高中物理中變壓器教學(xué)探究

勞賢修

【摘 要】本文比較系統(tǒng)地講解變壓器的原理與特征，提醒教師在變壓器教學(xué)中要注意的問題：讓學(xué)生了解變壓器的工作原理，明白變壓器不僅對(duì)交流電工作，對(duì)一般直流電也能工作；讓學(xué)生理解變壓器不能改變交流電的表征量，知道變壓器工作時(shí)原線圈不是短路；讓學(xué)生掌握公式 和 的適用條件，知道輸入電流、輸入功率由輸出的負(fù)載決定。

【關(guān)鍵詞】變壓器 電磁學(xué) 工作原理 交流電

【中圖分類號(hào)】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2018）06B-0108-02

變壓器是高中電磁學(xué)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，在高考中也經(jīng)常會(huì)有相關(guān)知識(shí)出現(xiàn)。因此，作為高中物理教師，特別是高三物理教師應(yīng)該格外重視該內(nèi)容的教學(xué)，讓學(xué)生在高考復(fù)習(xí)中不丟失這一塊的“重要領(lǐng)域”。在高中物理教學(xué)中講授的變壓器，通常指的是理想變壓器，其由閉合鐵芯和原、副線圈組成，可以改變交流電的電壓，忽略變壓器的磁漏，認(rèn)為穿過原線圈每一匝的磁通量，與穿過副線圈的磁通量總是相等的，不考慮過程中的能量損失。對(duì)于變壓器教學(xué)，教師需要注意幾個(gè)問題：

一是讓學(xué)生了解變壓器的工作原理

我們知道，變壓器的原、副線圈有共同的鐵芯，這就使得穿過它們的磁通量和磁通量的變化時(shí)刻都是相同的。同時(shí)，變壓器的原、副線圈中因有交變電流而發(fā)生互感現(xiàn)象，使得電能可以通過磁場(chǎng)從原線圈到達(dá)副線圈。由于原、副線圈中的電流共同產(chǎn)生的磁通量是相同的，因而這兩個(gè)線圈的每匝產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相等。因此，教學(xué)這一內(nèi)容時(shí)，教師要讓學(xué)生先了解變壓器的這些工作原理，再引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)變壓比公式—— 原、副線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小分別為：，，由此可得 。

這樣，學(xué)生就能根據(jù)自感現(xiàn)象，了解到原線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) E1 起阻礙電流變化的作用，跟加在原線圈兩端電壓 U1 的作用相反，且電阻很小，故有 E1=U1。而副線圈相當(dāng)于一個(gè)電源，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) E2 相當(dāng)于電源的電動(dòng)勢(shì)，內(nèi)阻很小，有 E2=U2，故 。這樣引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行公式推導(dǎo)，學(xué)生就會(huì)自然地從能量角度看變壓器，知道它不能產(chǎn)生電能，它只是通過交變磁場(chǎng)傳輸電能。

二是讓學(xué)生明白變壓器不僅對(duì)交流電工作，對(duì)一般直流電也能工作

在變壓器的原線圈中通入交流電時(shí)，鐵芯中會(huì)產(chǎn)生變化磁場(chǎng)，副線圈中將產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，能對(duì)外供電。所以，教學(xué)中教師要向?qū)W生格外強(qiáng)調(diào)，當(dāng)變壓器原線圈中通入一般直流電（如脈動(dòng)直流電）時(shí)，雖然脈動(dòng)直流電方向沒有變化，但其大小發(fā)生變化，使得副線圈中能夠產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，因此能對(duì)外供電，并且所產(chǎn)生的感生電流為交流電。只有當(dāng)原線圈中通入恒定電流這種特殊直流電時(shí)，因電流大小和方向都恒定不變，鐵芯中的磁場(chǎng)是穩(wěn)定的，副線圈中的磁通量沒有發(fā)生改變，所以才沒有感生電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，不能對(duì)外供電，變壓器不工作。

