以变压器为例探索递进式实验教学

陈 辉

(永康市第一中学 浙江 金华 321300)

1 课堂实验建模教学现状

在日常课堂教学中，一碰到耗时久、数据多、误差大的演示实验，大部分教师认为在应试教育的背景下花大半节甚至整节课时间做实验，既得不到这节课的核心规律，影响教学进度，面对误差离谱的实验结果又不知如何处理，也不想浪费时间向学生解释，最终还不如理论演算一番直接拿出结果岂不轻松快捷！

实际教学策略往往如下：先将演示实验实物展示一下，不做实验接着马上用理论推导，直接拿出本堂课要学的理想化模型．根据之前的知识储备学生能听懂，但这样一来，教学彻底与实验脱节，完全违背物理的教学规律：以实验为基础，以现象为准线，以学生为主体，层层建模，一步一步去除次要因素，抓住事物主要因素，建立理想化模型，学习物理规律，应用规律．这样的教学方式根本没能激发学生对物理的学习兴趣，培养学生分析解决问题能力，提升学生科学素养的教学目标更无从谈起，长此以往，失去物理学习意义！

只有让学生心里真真切切地理解一个个理想化模型，才有兴趣学物理，才能学好物理，特将前些时候课堂中尝试的变压器递进式实验建模教学环节加以整理，希望对当前的课堂教学模式有些裨益．

2 原变压器课堂实验建模教学

教师往往先将教学用变压器的实物和图片展示一下，然后用法拉第电磁感应定律推导

再忽略铁损、铜损(P1=P2)，得

最后得到理想变压器模型．这纯粹是一节理论教学课，教师考虑到实验误差大，与理论推导结果相去甚远，课堂演示实验能不做尽量不做，重理论推导轻实验观察，这种本末倒置的做法不可取．

3 变压器递进式实验建模教学设计

教学流程图如图1所示.

图1 教学流程

【递进式实验一】

教师：手头有铁芯、200匝线圈、带40匝线圈的小灯泡、学生电源，如何在不给小灯泡通电的情况下使其发光？

学生：将40匝线圈和200匝线圈分别套到两边的铁芯上，200匝线圈接学生电源.

教师：为什么发光？它们都没有直接接触，理论依据是什么？

学生：电磁感应中的互感原理.

教师：直流电行吗？

学生：交流电产生变化的磁场，铁芯导磁将能量传输给小灯泡.而直流电产生恒定的磁场，没有磁感应现象.

演示：右侧铁芯200匝线圈，接12 V交流电压，左侧铁芯40匝线圈，打开开关，小灯炮发光，确如学生所说．实验如图2所示.

(a)

(b)

【递进式实验二】

教师：小灯泡不仅发光，还实现了降压，这个原理在生产生活中的用处太大了，可以做什么用？生活中哪个装置就是这个功能？

学生：变压器.

教师：对，大到居民社区的变压器，小到手机充电器，都是这个原理．怎样才能得到我们所需要的电压？ 和什么有关？

学生：线圈匝数.

教师：采用控制变量法，实验如图3所示.

(a)

(b)

(c)

原线圈、副线圈都用漆包线课堂面对学生临时绕制．

步骤一：用漆包铜线在纸筒上绕50匝作为原线圈，套在回字铁芯的右边，铜线两端用摩沙纸去掉漆皮接到学生电源交流4 V.

步骤二：用漆包铜线在纸筒上绕40匝作为副线圈，套在回字铁芯的左边，两端用磨沙纸去掉漆皮接教学电压表．

步骤三：铁芯不闭合，打开电源开关，叫学生读电压，发现几乎没有示数，什么原因？

学生回答漏磁严重．

步骤四：闭合铁芯，重新做上述实验，叫学生读电压，填入表格.

步骤五：副线圈在原来40匝的基础上继续接着绕铜导线，学生帮忙边数边绕，一直到60匝，将该位置用沙纸磨掉包漆作为接口接电压表，闭合铁芯，打开电源，仍叫学生读数，记录数据；同理，再接着绕，直到副线圈达80匝，记录数据，填入表1．

教师：请同学分析表格中的数据，找出规律.

