以變壓器為例探索遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)

陳 輝

(永康市第一中學(xué) 浙江 金華 321300)

1 課堂實(shí)驗(yàn)建模教學(xué)現(xiàn)狀

在日常課堂教學(xué)中，一碰到耗時(shí)久、數(shù)據(jù)多、誤差大的演示實(shí)驗(yàn)，大部分教師認(rèn)為在應(yīng)試教育的背景下花大半節(jié)甚至整節(jié)課時(shí)間做實(shí)驗(yàn)，既得不到這節(jié)課的核心規(guī)律，影響教學(xué)進(jìn)度，面對(duì)誤差離譜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果又不知如何處理，也不想浪費(fèi)時(shí)間向?qū)W生解釋，最終還不如理論演算一番直接拿出結(jié)果豈不輕松快捷！

實(shí)際教學(xué)策略往往如下：先將演示實(shí)驗(yàn)實(shí)物展示一下，不做實(shí)驗(yàn)接著馬上用理論推導(dǎo)，直接拿出本堂課要學(xué)的理想化模型．根據(jù)之前的知識(shí)儲(chǔ)備學(xué)生能聽(tīng)懂，但這樣一來(lái)，教學(xué)徹底與實(shí)驗(yàn)脫節(jié)，完全違背物理的教學(xué)規(guī)律：以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，以現(xiàn)象為準(zhǔn)線，以學(xué)生為主體，層層建模，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，學(xué)習(xí)物理規(guī)律，應(yīng)用規(guī)律．這樣的教學(xué)方式根本沒(méi)能激發(fā)學(xué)生對(duì)物理的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生分析解決問(wèn)題能力，提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)更無(wú)從談起，長(zhǎng)此以往，失去物理學(xué)習(xí)意義！

只有讓學(xué)生心里真真切切地理解一個(gè)個(gè)理想化模型，才有興趣學(xué)物理，才能學(xué)好物理，特將前些時(shí)候課堂中嘗試的變壓器遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)建模教學(xué)環(huán)節(jié)加以整理，希望對(duì)當(dāng)前的課堂教學(xué)模式有些裨益．

2 原變壓器課堂實(shí)驗(yàn)建模教學(xué)

教師往往先將教學(xué)用變壓器的實(shí)物和圖片展示一下，然后用法拉第電磁感應(yīng)定律推導(dǎo)

再忽略鐵損、銅損(P1=P2)，得

最后得到理想變壓器模型．這純粹是一節(jié)理論教學(xué)課，教師考慮到實(shí)驗(yàn)誤差大，與理論推導(dǎo)結(jié)果相去甚遠(yuǎn)，課堂演示實(shí)驗(yàn)?zāi)懿蛔霰M量不做，重理論推導(dǎo)輕實(shí)驗(yàn)觀察，這種本末倒置的做法不可?。?/p>

3 變壓器遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)建模教學(xué)設(shè)計(jì)

教學(xué)流程圖如圖1所示.

圖1 教學(xué)流程

【遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)一】

教師：手頭有鐵芯、200匝線圈、帶40匝線圈的小燈泡、學(xué)生電源，如何在不給小燈泡通電的情況下使其發(fā)光？

學(xué)生：將40匝線圈和200匝線圈分別套到兩邊的鐵芯上，200匝線圈接學(xué)生電源.

教師：為什么發(fā)光？它們都沒(méi)有直接接觸，理論依據(jù)是什么？

學(xué)生：電磁感應(yīng)中的互感原理.

教師：直流電行嗎？

學(xué)生：交流電產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，鐵芯導(dǎo)磁將能量傳輸給小燈泡.而直流電產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)，沒(méi)有磁感應(yīng)現(xiàn)象.

演示：右側(cè)鐵芯200匝線圈，接12 V交流電壓，左側(cè)鐵芯40匝線圈，打開(kāi)開(kāi)關(guān)，小燈炮發(fā)光，確如學(xué)生所說(shuō)．實(shí)驗(yàn)如圖2所示.