三是讓學(xué)生理解變壓器不能改變交流電的表征量

變壓器可以改變交流電的最大值、有效值初相。但由于原、副線圈中的電流在鐵芯中共同產(chǎn)生的磁通量的變化快慢時(shí)刻都相同，因此副線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化也就相同，所以不能改變交流電的周期和頻率。如一個(gè)周期為 0.02 秒、頻率為 50 赫茲的正弦交流電，在經(jīng)過變壓器變壓之后，輸出的交流電周期、頻率仍然分別為 0.02 秒、50 赫茲，并且波形仍為正弦波。

四是讓學(xué)生知道變壓器工作時(shí)原線圈不是短路

變壓器正常工作時(shí)，變壓器的原線圈直接接在交流電源兩端。雖然原線圈的直流電阻很小，但接在交流電源中并不能看成是短路。可以簡單地解釋為：原線圈通入交流電后會(huì)產(chǎn)生感抗，對(duì)交流電有阻礙作用，這就相當(dāng)于是給原線圈接入了負(fù)載。感抗的實(shí)質(zhì)是原線圈通入變化的交流電時(shí)，由于線圈的自感作用，線圈將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)自感電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)自感電動(dòng)勢(shì)會(huì)阻礙電路中電流的變化，從而使電路中不可能產(chǎn)生過高的電流，這樣就不會(huì)導(dǎo)致短路了。

五是讓學(xué)生掌握公式 和 的適用條件

當(dāng)變壓器只有一個(gè)副線圈時(shí)，以上兩公式都成立。公式中的 U 和 I 通常指交流電壓、電流的有效值，但也可以是交流電的最大值。如果變壓器同時(shí)存在多個(gè)副線圈時(shí)，公式 仍然成立，可擴(kuò)充為 U1∶U2∶U3∶…=n1∶n2∶n3∶…，而公式 不再成立。此時(shí)，根據(jù)能量守恒 P入=P出 可得 I1U1=I2U2+I3U3+…，從而推得 n1I1=n2I2+n3I3+…，故當(dāng)變壓器存在多個(gè)副線圈時(shí)，原、副線圈中電流關(guān)系為：n1I1=n2I2+n3I3+…。

六是讓學(xué)生知道輸入電流、輸入功率由輸出的負(fù)載決定

當(dāng)變壓器的原副線圈匝數(shù) n1，n2 及輸入電壓 U1 確定后，輸出電壓 U2 也就確定了。根據(jù)能量守恒 P入=P出 可得 ，即 ，由此可知輸入電流 I1 是由負(fù)載 R外 決定的。當(dāng) U2 兩端空載，即 R外 取 ∞ 時(shí)，輸入電流 I1=0（現(xiàn)實(shí)中 I1 不可能為零）；當(dāng) U2 兩端短路，即 R外=0時(shí)，輸入電流 I1 達(dá)到 ∞，如這樣長時(shí)間工作，那么變壓器就會(huì)燒壞。由此，也可得到 ，因輸入電壓 U1 和輸出電壓 U2 已確定，故 P入 隨著 R外 的減小而增大，隨著 R外 的增大而減小。也因?yàn)?，所以也可知是輸出功率 P出 決定輸入功率 P入。

教師如果在教學(xué)變壓器的過程中注意以上幾個(gè)問題，就有助于學(xué)生更好地了解變壓器，以及掌握變壓器的相關(guān)知識(shí)。

總而言之，在高中物理教學(xué)中，我們要通過備好課把每一節(jié)課的重難點(diǎn)吃透，要做到心里有數(shù)，這樣才能合理安排時(shí)間，由易到難、深入淺出地講解。同時(shí)，教師要引導(dǎo)學(xué)生對(duì)要點(diǎn)問題多作橫向、縱向聯(lián)系，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)發(fā)現(xiàn)和思考問題，增加學(xué)生的思維活動(dòng)量，使學(xué)生的思維不斷深化，從而領(lǐng)會(huì)和掌握物理知識(shí)。

（責(zé)編 盧建龍）