可拆式變壓器的秘密

馬馳

摘 ? 要：可拆式變壓器有拆卸方便、多組線圈的特點(diǎn)，利用它探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數(shù)的關(guān)系的教學(xué)中，筆者發(fā)現(xiàn)了可拆式變壓器存在的“秘密”。課后，經(jīng)過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)剖析發(fā)現(xiàn)是儀器問(wèn)題導(dǎo)致的假實(shí)驗(yàn)，提出了避免假實(shí)驗(yàn)的幾點(diǎn)建議。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);可拆式變壓器;假實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-6148（2019）5-0053-3

在信息化和智能化的時(shí)代，物理知識(shí)和技能的學(xué)習(xí)已不再是單向的傳輸，而是變?yōu)轶w驗(yàn)、合作和探究，即培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。物理學(xué)科的核心素養(yǎng)主要由“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個(gè)方面的要素構(gòu)成。其中，“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”主要指對(duì)待科學(xué)的態(tài)度與價(jià)值觀，包括能正確認(rèn)識(shí)科學(xué)的本質(zhì)，具有學(xué)習(xí)和研究物理的好奇心與求知欲，能主動(dòng)與他人合作，實(shí)事求是，不迷信權(quán)威，具有保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任感等。

但是，在高中物理課堂中，也會(huì)出現(xiàn)一些假實(shí)驗(yàn)、假現(xiàn)象。有些似乎很“完美”的實(shí)驗(yàn)，常常是由于儀器供應(yīng)商的實(shí)驗(yàn)器材數(shù)據(jù)與實(shí)際不符而導(dǎo)致的。

1 ? ?驚人發(fā)現(xiàn)

在人教版選修3-2和選修1-1中都有《變壓器》一節(jié)，在“探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數(shù)的關(guān)系”時(shí)，變壓器實(shí)驗(yàn)是必做的演示實(shí)驗(yàn)。筆者發(fā)現(xiàn)，新到的一批可拆式變壓器實(shí)驗(yàn)效果非常好，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常完美，非常接近“理想變壓器”（如圖1）。感嘆現(xiàn)在的變壓器技術(shù)進(jìn)步不少，但心存疑惑：一個(gè)實(shí)際的變壓器由于銅損、鐵損、磁損，效率不可能達(dá)到100%。光考慮磁損，可拆式變壓器就比固定變壓器的電壓損失大一些，這批可拆式變壓器真的能做到電壓損失這么小，甚至做到幾乎為零嗎？

將變壓器接入電路中測(cè)量，得到數(shù)據(jù)如表1。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：用這批變壓器做的實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常理想，比以前的變壓器電壓損失小很多。如果把原、副線圈互換一下，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否也這么理想？于是，試著將原、副線圈調(diào)換，再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2。

將變壓器在原、副線圈互換前后得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，求出平均電壓損失，如表3。

從上表不難看出，變壓器在原、副線圈互換前，平均電壓損失很小，非常接近理想變壓器，但在原、副線圈互換后，平均電壓損失明顯增大。這點(diǎn)令人十分吃驚。

2 ? ?尋找真相

可拆式變壓器的組成部分只是閉合鐵芯和線圈，理論上說(shuō)，在不超過(guò)線圈的額定電流的前提下，將原、副線圈互換是完全可以的。是什么原因?qū)е铝嘶Q前后巨大的差別？最大疑點(diǎn)集中在了線圈實(shí)際匝數(shù)上。將新變壓器兩個(gè)線圈拆開(kāi)，數(shù)了其中幾組匝數(shù)發(fā)現(xiàn)，果然內(nèi)有玄機(jī)，具體數(shù)據(jù)如表4。

從表4可以看出，互換前的原線圈，標(biāo)記200匝的，實(shí)際有229匝;互換前的副線圈，標(biāo)記100匝的，實(shí)際有130匝，標(biāo)記400匝的，實(shí)際有521匝。原、副線圈的匝數(shù)都比標(biāo)記的要多，其中原線圈按1.15來(lái)繞，而副線圈則是按1.30來(lái)繞的。