数据如表1所示.

表1 原线圈匝数50匝不变，改变副线圈匝数

副线圈输出电压U2与副线圈匝数n2的关系曲线,如图4所示.

图4 副线圈输出电压U2与副线圈匝数n2的关系曲线

学生：变压器的输出电压和副线圈的匝数成正比.

教师：对，变压器的输出电压和副线圈的匝数成正比；同理，接下来我们做另一个实验：副线圈匝数不变，原线圈匝数依次改变，得到副线圈输出电压与原线圈匝数成反比，如表2所示.

表2 副线圈匝数50匝不变，改变原线圈匝数

输出电压U2与原线圈匝数n1的关系曲线,如图5所示.

图5 输出电压U2与原线圈匝数n1的关系曲线

教师：综上两次数据，U1，U2，n1，n2之间又有什么关系？请学生阅读课本理论推导找结论．

教师：实验数据和理论公式不吻合，什么原因？

学生：漏磁严重，铁芯里涡流能量损失较大．

【递进式实验三】

教师：如图6所示，用教学用变压器演示，原副线圈都有200匝、800匝、1 400匝、1 400匝供选择，分别接学生电源和电压表，再用控制变量法记录输入电压与输出电压，再计算电压之比与匝数之比情况．

图6 用教学变压器演示

原线圈匝数不变，副线圈匝数变，数据如表3所示.

表3 原线圈匝数1 400匝不变，改变副线圈匝数

输出电压U2与副线圈匝数n2的关系曲线，如图7所示.

图7 输出电压U2与副线圈匝数n2的关系曲线

学生：原线圈匝数不变，副线圈匝数变时教学用变压器和手工缠绕式变压器相比，电压之比与匝数之比接近很多，但还是不相等．

副线圈匝数不变，原线圈匝数改变，数据如表4所示.

表4 副线圈匝数800匝不变，改变原线圈匝数

输出电压U2与原线圈匝数n1的关系曲线,如图8所示.

图8 输出电压U2与原线圈匝数n1的关系曲线

学生：原线圈匝数不变，副线圈匝数变时教学用变压器和手工缠绕式变压器相比，电压之比与匝数之比接近很多，但还是不相等．

教师：原因是什么？

学生：铁芯漏磁、涡流、线圈铜损不可能完全消除．

【递进式实验四】

教师：展示生活用的变压器图片、视频，实际应用中往往通过下列方法来减少磁损、铁损、铜损[1]：

(1)采用高导磁硅钢片和非晶合金片；

(2)减少工艺系数；

(3)改进铁心结构；

(4)减少铁心窗口尺寸；

(5)设计无共振铁心[2]；

(6)采用卷铁心变压器和立体铁心变压器．

即使这样，铁芯漏磁、涡流、线圈铜损还是有影响．还有待技术的提升进一步减少能量损失．作为课堂学习，可以认为没有能量损失，结果如何？

学生：在不考虑能量损失情况下，可认为

P1=P2

教师：抓住研究对象的主要因素，逐步忽略次要因素，是我们学习物理非常重要的基础思想方法，这就是我们今天要学习的理想化模型：理想变压器．

4 递进式实验建模教学的积极意义

(1)改变教师主体，学生被迫接受的教学模式，体现新课改教学理念：教师引导，学生为主体，积极开动思维，提炼理想变压器模型，总结规律．

(2)实验展示，问题提问，学生活动事先层层递进式设计，形成案例．教师上变压器这堂课时有范例可循，对高效课堂有裨益．

(3)递进式实验教学研究能促进物理创新实验开发，除了教科书里的基本实验，我们还制作出了许多现象更新奇，更明显，实验数据更精确的实验，丰富促进课堂教学．既可当作对课堂演示实验的补充，又能激发起学生的学习热情，积极投入到物理的学习中．

(4)除了学好变压器这个理想化模型，教师还应多思考课后能给学生留下什么？新奇、趣味、印象深刻，思维习惯的养成，科学素养的提升．若干年后知识早已忘记，课堂中的新奇实验，快乐场景历历在目，学习过程中养成的思维品质终生受用，这是递进式实验教学的意义所在．