馬馳
摘 ? 要:可拆式變壓器有拆卸方便、多組線圈的特點(diǎn),利用它探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數(shù)的關(guān)系的教學(xué)中,筆者發(fā)現(xiàn)了可拆式變壓器存在的“秘密”。課后,經(jīng)過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)剖析發(fā)現(xiàn)是儀器問(wèn)題導(dǎo)致的假實(shí)驗(yàn),提出了避免假實(shí)驗(yàn)的幾點(diǎn)建議。
關(guān)鍵詞:核心素養(yǎng);可拆式變壓器;假實(shí)驗(yàn)
中圖分類號(hào):G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A ? ?文章編號(hào):1003-6148(2019)5-0053-3
在信息化和智能化的時(shí)代,物理知識(shí)和技能的學(xué)習(xí)已不再是單向的傳輸,而是變?yōu)轶w驗(yàn)、合作和探究,即培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。物理學(xué)科的核心素養(yǎng)主要由“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個(gè)方面的要素構(gòu)成。其中,“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”主要指對(duì)待科學(xué)的態(tài)度與價(jià)值觀,包括能正確認(rèn)識(shí)科學(xué)的本質(zhì),具有學(xué)習(xí)和研究物理的好奇心與求知欲,能主動(dòng)與他人合作,實(shí)事求是,不迷信權(quán)威,具有保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任感等。
但是,在高中物理課堂中,也會(huì)出現(xiàn)一些假實(shí)驗(yàn)、假現(xiàn)象。有些似乎很“完美”的實(shí)驗(yàn),常常是由于儀器供應(yīng)商的實(shí)驗(yàn)器材數(shù)據(jù)與實(shí)際不符而導(dǎo)致的。
1 ? ?驚人發(fā)現(xiàn)
在人教版選修3-2和選修1-1中都有《變壓器》一節(jié),在“探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數(shù)的關(guān)系”時(shí),變壓器實(shí)驗(yàn)是必做的演示實(shí)驗(yàn)。筆者發(fā)現(xiàn),新到的一批可拆式變壓器實(shí)驗(yàn)效果非常好,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常完美,非常接近“理想變壓器”(如圖1)。感嘆現(xiàn)在的變壓器技術(shù)進(jìn)步不少,但心存疑惑:一個(gè)實(shí)際的變壓器由于銅損、鐵損、磁損,效率不可能達(dá)到100%。光考慮磁損,可拆式變壓器就比固定變壓器的電壓損失大一些,這批可拆式變壓器真的能做到電壓損失這么小,甚至做到幾乎為零嗎?
將變壓器接入電路中測(cè)量,得到數(shù)據(jù)如表1。
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):用這批變壓器做的實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常理想,比以前的變壓器電壓損失小很多。如果把原、副線圈互換一下,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否也這么理想?于是,試著將原、副線圈調(diào)換,再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2。
將變壓器在原、副線圈互換前后得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,求出平均電壓損失,如表3。
從上表不難看出,變壓器在原、副線圈互換前,平均電壓損失很小,非常接近理想變壓器,但在原、副線圈互換后,平均電壓損失明顯增大。這點(diǎn)令人十分吃驚。
2 ? ?尋找真相
