变压器演示实验装置的创新演示

变压器演示实验装置的创新演示

童春华

浙江省兰溪市第五中学  321102

摘要：变压器演示实验装置在课堂中演示时由于装置中的线圈绕组不直观，笔者在原有的变压器演示仪的基础上为使演示效果更加显著对实验演示方法和演示器材进行了精心的改进。

关键词：变压器；线圈；电磁感应

   变压器是我们日常生活与生产中常见的电学仪器，在新课程人教版物理选择性必修2中采用了一个线圈和铁芯均可拆卸的变压器来演示原、副线圈匝数与变压器输入、输出电压之间的变化关系。但是该实验装置仍旧存在一些在课堂上演示时的不足。首先，由于线圈绕组都是绕制好的并用薄膜包好的，所以当教师在课堂上进行演示的时候学生并不能直接观察到变压器的线圈到底是怎么绕制的。其次，线圈绕制成的成品后只能在少数几个匝数之间进行变化，而无法得到自己想要的匝数比，为了克服这些困难，笔者对变压器演示装置进行了有针对性的演示改变。

1．实验原理及装置说明

1．1实验装置说明

本实验装置改进后的装置如图所示，实验装置中将本来放在副线圈的铁芯中的线圈拿走，用长的软直粗导线直接代替绕组线圈中的绕线，这样做的目的是可以在副线圈铁芯上直接绕制自己需要的线圈匝数，同时也可以将导线直接接电压表的情况下，连续增加绕上铁芯的匝数时，发现指针偏转角度在连续增大，从而定性了解匝数与输出电压之间的关系。为了使操作尽量安全，在输入电压为220V的情况下，副线圈绕线匝数不宜过多。

1.2实验原理

如图所示是变压器的原理简图，当一个正弦交流电压U1加在初级线圈两端时，导线中就有交变电流I1并产生交变磁通量Φ1，它沿着铁芯穿过初级线圈和次级线圈形成闭合的磁路。在次级线圈中感应出互感电动势U2，同时Φ1也会在初级线圈上感应出一个自感电动势E1，E1的方向与所加电压U1方向相反而幅度相近，从而限制了I1的大小。当我们忽略了各种损耗，两线圈的阻抗都是纯电感性的，这里没有功电阻r，故它们都可看作是没有内阻的电源，其端电压就等于电动势的负值。

UAB=E1     UCD=E2

我们定义变压器的输入和输出电压分别为U1和U2 ，且有U1=UAB    U2= UCD

则有：

2．材料准备与制作

本装置采用简单的材料，首先将实验用的传统可拆卸式变压器拿来，将其拆分后保留使用装置中的原线圈，另一个铁芯上的导线一般选择粗的长软导线即可。

3.实验装置的应用（教学实践）

引入：手机没电了，怎么办？我的手机电池（图片展示手机电池板）上写着额定电压为5V，而我们平时民用电电压为220V或是380V，怎样充才能不使我的手机损坏？

生：用手机充电器

师：对，这个神奇的东西一定实现了将电压由220V转变为5V的过程，它内部包含了一个改变电压的装置——变压器

新课：介绍变压器结构：原副线圈及一个闭合的铁芯构成

演示1：将变压器其中一个线圈接入电路，在上面标有0、200、800、1400的数字，将电源导线的一端接到0接线柱上，另一端接到其它三个接线柱的任意一端则分别代表了接入的原线圈匝数为200匝、800匝或是1400匝。将中间的铁芯打开并竖直放在原线圈铁芯上，接通电源瞬间，分别观察铝环和塑料环的运动情况

实验现象：铝环跳离铁芯到一定高度，而塑料环则没有什么反应

（实验目的：引导学生探究变压器的工作原理）

生：原线圈中的电流发生变化后在铝环中产生了感应电流而塑料环中没有

师：这种其中一个线圈中磁通量发生改变而在另一个线圈（铝环）中产生感应电流的现象叫做互感。

演示2：用软的直导线代替铝环，将准备好的软长直导线与演示用电压表连接（0—10V），将电源连接的线圈接通电源，再在另一铁芯上逐渐缠绕导线使导线匝数增加，让学生观察电压表指针偏转情况。

实验现象：电压表指针偏转角度逐渐增大

（实验目的：定性了解电压随匝数变化的情况）

生：电压大小随匝数的增多而变大

师：那么能不能一起来猜测一下输出的电压将由哪些因数决定？并验证您的猜想

生：与输入电压Ｕ１、初级线圈匝数n1还有与副线圈匝数n2有关

师：与这么多量如果都有关的话我们采用控制变量法来研究

演示3：控制U1、n1不变改变n2来探究它与U2的关系。将原线圈输入电压固定为220V，原线圈的匝数控制为800匝，依据实验设计表格，将在副线圈铁芯上绕制一定数量的线圈匝数后将铁芯闭合，从导线连接的电压表直接由学生读出读数并填入表格。

实验现象：指针所指读数与匝数有关，大致呈正比关系

（实验目的：为接下来的学生分组实验指明探究方向）

……

4．创新性分析

（1）适用于实际授课，与课堂内容协调一致

利用此教具进行演示实验教学的过程中，做实验、数据读取等环节都邀请学生参与其中，师生互动良好，注意激发学生的学习兴趣和动机，引导学生思考、探究，从而巧妙地突破教学重难点。

（2）实验现象明显

实验中绕组直白，指针偏转明显，明显的实验现象不仅可以帮助学生全面、深入地理解实验蕴含的物理知识，而且使学生相信实验理论的真实性。有助于提高学生的科学素养，科学精神和科学态度。

（3）设计简单，价格低廉

该教具设计使6传统实验中变压器绕组的“神秘”面纱被直观地展示在学生面前，不仅让学生领会了绕组的本质。而且能很好地解释变压器的工作原理。在这个实验中所用的实验器材简单。适用于各种教学条件下的课堂实验。

5.结论

将变压器的副线圈用导线直接绕制的演示实验过程，让学生清晰地观察到线圈结构及绕制方法的同时由于实验效果比较理想从而使学生对变压器有进一步的认识之外对变压器的变压原理能理解得更形象和具体。提高了课堂的效率和解决了学生的困惑。

参考文献：

〖1〗人教版高中物理选择性必修二教科书.2020版