物理試題情境必須真實(shí)
——談“日字形”鐵芯變壓器

馬俊杰 石小明

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

物理學(xué)是一門基于觀察與實(shí)驗(yàn)、運(yùn)用相關(guān)模型和數(shù)學(xué)工具進(jìn)行推理和論證的自然科學(xué).實(shí)驗(yàn)和理論推導(dǎo)兩者相輔相成，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象建構(gòu)出相應(yīng)的理論，理論必須由實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證.一些理論上推導(dǎo)可行的，但是在實(shí)際情境中，由于一些實(shí)際應(yīng)用與理論情況有微小差別，也會(huì)帶來結(jié)果的不同，因此一些物理試題情境的建立，必須要經(jīng)過真實(shí)的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證.下面就用一道例題來進(jìn)行說明.

例題.在繞制變壓器時(shí)，某人誤將兩個(gè)線圈繞在圖1所示變壓器鐵芯的左右兩個(gè)臂上，當(dāng)通以變變電流時(shí)，每個(gè)線圈產(chǎn)生的磁通量只有一半通過另一個(gè)線圈；另一半通過中間的臂.已知線圈1、2的匝數(shù)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(shí)驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證.為了更好地探究日字型變壓器多磁路磁通量的分配關(guān)系，筆者特制作了一款實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行探索，圖2是實(shí)驗(yàn)裝置的電路原理圖（圖中電阻數(shù)值單位為Ω）.

圖2 電路原理圖

圖3是實(shí)驗(yàn)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(gè)，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(gè)；250mA交流電流表2個(gè)；500型多用電表用轉(zhuǎn)換開關(guān)兩個(gè)；5Ω3W電阻9只；0.5Ω5W電阻2只；j1202高中學(xué)生電源1個(gè)；接線柱6個(gè).

上述器材按照?qǐng)D3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(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示.

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置圖

表1-表3是實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù).

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(fù)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(shù)字多用電表測(cè)得

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

（1）3個(gè)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(jī)械表內(nèi)阻比數(shù)字表小，且誤差大.另外兩輸出接負(fù)載時(shí)電流表的接入和線圈的電阻對(duì)輸出電壓都有影響.表3中的各組數(shù)據(jù)基本符合變壓器的變比規(guī)律.

（2）從表1、表2第1組數(shù)據(jù)中可發(fā)現(xiàn)空載時(shí)磁路的磁阻對(duì)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(shù)據(jù)中可發(fā)現(xiàn)輸出的一邊空載，另一邊負(fù)載的變化對(duì)兩邊輸出電壓無影響.

（4）從表1、表2第4、5、6、7組數(shù)據(jù)中可發(fā)現(xiàn)兩邊負(fù)載互相交換，負(fù)載的電壓也跟著互換，但兩負(fù)載中的電流始終保持一致.

（5）從表1、表2第8、9組數(shù)據(jù)中可發(fā)現(xiàn)兩邊總負(fù)載一樣，雖然兩負(fù)載上的電壓不同，但是兩邊負(fù)載中的電流仍然保持一致.

（6）從表1、表2第10組數(shù)據(jù)中可發(fā)現(xiàn)兩邊總負(fù)載減小，則兩負(fù)載上的電流同時(shí)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(shí)驗(yàn)的結(jié)果是一致的.雖然兩組輸出在外接電路上沒有任何的聯(lián)系，但是從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出兩組輸出呈現(xiàn)了串聯(lián)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(fù)載或空載時(shí)，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(gè)輸出端接負(fù)載時(shí)，接負(fù)載的次級(jí)線圈中13mA的電流能生成反感電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)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(shí)的一倍.

在兩輸出接不同負(fù)載時(shí)，兩輸出電流產(chǎn)生的反向磁通就會(huì)不同（雖然電流一樣），負(fù)載小的對(duì)原磁通阻作用礙大，負(fù)載大的對(duì)原磁通阻礙作用小，見圖5（c）.因此負(fù)載大的（電阻?。┹敵龆穗妷旱?，負(fù)載小的（電阻大）輸出端電壓高.

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

如果兩輸出繞組的匝數(shù)不同，則空載時(shí)兩輸出，匝數(shù)多的電壓高，匝數(shù)少的電壓低.但兩輸出必須都接負(fù)載時(shí)才能有電流.接相同負(fù)載時(shí)匝數(shù)少的一邊反而比匝數(shù)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(shù)越多反電動(dòng)勢(shì)越高）.

通過實(shí)驗(yàn)?zāi)銜?huì)發(fā)現(xiàn)高中試卷中有關(guān)日字型變壓器方面的試題的標(biāo)準(zhǔn)答案，或多或少都有問題，使學(xué)生產(chǎn)生一些錯(cuò)誤認(rèn)識(shí).希望大家看到這個(gè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)日字型變壓器多磁路磁通量的分配關(guān)系有一個(gè)全新認(rèn)識(shí).

通過上述實(shí)驗(yàn)及分析，我們可以看出，試題中（A）（B）（C）選項(xiàng)都是錯(cuò)誤的，只有（D）選項(xiàng)才是正確的.因?yàn)橹虚g鐵芯上無線圈，等同于空載.根據(jù)本實(shí)驗(yàn)表2中2、3組數(shù)據(jù)可知，（A）選項(xiàng)的電阻熱功率為0W.電路中接負(fù)載的情況和不接負(fù)載的情況還是不一樣的，不進(jìn)行實(shí)驗(yàn)很難發(fā)現(xiàn)這一情況.因此一些物理試題的情境必須來自真實(shí)的實(shí)驗(yàn)，試題的設(shè)計(jì)不能想當(dāng)然.