物理試題情境必須真實
——談“日字形”鐵芯變壓器

馬俊杰 石小明

（1.丹陽市教師發展中心，江蘇 丹陽 212300；2.江蘇省丹陽高級中學，江蘇 丹陽 212300）

物理學是一門基于觀察與實驗、運用相關模型和數學工具進行推理和論證的自然科學.實驗和理論推導兩者相輔相成，實驗現象建構出相應的理論，理論必須由實驗來驗證.一些理論上推導可行的，但是在實際情境中，由于一些實際應用與理論情況有微小差別，也會帶來結果的不同，因此一些物理試題情境的建立，必須要經過真實的實驗來驗證.下面就用一道例題來進行說明.

例題.在繞制變壓器時，某人誤將兩個線圈繞在圖1所示變壓器鐵芯的左右兩個臂上，當通以變變電流時，每個線圈產生的磁通量只有一半通過另一個線圈；另一半通過中間的臂.已知線圈1、2的匝數之比N1∶N2=2∶1，若輸入端接入電壓有效值為220V交變電流，下述說法中正確的是

圖1

（A）線圈1為輸入端，線圈2接55Ω電阻，電阻熱功率為55W.

（B）線圈1為輸入端，線圈2接10μF電容，電容耐壓值為55V.

（C）線圈2為輸入端，線圈1接55Ω電阻，電阻熱功率為220W.

（D）線圈2為輸入端，線圈1接10μF電容，電容耐壓值為 2 20V.

這一例題提供的參考答案是（A）、（D）（解答過程略），該答案是否正確，我們可以通過實驗來進行驗證.為了更好地探究日字型變壓器多磁路磁通量的分配關系，筆者特制作了一款實驗器材進行探索，圖2是實驗裝置的電路原理圖（圖中電阻數值單位為Ω）.

圖2 電路原理圖

圖3是實驗器材的安裝示意圖.

圖3 安裝示意圖

器材的材料包括：舌寬24cm，疊厚30cm的鐵芯一個，并用0.89mm的漆包線在中間的鐵芯上繞600匝，300處抽頭，兩邊的鐵芯上各繞300匝，組成日字型變壓器；10V交流電壓表2個；250mA交流電流表2個；500型多用電表用轉換開關兩個；5Ω3W電阻9只；0.5Ω5W電阻2只；j1202高中學生電源1個；接線柱6個.

上述器材按照圖3所示，將所有器件安裝在一塊面板上，再按圖2將電路連接起來，實驗裝置如圖4所示.

圖4 實驗裝置圖

表1-表3是實驗測得的數據.

表1 （從中間600匝繞組輸入交流16V）

表2 （從一邊300匝繞組輸入交流8V，負載1接中間繞組300匝）

表3 （從一邊300匝輸入，中間和另一邊300匝輸出）用數字多用電表測得

實驗結論：

（1）3個表格中，表1、表2兩輸出的和與變比有一定差距，其原因是機械表內阻比數字表小，且誤差大.另外兩輸出接負載時電流表的接入和線圈的電阻對輸出電壓都有影響.表3中的各組數據基本符合變壓器的變比規律.

（2）從表1、表2第1組數據中可發現空載時磁路的磁阻對兩輸出有影響.表1兩邊都是3.2V，表2的中間是4.4V，邊上是2.0V.

（3）從表1、表2第2、3組數據中可發現輸出的一邊空載，另一邊負載的變化對兩邊輸出電壓無影響.

（4）從表1、表2第4、5、6、7組數據中可發現兩邊負載互相交換，負載的電壓也跟著互換，但兩負載中的電流始終保持一致.

（5）從表1、表2第8、9組數據中可發現兩邊總負載一樣，雖然兩負載上的電壓不同，但是兩邊負載中的電流仍然保持一致.

（6）從表1、表2第10組數據中可發現兩邊總負載減小，則兩負載上的電流同時增大.

綜上所述，日字型變壓器無論是從中間的繞組輸入還是從邊上的繞組輸入，其實驗的結果是一致的.雖然兩組輸出在外接電路上沒有任何的聯系，但是從實驗數據中可以看出兩組輸出呈現了串聯電路的特性.是誰在中間讓它們串在一起的，那就是鐵芯中變化的磁通量（交變磁通）.

圖5

在兩輸出接相同負載或空載時，輸入線圈中的磁通量在兩輸出中平均分配，見圖5（a）.因此兩輸出電壓相等.

在一個輸出端接負載時，接負載的次級線圈中13mA的電流能生成反感電動勢產生與原磁通相反的磁通，將原磁通量絕大部分排斥到空載的一邊，見圖5（b）.因此空載一邊的輸出電壓便是兩輸出都是空載時的一倍.

在兩輸出接不同負載時，兩輸出電流產生的反向磁通就會不同（雖然電流一樣），負載小的對原磁通阻作用礙大，負載大的對原磁通阻礙作用小，見圖5（c）.因此負載大的（電阻小）輸出端電壓低，負載小的（電阻大）輸出端電壓高.

另外根據變壓器的工作原理得知，輸出電流對原磁通產生影響時，原線圈中會增加電流來抵消輸出電流對原磁通的影響，使磁路中磁通達到原有的平衡（原磁通量不會改變，只是左右分配多少而已）.

如果兩輸出繞組的匝數不同，則空載時兩輸出，匝數多的電壓高，匝數少的電壓低.但兩輸出必須都接負載時才能有電流.接相同負載時匝數少的一邊反而比匝數多的一邊電壓高.這都是原變化磁通受外接電路影響造成的（匝數越多反電動勢越高）.

通過實驗你會發現高中試卷中有關日字型變壓器方面的試題的標準答案，或多或少都有問題，使學生產生一些錯誤認識.希望大家看到這個實驗，對日字型變壓器多磁路磁通量的分配關系有一個全新認識.

通過上述實驗及分析，我們可以看出，試題中（A）（B）（C）選項都是錯誤的，只有（D）選項才是正確的.因為中間鐵芯上無線圈，等同于空載.根據本實驗表2中2、3組數據可知，（A）選項的電阻熱功率為0W.電路中接負載的情況和不接負載的情況還是不一樣的，不進行實驗很難發現這一情況.因此一些物理試題的情境必須來自真實的實驗，試題的設計不能想當然.