对变压器原线圈含阻问题的探讨

(1. 河北省霸州市第四中学,河北 霸州 065700；2. 江西省南城县第一中学,江西 南城 344700)

对变压器原线圈含阻问题的探讨

陈泽安1阙志武2

(1. 河北省霸州市第四中学,河北 霸州 065700；2. 江西省南城县第一中学,江西 南城 344700)

笔者对2015年和2016年全国卷Ⅰ中变压器原线圈电路含电阻问题进行深入探讨,该试题与答案均符合科学性的要求,但对教学有不利影响,建议高考物理卷中不宜频现此类试题。

变压器；有效值；相位；相位差

1 问题的提出

2015年和2016年高考全国卷Ⅰ先后连续出现了变压器原线圈电路含电阻问题，具体题目见例1、例2。

例1(2015年全国卷Ⅰ第16题)：一理想变压器的原、副线圈的匝数比为3∶1,在原、副线圈的回路中分别接有阻值相同的电阻,原线圈一侧接在电压为220V的正弦交流电源上,如图1所示，设副线圈回路中电阻两端的电压为U,原、副线圈回路中电阻消耗的功率的比值为K,则( )。

图1

答案：A。

图2

A. 2 B. 3 C. 4 D. 5

答案：B。

这两道高考题均符合科学性的要求,笔者对参考答案无异议。与此相关的文献,较多关注解法多样及等效电阻的妙用,较少像文献[1]结尾那样提出异议：此题作为高考题,显然不妥,因为无法在中学知识体系内弄清楚其中的来龙去脉,反而让学生形成乃至强化了“交流电路中电阻和电感上电压大小直接相加”的极其错误的潜意识,为今后的学习造成极大的负面影响。笔者想就此再具体探讨这类试题带来的负面影响。

2 问题的分析

2.1 理解相位一致有难度

与RL串联电路不同,在变压器问题中,副线圈电路负载是纯电阻时,原线圈电压u1(t)与电流i1(t)相位一致。这是因为在原线圈回路中的反射电流也是有功电流,原线圈的有功功率并未真正消耗,而是通过磁场耦合,传递到副线圈,以反映能量守恒。如果负载为非纯电阻,原线圈中电压与电流存在相位差。于学生而言,理解这些有难度。具体证明需要涉及大学物理中电磁学的相关知识,不是高中物理所要求内容。正因为相位问题对教师而言也是难点,所以人教版《物理选修3-2教师教学用书》在“教学资源库”中着重谈及相位问题。

2.2 列关系式要有理有据

解决上述两道高考题,无论是基本方法(变压器原理、能量守恒等)还是等效阻抗法,涉及的电压关系、功率关系、能量关系,最终均要依据重要条件：“在纯电阻负载情况下,原线圈中电压与电流同相位”列式,抛弃此前提依据列式,均是“轻过程、重结论”“只管是什么、不问为什么”的表现。对原线圈电路列式U源=UR+UL1、P源=PR+PL1(或PL2)，看似理所当然,实质蕴涵重要依据条件：“负载为纯电阻”。

对学生而言,将直流电路规律套用在原线圈电路中,普遍不会质疑U源=UR+UL1是否合理、是否需要前提条件,因为学生对直流串联电路的电压规律滚瓜烂熟,在原线圈电路中列式U源=UR+UL1,觉得毋庸置疑,恰恰歪打正着。

2.3 有碍物理观念形成

有效值和相位是进行任何交流电路的计算时都必须兼顾的两个方面。其中有效值U、I和直流电路中相应的量值地位相当,学生容易产生迁移。然而,相位和相位差的概念却是直流电路中全然没有的,学习“交变电流”一章时,应该密切注意相位和相位差这个因素在交变电流中所起的作用。

上述高考题非但未让学生树立物理观念,反而让学生形成乃至强化了“交流电路中电阻和电感上电压大小直接相加”这一极有可能导致错误的潜意识。不利于培养学生的质疑和创新精神,有碍物理观念的形成,对核心素养发展不利。

3 结语

一方面,物理教学追求逻辑缜密、有理有据；另一方面,碍于学情，尽量把物理问题化繁为简。近两年高考题中原线圈电路含用电器,对相位关系教学带来两难取舍。不强调“纯电阻”条件,不谈相位关系,直接套用直流电路规律,将学生“蒙在鼓里”,避免了不必要的教学麻烦,却有违科学精神和课程改革理念；若强调“纯电阻”条件,学生必问为什么,解释时,学生受自感现象中相位关系、正弦交流发电机磁通量与感应电动势相位关系影响,会产生前摄抑制,增加教学难度。教学实践中如何处理两难取舍，值得我们思考。

[1] 李力,赵军.一道变压器高考题的“其然”和“所以然”[J].物理教师,2016,(7):84-85.

[2] 赵凯华,陈熙谋.电磁学(下册)[M].北京:高等教育出版社，2004:659-660.