對(duì)照變壓器在表1和表2中的第3、4組數(shù)據(jù)，原、副線圈互換前，變壓器為升壓變壓器，記錄的匝數(shù)分別為n1=200匝，n2=400匝，而實(shí)際匝數(shù)n1=229匝，n2=521匝，實(shí)際匝數(shù)比為0.44，比0.5小12%，這樣使得測(cè)得的輸出電壓較匝數(shù)比為0.5時(shí)大，接近“理想”的變壓器，也就是說(shuō)，由于變壓器的效率問(wèn)題導(dǎo)致的電壓損失，廠商已用匝數(shù)修正。將原、副線圈互換后，變壓器為降壓變壓器，記錄的匝數(shù)分別為n1=400匝，n2=200匝，而實(shí)際匝數(shù)n1=521匝，n2=229匝，實(shí)際匝數(shù)比為2.28，比2大14%（如表5）。單單考慮匝數(shù)比的差值就會(huì)使輸出電壓比理想變壓器小14%左右，再考慮變壓器的效率問(wèn)題，輸出電壓會(huì)比理想變壓器再小12%左右。另外，考慮到讀數(shù)的誤差、數(shù)匝數(shù)的誤差等因素影響，導(dǎo)致新變壓器在原、副線圈互換后，測(cè)得的輸出電壓比理想變壓器小27%左右，這與表3中計(jì)算出的變壓器的平均電壓損失相符。

大部份的變壓器均有固定的鐵芯，其上繞有一次與二次的線圈。隨著釹鐵硼等高磁性材料的研發(fā)和廣泛應(yīng)用，基于鐵材的高導(dǎo)磁性，大部分磁通量局限在鐵芯里，加上線圈與鐵芯二者間緊密的結(jié)合，使得電壓的比值幾乎與二者之線圈匝數(shù)比相同。因此，變壓器之匝數(shù)比，一般可作為變壓器升壓或降壓的參考指標(biāo)。由于此項(xiàng)升壓與降壓的功能，使得變壓器已成為現(xiàn)代化電力系統(tǒng)的一個(gè)重要附屬物，提升輸電電壓使得長(zhǎng)途輸送電力更為經(jīng)濟(jì)。一些大容量變壓器效率可以達(dá)到98%～99%，電壓損失較小，而我們教學(xué)用的可拆式變壓器電壓損失會(huì)大一些。為什么廠商要用匝數(shù)修正呢？一般變壓器的初級(jí)電壓和次級(jí)電壓是按照客戶指定的，廠商會(huì)根據(jù)客戶的實(shí)際需要繞制線圈。因?yàn)橐@得給定的輸出電壓，而實(shí)際的變壓器必定有損失，所以廠商會(huì)在線圈匝數(shù)上作修正。但作為教學(xué)用的變壓器，不應(yīng)該用這樣的方式修正。如果想提高變壓器的效率，就需要在技術(shù)上有所突破。

3 ? ?課后反思

教師在教學(xué)中不能一味地追求理想模型，應(yīng)強(qiáng)調(diào)把實(shí)際模型抽象成理想化模型是有條件的，以及非理想模型如何處理，等等。反過(guò)來(lái)，即使實(shí)驗(yàn)失敗了也并不可怕，若能抓住時(shí)機(jī)正確處理，反而會(huì)產(chǎn)生一些正面效應(yīng)，挖掘出意想不到的效果，使學(xué)生更多受益。

雖然并不是所有的廠商都會(huì)采用不恰當(dāng)?shù)姆绞绞棺约旱膬x器看上去很完美。但是有經(jīng)驗(yàn)的教師應(yīng)該會(huì)鑒別，哪些實(shí)驗(yàn)是真的，哪些實(shí)驗(yàn)是有問(wèn)題的。防止在物理課堂中出現(xiàn)假實(shí)驗(yàn)、假現(xiàn)象。需要物理教師多學(xué)習(xí)，多研究。不僅要研究高中物理教材，還要回顧大學(xué)物理，多查閱與高中物理有關(guān)的文獻(xiàn)、資料。其次，多與校內(nèi)外同仁交流、探討。另外，多看看實(shí)驗(yàn)儀器的說(shuō)明書(shū)，會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)有很大的幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]彭前程.積極探索基于核心素養(yǎng)理念下的物理教學(xué) [J].中學(xué)物理，2016，34（2）：1-2.（欄目編輯 ? ?王柏廬）