可拆式變壓器的組成部分只是閉合鐵芯和線圈,理論上說(shuō),在不超過(guò)線圈的額定電流的前提下,將原、副線圈互換是完全可以的。是什么原因?qū)е铝嘶Q前后巨大的差別?最大疑點(diǎn)集中在了線圈實(shí)際匝數(shù)上。將新變壓器兩個(gè)線圈拆開(kāi),數(shù)了其中幾組匝數(shù)發(fā)現(xiàn),果然內(nèi)有玄機(jī),具體數(shù)據(jù)如表4。
從表4可以看出,互換前的原線圈,標(biāo)記200匝的,實(shí)際有229匝;互換前的副線圈,標(biāo)記100匝的,實(shí)際有130匝,標(biāo)記400匝的,實(shí)際有521匝。原、副線圈的匝數(shù)都比標(biāo)記的要多,其中原線圈按1.15來(lái)繞,而副線圈則是按1.30來(lái)繞的。
對(duì)照變壓器在表1和表2中的第3、4組數(shù)據(jù),原、副線圈互換前,變壓器為升壓變壓器,記錄的匝數(shù)分別為n1=200匝,n2=400匝,而實(shí)際匝數(shù)n1=229匝,n2=521匝,實(shí)際匝數(shù)比為0.44,比0.5小12%,這樣使得測(cè)得的輸出電壓較匝數(shù)比為0.5時(shí)大,接近“理想”的變壓器,也就是說(shuō),由于變壓器的效率問(wèn)題導(dǎo)致的電壓損失,廠商已用匝數(shù)修正。將原、副線圈互換后,變壓器為降壓變壓器,記錄的匝數(shù)分別為n1=400匝,n2=200匝,而實(shí)際匝數(shù)n1=521匝,n2=229匝,實(shí)際匝數(shù)比為2.28,比2大14%(如表5)。單單考慮匝數(shù)比的差值就會(huì)使輸出電壓比理想變壓器小14%左右,再考慮變壓器的效率問(wèn)題,輸出電壓會(huì)比理想變壓器再小12%左右。另外,考慮到讀數(shù)的誤差、數(shù)匝數(shù)的誤差等因素影響,導(dǎo)致新變壓器在原、副線圈互換后,測(cè)得的輸出電壓比理想變壓器小27%左右,這與表3中計(jì)算出的變壓器的平均電壓損失相符。
大部份的變壓器均有固定的鐵芯,其上繞有一次與二次的線圈。隨著釹鐵硼等高磁性材料的研發(fā)和廣泛應(yīng)用,基于鐵材的高導(dǎo)磁性,大部分磁通量局限在鐵芯里,加上線圈與鐵芯二者間緊密的結(jié)合,使得電壓的比值幾乎與二者之線圈匝數(shù)比相同。因此,變壓器之匝數(shù)比,一般可作為變壓器升壓或降壓的參考指標(biāo)。由于此項(xiàng)升壓與降壓的功能,使得變壓器已成為現(xiàn)代化電力系統(tǒng)的一個(gè)重要附屬物,提升輸電電壓使得長(zhǎng)途輸送電力更為經(jīng)濟(jì)。一些大容量變壓器效率可以達(dá)到98%~99%,電壓損失較小,而我們教學(xué)用的可拆式變壓器電壓損失會(huì)大一些。為什么廠商要用匝數(shù)修正呢?一般變壓器的初級(jí)電壓和次級(jí)電壓是按照客戶指定的,廠商會(huì)根據(jù)客戶的實(shí)際需要繞制線圈。因?yàn)橐@得給定的輸出電壓,而實(shí)際的變壓器必定有損失,所以廠商會(huì)在線圈匝數(shù)上作修正。但作為教學(xué)用的變壓器,不應(yīng)該用這樣的方式修正。如果想提高變壓器的效率,就需要在技術(shù)上有所突破。
3 ? ?課后反思
教師在教學(xué)中不能一味地追求理想模型,應(yīng)強(qiáng)調(diào)把實(shí)際模型抽象成理想化模型是有條件的,以及非理想模型如何處理,等等。反過(guò)來(lái),即使實(shí)驗(yàn)失敗了也并不可怕,若能抓住時(shí)機(jī)正確處理,反而會(huì)產(chǎn)生一些正面效應(yīng),挖掘出意想不到的效果,使學(xué)生更多受益。
雖然并不是所有的廠商都會(huì)采用不恰當(dāng)?shù)姆绞绞棺约旱膬x器看上去很完美。但是有經(jīng)驗(yàn)的教師應(yīng)該會(huì)鑒別,哪些實(shí)驗(yàn)是真的,哪些實(shí)驗(yàn)是有問(wèn)題的。防止在物理課堂中出現(xiàn)假實(shí)驗(yàn)、假現(xiàn)象。需要物理教師多學(xué)習(xí),多研究。不僅要研究高中物理教材,還要回顧大學(xué)物理,多查閱與高中物理有關(guān)的文獻(xiàn)、資料。其次,多與校內(nèi)外同仁交流、探討。另外,多看看實(shí)驗(yàn)儀器的說(shuō)明書(shū),會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)有很大的幫助。
參考文獻(xiàn):
[1]彭前程.積極探索基于核心素養(yǎng)理念下的物理教學(xué) [J].中學(xué)物理,2016,34(2):1-2.(欄目編輯 ? ?王柏廬)