(a)

(b)

【遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)二】

教師：小燈泡不僅發(fā)光，還實(shí)現(xiàn)了降壓，這個(gè)原理在生產(chǎn)生活中的用處太大了，可以做什么用？生活中哪個(gè)裝置就是這個(gè)功能？

學(xué)生：變壓器.

教師：對(duì)，大到居民社區(qū)的變壓器，小到手機(jī)充電器，都是這個(gè)原理．怎樣才能得到我們所需要的電壓？ 和什么有關(guān)？

學(xué)生：線圈匝數(shù).

教師：采用控制變量法，實(shí)驗(yàn)如圖3所示.

(a)

(b)

(c)

原線圈、副線圈都用漆包線課堂面對(duì)學(xué)生臨時(shí)繞制．

步驟一：用漆包銅線在紙筒上繞50匝作為原線圈，套在回字鐵芯的右邊，銅線兩端用摩沙紙去掉漆皮接到學(xué)生電源交流4 V.

步驟二：用漆包銅線在紙筒上繞40匝作為副線圈，套在回字鐵芯的左邊，兩端用磨沙紙去掉漆皮接教學(xué)電壓表．

步驟三：鐵芯不閉合，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，叫學(xué)生讀電壓，發(fā)現(xiàn)幾乎沒(méi)有示數(shù)，什么原因？

學(xué)生回答漏磁嚴(yán)重．

步驟四：閉合鐵芯，重新做上述實(shí)驗(yàn)，叫學(xué)生讀電壓，填入表格.

步驟五：副線圈在原來(lái)40匝的基礎(chǔ)上繼續(xù)接著繞銅導(dǎo)線，學(xué)生幫忙邊數(shù)邊繞，一直到60匝，將該位置用沙紙磨掉包漆作為接口接電壓表，閉合鐵芯，打開(kāi)電源，仍叫學(xué)生讀數(shù)，記錄數(shù)據(jù)；同理，再接著繞，直到副線圈達(dá)80匝，記錄數(shù)據(jù)，填入表1．

教師：請(qǐng)同學(xué)分析表格中的數(shù)據(jù)，找出規(guī)律.

數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 原線圈匝數(shù)50匝不變，改變副線圈匝數(shù)

副線圈輸出電壓U2與副線圈匝數(shù)n2的關(guān)系曲線,如圖4所示.

圖4 副線圈輸出電壓U2與副線圈匝數(shù)n2的關(guān)系曲線

學(xué)生：變壓器的輸出電壓和副線圈的匝數(shù)成正比.

教師：對(duì)，變壓器的輸出電壓和副線圈的匝數(shù)成正比；同理，接下來(lái)我們做另一個(gè)實(shí)驗(yàn)：副線圈匝數(shù)不變，原線圈匝數(shù)依次改變，得到副線圈輸出電壓與原線圈匝數(shù)成反比，如表2所示.

表2 副線圈匝數(shù)50匝不變，改變?cè)€圈匝數(shù)

輸出電壓U2與原線圈匝數(shù)n1的關(guān)系曲線,如圖5所示.

圖5 輸出電壓U2與原線圈匝數(shù)n1的關(guān)系曲線

教師：綜上兩次數(shù)據(jù)，U1，U2，n1，n2之間又有什么關(guān)系？請(qǐng)學(xué)生閱讀課本理論推導(dǎo)找結(jié)論．

教師：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論公式不吻合，什么原因？

學(xué)生：漏磁嚴(yán)重，鐵芯里渦流能量損失較大．

【遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)三】

教師：如圖6所示，用教學(xué)用變壓器演示，原副線圈都有200匝、800匝、1 400匝、1 400匝供選擇，分別接學(xué)生電源和電壓表，再用控制變量法記錄輸入電壓與輸出電壓，再計(jì)算電壓之比與匝數(shù)之比情況．

圖6 用教學(xué)變壓器演示

原線圈匝數(shù)不變，副線圈匝數(shù)變，數(shù)據(jù)如表3所示.

