可拆式变压器的秘密

马驰

摘   要：可拆式变压器有拆卸方便、多组线圈的特点，利用它探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系的教学中，笔者发现了可拆式变压器存在的“秘密”。课后，经过理论和实验剖析发现是仪器问题导致的假实验，提出了避免假实验的几点建议。

关键词：核心素养;可拆式变压器;假实验

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2019）5-0053-3

在信息化和智能化的时代，物理知识和技能的学习已不再是单向的传输，而是变为体验、合作和探究，即培养学生的核心素养。物理学科的核心素养主要由“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面的要素构成。其中，“科学态度与责任”主要指对待科学的态度与价值观，包括能正确认识科学的本质，具有学习和研究物理的好奇心与求知欲，能主动与他人合作，实事求是，不迷信权威，具有保护环境、节约资源、促进可持续发展的责任感等。

但是，在高中物理课堂中，也会出现一些假实验、假现象。有些似乎很“完美”的实验，常常是由于仪器供应商的实验器材数据与实际不符而导致的。

1    惊人发现

在人教版选修3-2和选修1-1中都有《变压器》一节，在“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”时，变压器实验是必做的演示实验。笔者发现，新到的一批可拆式变压器实验效果非常好，实验数据非常完美，非常接近“理想变压器”（如图1）。感叹现在的变压器技术进步不少，但心存疑惑：一个实际的变压器由于铜损、铁损、磁损，效率不可能达到100%。光考虑磁损，可拆式变压器就比固定变压器的电压损失大一些，这批可拆式变压器真的能做到电压损失这么小，甚至做到几乎为零吗？

将变压器接入电路中测量，得到数据如表1。

实验发现：用这批变压器做的实验结果非常理想，比以前的变压器电压损失小很多。如果把原、副线圈互换一下，实验数据是否也这么理想？于是，试着将原、副线圈调换，再次进行实验，实验数据如表2。

将变压器在原、副线圈互换前后得到的数据进行整理，求出平均电压损失，如表3。

从上表不难看出，变压器在原、副线圈互换前，平均电压损失很小，非常接近理想变压器，但在原、副线圈互换后，平均电压损失明显增大。这点令人十分吃惊。

2    寻找真相

可拆式变压器的组成部分只是闭合铁芯和线圈，理论上说，在不超过线圈的额定电流的前提下，将原、副线圈互换是完全可以的。是什么原因导致了互换前后巨大的差别？最大疑点集中在了线圈实际匝数上。将新变压器两个线圈拆开，数了其中几组匝数发现，果然内有玄机，具体数据如表4。

从表4可以看出，互换前的原线圈，标记200匝的，实际有229匝;互换前的副线圈，标记100匝的，实际有130匝，标记400匝的，实际有521匝。原、副线圈的匝数都比标记的要多，其中原线圈按1.15来绕，而副线圈则是按1.30来绕的。

对照变压器在表1和表2中的第3、4组数据，原、副线圈互换前，变压器为升压变压器，记录的匝数分别为n1=200匝，n2=400匝，而实际匝数n1=229匝，n2=521匝，实际匝数比为0.44，比0.5小12%，这样使得测得的输出电压较匝数比为0.5时大，接近“理想”的变压器，也就是说，由于变压器的效率问题导致的电压损失，厂商已用匝数修正。将原、副线圈互换后，变压器为降压变压器，记录的匝数分别为n1=400匝，n2=200匝，而实际匝数n1=521匝，n2=229匝，实际匝数比为2.28，比2大14%（如表5）。单单考虑匝数比的差值就会使输出电压比理想变压器小14%左右，再考虑变压器的效率问题，输出电压会比理想变压器再小12%左右。另外，考虑到读数的误差、数匝数的误差等因素影响，导致新变压器在原、副线圈互换后，测得的输出电压比理想变压器小27%左右，这与表3中计算出的变压器的平均电压损失相符。

大部份的变压器均有固定的铁芯，其上绕有一次与二次的线圈。随着钕铁硼等高磁性材料的研发和广泛应用，基于铁材的高导磁性，大部分磁通量局限在铁芯里，加上线圈与铁芯二者间紧密的结合，使得电压的比值几乎与二者之线圈匝数比相同。因此，变压器之匝数比，一般可作为变压器升压或降压的参考指标。由于此项升压与降压的功能，使得变压器已成为现代化电力系统的一个重要附属物，提升输电电压使得长途输送电力更为经济。一些大容量变压器效率可以达到98%～99%，电压损失较小，而我们教学用的可拆式变压器电压损失会大一些。为什么厂商要用匝数修正呢？一般变压器的初级电压和次级电压是按照客户指定的，厂商会根据客户的实际需要绕制线圈。因为要获得给定的输出电压，而实际的变压器必定有损失，所以厂商会在线圈匝数上作修正。但作为教学用的变压器，不应该用这样的方式修正。如果想提高变压器的效率，就需要在技术上有所突破。

3    课后反思

教師在教学中不能一味地追求理想模型，应强调把实际模型抽象成理想化模型是有条件的，以及非理想模型如何处理，等等。反过来，即使实验失败了也并不可怕，若能抓住时机正确处理，反而会产生一些正面效应，挖掘出意想不到的效果，使学生更多受益。

虽然并不是所有的厂商都会采用不恰当的方式使自己的仪器看上去很完美。但是有经验的教师应该会鉴别，哪些实验是真的，哪些实验是有问题的。防止在物理课堂中出现假实验、假现象。需要物理教师多学习，多研究。不仅要研究高中物理教材，还要回顾大学物理，多查阅与高中物理有关的文献、资料。其次，多与校内外同仁交流、探讨。另外，多看看实验仪器的说明书，会对实验有很大的帮助。

参考文献：

[1]彭前程.积极探索基于核心素养理念下的物理教学 [J].中学物理，2016，34（2）：1-2.（栏目编辑    王柏庐）