模型，總結規律．

(2)實驗展示，問題提問，學生活動事先層層遞進式設計，形成案例．教師上變壓器這堂課時有范例可循，對高效課堂有裨益．

(3)遞進式實驗教學研究能促進物理創新實驗開發，除了教科書里的基本實驗，我們還制作出了許多現象更新奇，更明顯，實驗數據更精確的實驗，豐富促進課堂教學．既可當作對課堂演示實驗的補充，又能激發起學生的學習熱情，積極投入到物理的學習中．

(4)除了學好變壓器這個理想化模型，教師還應多思考課后能給學生留下什么？新奇、趣味、印象深刻，思維習慣的養成，科學素養的提升．若干年后知識早已忘記，課堂中的新奇實驗，快樂場景歷歷在目，學習過程中養成的思維品質終生受用，這是遞進式實驗教學的意義所在．