《變壓器》教學(xué)中理想化模型的建立

秦文元

我們?cè)谔幚砦锢韱?wèn)題時(shí)，為了便于研究，往往會(huì)舍棄非本質(zhì)的次要因素，抓住對(duì)所要研究問(wèn)題起主要作用的因素，建立理想化的物理模型，簡(jiǎn)稱理想模型。理想化方法是研究物理問(wèn)題的重要思想方法。

在高中物理學(xué)習(xí)中我們已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)的理想模型有質(zhì)點(diǎn)、單擺、理想氣體、點(diǎn)電荷、點(diǎn)光源、光滑曲面等。例如，我們現(xiàn)在使用的教材中關(guān)于《變壓器》的一節(jié)，在現(xiàn)行教材中給出的兩個(gè)等式只適用于理想變壓器，教材在“什么樣的變壓器才是理想變壓器”這個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題上用“這種忽略原、副線圈的電阻和各種電磁能量損失的變壓器，稱為理想變壓器”這樣的一句話就把這個(gè)問(wèn)題給避過(guò)去了，并沒(méi)有提出變壓器的理想化條件，建立理想模型。教材中提出變壓器的理想模型就是因?yàn)閷?shí)際變壓器在工作時(shí)存在能量損失而且只有理想變壓器的電壓、電流和匝數(shù)才能夠滿足后面經(jīng)過(guò)推導(dǎo)得出的結(jié)論。如果沒(méi)有任何過(guò)渡而突然地引入變壓器的理想化模型，不但會(huì)使教學(xué)環(huán)節(jié)銜接不自然，而且可能會(huì)導(dǎo)致學(xué)生對(duì)關(guān)系式應(yīng)用條件的認(rèn)識(shí)模糊，對(duì)能量損失的原因一知半解，不利于知識(shí)的拓展。通過(guò)在一線的教學(xué)實(shí)踐與不斷探索中我總結(jié)出，突出變壓器的理想化模型，應(yīng)是處理本節(jié)教學(xué)內(nèi)容所遵循的基本原則，明確“理想變壓器”的概念遠(yuǎn)遠(yuǎn)比含糊其辭要好。

因此，在教學(xué)這部分內(nèi)容時(shí)，在引入新課后，在分析變壓器的工作原理基礎(chǔ)之后，教師應(yīng)該以能量的轉(zhuǎn)化和傳輸為核心，引導(dǎo)學(xué)生分析變壓器傳輸電能時(shí)因各種原因而產(chǎn)生的電能損耗。為了體現(xiàn)這一點(diǎn)，我在教學(xué)時(shí)設(shè)計(jì)了如下教學(xué)過(guò)程：

老師：若使變壓器中的鐵芯不閉合或撤去鐵芯，副線圈是否還會(huì)產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象？

學(xué)生：原線圈中的磁通量仍有部分通過(guò)副線圈，當(dāng)磁通量變化時(shí)還會(huì)發(fā)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象。

老師：既然這樣，為什么還說(shuō)鐵芯是變壓器的重要組成部分？

演示實(shí)驗(yàn) 使可拆變壓器的鐵芯由不閉合到閉合，如圖所示：可以觀察到接在副線圈兩端的小燈泡亮度從較暗到正常發(fā)光。

原因分析：若無(wú)鐵芯或鐵芯不閉合時(shí)，原線圈中的磁感線只有一小部分貫穿副線圈，大部分漏失在外，有了閉合鐵芯，由于鐵芯被磁化，絕大部分磁感線集中在鐵芯內(nèi)部而貫穿副線圈，大大地增強(qiáng)了變壓器傳輸電能的作用。

老師：可見(jiàn)，漏失的磁感線不能起到傳輸電能的作用。有了閉合鐵芯后，漏失的磁感線大大減少，但能完全避免漏失嗎？

學(xué)生：不能，仍然會(huì)有一小部分磁感線漏失在周圍空間。

老師：因此，變壓器副線圈輸出的電能比原線圈輸入的電能小。實(shí)際變壓器工作時(shí)，除了因漏磁而損耗電能外，還有哪些方面的原因也會(huì)引起電能損耗呢？