表3 原線圈匝數(shù)1 400匝不變，改變副線圈匝數(shù)

輸出電壓U2與副線圈匝數(shù)n2的關(guān)系曲線，如圖7所示.

圖7 輸出電壓U2與副線圈匝數(shù)n2的關(guān)系曲線

學(xué)生：原線圈匝數(shù)不變，副線圈匝數(shù)變時(shí)教學(xué)用變壓器和手工纏繞式變壓器相比，電壓之比與匝數(shù)之比接近很多，但還是不相等．

副線圈匝數(shù)不變，原線圈匝數(shù)改變，數(shù)據(jù)如表4所示.

表4 副線圈匝數(shù)800匝不變，改變?cè)€圈匝數(shù)

輸出電壓U2與原線圈匝數(shù)n1的關(guān)系曲線,如圖8所示.

圖8 輸出電壓U2與原線圈匝數(shù)n1的關(guān)系曲線

學(xué)生：原線圈匝數(shù)不變，副線圈匝數(shù)變時(shí)教學(xué)用變壓器和手工纏繞式變壓器相比，電壓之比與匝數(shù)之比接近很多，但還是不相等．

教師：原因是什么？

學(xué)生：鐵芯漏磁、渦流、線圈銅損不可能完全消除．

【遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)四】

教師：展示生活用的變壓器圖片、視頻，實(shí)際應(yīng)用中往往通過(guò)下列方法來(lái)減少磁損、鐵損、銅損[1]：

(1)采用高導(dǎo)磁硅鋼片和非晶合金片；

(2)減少工藝系數(shù)；

(3)改進(jìn)鐵心結(jié)構(gòu)；

(4)減少鐵心窗口尺寸；

(5)設(shè)計(jì)無(wú)共振鐵心[2]；

(6)采用卷鐵心變壓器和立體鐵心變壓器．

即使這樣，鐵芯漏磁、渦流、線圈銅損還是有影響．還有待技術(shù)的提升進(jìn)一步減少能量損失．作為課堂學(xué)習(xí)，可以認(rèn)為沒(méi)有能量損失，結(jié)果如何？

學(xué)生：在不考慮能量損失情況下，可認(rèn)為

P1=P2

教師：抓住研究對(duì)象的主要因素，逐步忽略次要因素，是我們學(xué)習(xí)物理非常重要的基礎(chǔ)思想方法，這就是我們今天要學(xué)習(xí)的理想化模型：理想變壓器．

4 遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)建模教學(xué)的積極意義

(1)改變教師主體，學(xué)生被迫接受的教學(xué)模式，體現(xiàn)新課改教學(xué)理念：教師引導(dǎo)，學(xué)生為主體，積極開(kāi)動(dòng)思維，提煉理想變壓器模型，總結(jié)規(guī)律．

(2)實(shí)驗(yàn)展示，問(wèn)題提問(wèn)，學(xué)生活動(dòng)事先層層遞進(jìn)式設(shè)計(jì)，形成案例．教師上變壓器這堂課時(shí)有范例可循，對(duì)高效課堂有裨益．

(3)遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究能促進(jìn)物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)，除了教科書(shū)里的基本實(shí)驗(yàn)，我們還制作出了許多現(xiàn)象更新奇，更明顯，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更精確的實(shí)驗(yàn)，豐富促進(jìn)課堂教學(xué)．既可當(dāng)作對(duì)課堂演示實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，又能激發(fā)起學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，積極投入到物理的學(xué)習(xí)中．

(4)除了學(xué)好變壓器這個(gè)理想化模型，教師還應(yīng)多思考課后能給學(xué)生留下什么？新奇、趣味、印象深刻，思維習(xí)慣的養(yǎng)成，科學(xué)素養(yǎng)的提升．若干年后知識(shí)早已忘記，課堂中的新奇實(shí)驗(yàn)，快樂(lè)場(chǎng)景歷歷在目，學(xué)習(xí)過(guò)程中養(yǎng)成的思維品質(zhì)終生受用，這是遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意義所在．