陕西省西安市经开第一中学(710018) 孙 涛
“变压器”是人教版选修3-2第5章第4节的内容,承上启下,既是电磁感应、交变电流知识的综合应用,又为远距离输电教学奠定了基础。《课程标准》对于变压器的教学内容要求如下:“通过实验,探究并了解变压器原、副线圈电压与匝数的关系”。因此,教学中主要设计了2个主题实验以促进教学目标的达成。
(1)实验器材
电磁炉、自绕多匝线圈、白炽灯泡(额定电压220 V、额定功率60 W)、数字演示电压表、铁制茶叶筒。
(2)实验演示
如图1所示,将绕制的多匝线圈与灯泡连接,形成闭合回路。将线圈和铁质茶叶筒放置电磁炉上,打开电源开关。可以看到灯泡微微发光。改变绕制线圈的匝数,灯泡逐渐变亮,数字电压表读数变大。
通过设计演示实验,使教学内容趣味化、情境化,引导学生在观察实验现象的基础上,理性认识改变线圈匝数可以改变电压,为设计定量探究实验方案做好思维铺垫。
为了避免利用电磁感应原理牵强推出变压规律,落实课程标准的要求,教学中对可拆变压器进行技术改进,增加原、副线圈输入、输出端口,以便获取更多的原、副线圈电压测量数据。如图2所示。
(1)实验目的
探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系。
(2)实验器材
学生电源,改装教学可拆变压器(J2423型)1个,数字交流电压表1个,导线若干。
(3)实验方法
通过肉眼对抽取芯样进行观察,发现芯样根部大部分为毛面,第1层芯样根部带有水泥混凝土部分,第2层与第1层结合面正常的肉眼已经无法观察出来,说明沥青混凝土、地基及混凝土相互之间黏结良好。
控制变量法、分析综合法、图像法。
(4)实验设计
画出实验电路图,设计实验操作步骤,实验数据记录表格。
(5)实验内容
①当原线圈输入电压U1和原线圈匝数n1一定时,探究副线圈输出电压U2与副线圈匝数n2的关系;
②当原线圈输入电压U1和副线圈匝数n2一定时,探究副线圈输出电压U2与原线圈匝数n1的关系。
(6)实验过程
探究1:U1=2.48 V,n1=100匝。改变n2,记录U2,见表1。
表1 U2与n2实验数据
探究2:U1=2.63 V,n2=800匝。改变n1,记录U2,见表2。
表2 U2与n1实验数据
测量数据输入Excel表格,拟合U2-n1图像,发现U2-n1为非线性关系,如图4所示。
引导学生类比探究加速度与力、质量的关系,化曲为直。分析电压U2与匝数1/n1的关系,见表3。
表3 U2与1/n1实验数据
拟合U2与1/n1图像,如图5所示,可以看出U2∝1/n1。
通过对两组实验内容探究,可得U2∝n2,U2∝1/n1。
表4 U2与n2/n1实验数据
(7)实验结论
反思本节课的实验教学设计,体现以下优点:
(1)按照学生的认知规律设计实验,考虑了新旧知识的密切联系,现象明显,逻辑严谨,具有很强的操作性,利于教学中有效问题的生成和师生思维的碰撞。
(2)用改装后的变压器完成定量探究实验,让学生经历了完整的科学探究过程,培养了学生科学、严谨、实事求是的实验态度。
(3)结合学生已有的信息技术水平,借助Excel处理数据,能够较为精确、直观、便捷地得出令学生信服的实验结论,有利于物理核心素养的落实。