先留出時(shí)間讓學(xué)生思考，鼓勵(lì)學(xué)生提出猜想，再讓一位學(xué)生用手觸摸工作后的變壓器線圈和鐵芯，并說(shuō)出觸摸的感覺(jué)。

學(xué)生：由于原副線圈有電阻，電流通過(guò)時(shí)要發(fā)熱；鐵芯在反復(fù)磁化時(shí)也要發(fā)熱，都要損耗電能。

老師：變壓器工作時(shí)，能量損失主要有哪幾個(gè)方面？

學(xué)生自己歸納后得出：（1）原副線圈的電阻發(fā)熱；（2）磁感線漏失；（3）鐵芯發(fā)熱。

老師：完全正確，實(shí)際變壓器工作時(shí)，有很小的功率損耗，功率損耗的形式有三種：銅損、鐵損和磁損。（1）銅損：雖然銅導(dǎo)線的電阻很小，但是當(dāng)變壓器工作時(shí)，有電流通過(guò)線圈，線圈中仍然會(huì)有熱量產(chǎn)生，導(dǎo)致能量損耗，這種損耗叫銅損；（2）鐵損：當(dāng)原副線圈中有交變電流通過(guò)時(shí)，在鐵芯中產(chǎn)生交變磁通量，鐵芯中就會(huì)因電磁感應(yīng)而產(chǎn)生渦流，使鐵芯發(fā)熱而導(dǎo)致能量損耗，這種在鐵芯中損失的能量叫鐵損。為了減少鐵損，變壓器鐵芯常用涂有絕緣漆的薄硅鋼片疊壓制成，使渦流被限制在狹窄的薄片之間，回路電阻增大，渦流大為減弱，從而減少了鐵損；（3）磁損：變壓器工作時(shí)，原副線圈產(chǎn)生的交變磁通量絕大多數(shù)通過(guò)鐵芯，但也有很少一部分磁通量從線圈匝與匝之間漏掉，即有漏磁，這就使得通過(guò)原副線圈的磁通量并不相等，這漏掉的磁通量會(huì)在周圍空間形成電磁波而損失一部分能量，這種損耗叫磁損。

現(xiàn)在，由于在材料和技術(shù)上采取了許多有效措施，實(shí)際變壓器在工作時(shí)，損失的能量雖然有三種途徑，但損失的能量只占輸入能量很小的一部分，特別是大型變壓器，效率可以達(dá)到97%～99%，電能損耗很少。因此，我們可以忽略電能的損耗，建立理想化的物理模型：這樣一種完全沒(méi)有能量損耗的變壓器，我們稱它為理想變壓器。

教學(xué)中，我們弄清了變壓器工作時(shí)產(chǎn)生能量損失的各種因素，通過(guò)分清主次，并突出主導(dǎo)因素，建立了理想變壓器的模型。后面的教學(xué)中就以理想變壓器為對(duì)象，進(jìn)一步研究其工作特性和變壓規(guī)律。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析導(dǎo)出理想變壓器原副線圈的功率關(guān)系、電壓關(guān)系和電流關(guān)系。經(jīng)過(guò)這樣處理后，我的教學(xué)思路嚴(yán)謹(jǐn)清晰，教學(xué)過(guò)程自然流暢，不僅能夠使學(xué)生準(zhǔn)確地理解理想變壓器的工作原理和工作特性，而且還能使學(xué)生再次學(xué)習(xí)建立物理模型的方法，有利于提高學(xué)生的分析概括能力。

注：本文系2018年甘肅省教育科學(xué)規(guī)劃課題《崆峒區(qū)高中物理實(shí)驗(yàn)資源利用現(xiàn)狀調(diào)查及厲行節(jié)約策略研究》成果，課題立項(xiàng)號(hào)：GS[2018]GHB2916）。

編輯 高 瓊