對(duì)變壓器演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和拓展

丁佐建

（江蘇省常州市第一中學(xué)，江蘇 常州 213000）

人教版高中物理3-2教材第5章第4節(jié)“變壓器”中的“思考與討論”中有一實(shí)驗(yàn)：演示變壓器對(duì)交流電的作用，教材給出如圖1參考電路圖，筆者在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，此實(shí)驗(yàn)有拓展和改進(jìn)的空間.

圖1

1 問題與改進(jìn)

電路圖顯示，實(shí)驗(yàn)使用的學(xué)生電源有交、直流兩種輸出，要求學(xué)生思考和討論“一個(gè)線圈連到交流電源的兩端，另一個(gè)線圈連到小燈泡上，小燈泡可能發(fā)光嗎？”演示得到肯定結(jié)果后，學(xué)生必然會(huì)形成與上述成鮮明對(duì)比的“變壓器對(duì)穩(wěn)恒電流是否有類似的作用呢？”這樣的疑問.

教材給出兩種輸出的電源，編撰者也就是為教師演示留有發(fā)揮的余地——只要改接一下電源的輸出端，就能因電流的不同而形成迥然不同的效果，不但會(huì)給學(xué)生留下深刻的印象，還能很自然地引導(dǎo)學(xué)生深層次地思考變壓器的工作原理.部分教師在授課時(shí)可能也是如此操作.

但利用上述電路圖直接演示變壓器對(duì)穩(wěn)恒電流的作用，看似只需簡(jiǎn)單地將原線圈改接到穩(wěn)恒直流電源上，但一個(gè)細(xì)節(jié)卻不容忽視.如果先斷開學(xué)生電源，待原線圈改接到直流電源后，合上電源開關(guān)，則會(huì)在合上開關(guān)的一瞬間，燈泡出現(xiàn)一次閃爍，開關(guān)斷開的一瞬間，小燈泡也會(huì)出現(xiàn)一次閃爍.這是因?yàn)?，原線圈中穩(wěn)恒電流的建立或消失需要一段時(shí)間（較短），鐵芯中的磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，由于時(shí)間較短，在副線圈中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)峰值較大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流脈沖，如果學(xué)生觀察到閃爍現(xiàn)象，而教師不加解釋，會(huì)以為變壓器對(duì)穩(wěn)恒電流也起到了某種作用，適得其反.如果先拆除副線圈和小燈泡的連接，把原線圈從交流電源改接到直流電源輸出端，接通原線圈電路，電流穩(wěn)定后再將副線圈與小燈泡連接好，這時(shí)小燈泡不會(huì)發(fā)生閃爍，表明了變壓器不能傳輸穩(wěn)恒電流的特征，達(dá)到了演示目的，很明顯操作繁瑣，尤其是在原線圈通路穩(wěn)定的情況下“再將副線圈和小燈泡連接好”，從電工學(xué)的角度講有“帶電操作”的嫌疑，有違電工學(xué)操作規(guī)范（當(dāng)然本實(shí)驗(yàn)沒有危險(xiǎn)），會(huì)對(duì)學(xué)生會(huì)產(chǎn)生潛移默化的不良影響.

如何改進(jìn)呢？筆者認(rèn)為很簡(jiǎn)單，按照電工學(xué)對(duì)電路和操作的要求，在原、副線圈回路中各接上開關(guān)S1和S2，如圖2所示.

圖2

演示變壓器對(duì)穩(wěn)恒電流作用，其流程如下：斷開S1和S2，改接好相關(guān)電路后，先將電源開關(guān)和S1閉合，再閉合S2，燈泡不亮，目標(biāo)達(dá)成.

有教師可能會(huì)質(zhì)疑S1存在的必要性，認(rèn)為學(xué)生電源的自帶開關(guān)能夠滿足實(shí)驗(yàn)的要求.其實(shí)S1的存在不只是為了滿足電路的規(guī)范要求，更重要的是能為實(shí)驗(yàn)的后續(xù)拓展服務(wù).

2 拓展與思索

講完變壓器工作原理后，我們可以再次利用如圖2電路圖進(jìn)行如下的實(shí)驗(yàn)拓展操作和相關(guān)問題的設(shè)問，以深化學(xué)生對(duì)變壓器原理的理解.

（1）在S2合上的狀態(tài)下，合上S1讓學(xué)生觀察并思索小燈泡閃爍的原因（傳統(tǒng)“千人震”實(shí)驗(yàn)的原理）.

（2）在S2合上的狀態(tài)下，斷開S1讓學(xué)生觀察并思考小燈泡也能閃爍的能量來(lái)源（這是說明磁場(chǎng)具有能量的極好事例）.

（3）讓學(xué)生思索：小燈泡的閃爍不是特別明亮的原因（不是電流小，其實(shí)感應(yīng)電流脈沖的峰值很大，只是持續(xù)時(shí)間短，能量少，不足以使燈絲升高至較高溫度并維持一段時(shí)間.此問題對(duì)學(xué)生而言有難度）.

（4）讓學(xué)生思索：如何讓小燈泡的閃爍更亮、更持續(xù)、更穩(wěn)定（改變?cè)褦?shù)比的效果不明顯，必須快速地、連續(xù)地通斷開關(guān)S1，通斷的頻率越高，燈泡越亮、越穩(wěn)定，人眼甚至感覺不到閃爍，達(dá)到與交流電源同樣的發(fā)光效果，這是因?yàn)楦袘?yīng)電流脈沖之間的時(shí)間間隔小，燈絲熱量散失慢，溫度可以上升并維持在較高值.最好讓學(xué)生自己動(dòng)手操作和實(shí)踐，其操作效果非常明顯、動(dòng)感十足、課堂氛圍極度高漲）.

（5）讓學(xué)生思索：上述現(xiàn)象是否說明變壓器對(duì)穩(wěn)恒電流起到了傳送作用？（答案是否定的，而是進(jìn)一步說明：只要原線圈的電流發(fā)生變化，即使不是交流電，副線圈也一定能產(chǎn)生感應(yīng)電流）.

以上是筆者在教學(xué)實(shí)踐中的一點(diǎn)啟發(fā)，建議教材編撰者從電工學(xué)的規(guī)范要求和挖掘?qū)嶒?yàn)潛能的角度出發(fā)，在原副線圈回路中各加上一開關(guān)，不當(dāng)處請(qǐng)指正.

1 梁原.活用可拆變壓器 補(bǔ)充課堂演示實(shí)驗(yàn)［J］.物理教師，2004（1）：31.