高中物理中变压器教学探究
【摘 要】本文比较系统地讲解变压器的原理与特征，提醒教师在变压器教学中要注意的问题：让学生了解变压器的工作原理，明白变压器不仅对交流电工作，对一般直流电也能工作；让学生理解变压器不能改变交流电的表征量，知道变压器工作时原线圈不是短路；让学生掌握公式 和 的适用条件，知道输入电流、输入功率由输出的负载决定。
【关键词】变压器 电磁学 工作原理 交流电
【中图分类号】G 【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889（2018）06B-0108-02
变压器是高中电磁学中的一项重要内容，在高考中也经常会有相关知识出现。因此，作为高中物理教师，特别是高三物理教师应该格外重视该内容的教学，让学生在高考复习中不丢失这一块的“重要领域”。在高中物理教学中讲授的变压器，通常指的是理想变压器，其由闭合铁芯和原、副线圈组成，可以改变交流电的电压，忽略变压器的磁漏，认为穿过原线圈每一匝的磁通量，与穿过副线圈的磁通量总是相等的，不考虑过程中的能量损失。对于变压器教学，教师需要注意几个问题：
一是让学生了解变压器的工作原理
我们知道，变压器的原、副线圈有共同的铁芯，这就使得穿过它们的磁通量和磁通量的变化时刻都是相同的。同时，变压器的原、副线圈中因有交變电流而发生互感现象，使得电能可以通过磁场从原线圈到达副线圈。由于原、副线圈中的电流共同产生的磁通量是相同的，因而这两个线圈的每匝产生的感应电动势相等。因此，教学这一内容时，教师要让学生先了解变压器的这些工作原理，再引导学生推导变压比公式—— 原、副线圈中产生感应电动势大小分别为：，，由此可得 。
这样，学生就能根据自感现象，了解到原线圈中感应电动势 E1 起阻碍电流变化的作用，跟加在原线圈两端电压 U1 的作用相反，且电阻很小，故有 E1=U1。而副线圈相当于一个电源，感应电动势 E2 相当于电源的电动势，内阻很小，有 E2=U2，故 。这样引导学生进行公式推导，学生就会自然地从能量角度看变压器，知道它不能产生电能，它只是通过交变磁场传输电能。
二是让学生明白变压器不仅对交流电工作，对一般直流电也能工作
在变压器的原线圈中通入交流电时，铁芯中会产生变化磁场，副线圈中将产生感生电动势，能对外供电。所以，教学中教师要向学生格外强调，当变压器原线圈中通入一般直流电（如脉动直流电）时，虽然脉动直流电方向没有变化，但其大小发生变化，使得副线圈中能够产生感生电动势，因此能对外供电，并且所产生的感生电流为交流电。只有当原线圈中通入恒定电流这种特殊直流电时，因电流大小和方向都恒定不变，铁芯中的磁场是稳定的，副线圈中的磁通量没有发生改变，所以才没有感生电动势产生，不能对外供电，变压器不工作。
三是让学生理解变压器不能改变交流电的表征量
变压器可以改变交流电的最大值、有效值初相。但由于原、副线圈中的电流在铁芯中共同产生的磁通量的变化快慢时刻都相同，因此副线圈产生的感应电动势的变化也就相同，所以不能改变交流电的周期和频率。如一个周期为 0.02 秒、频率为 50 赫兹的正弦交流电，在经过变压器变压之后，输出的交流电周期、频率仍然分别为 0.02 秒、50 赫兹，并且波形仍为正弦波。
四是让学生知道变压器工作时原线圈不是短路
变压器正常工作时，变压器的原线圈直接接在交流电源两端。虽然原线圈的直流电阻很小，但接在交流电源中并不能看成是短路。可以简单地解释为：原线圈通入交流电后会产生感抗，对交流电有阻碍作用，这就相当于是给原线圈接入了负载。感抗的实质是原线圈通入变化的交流电时，由于线圈的自感作用，线圈将会产生一个自感电动势，这个自感电动势会阻碍电路中电流的变化，从而使电路中不可能产生过高的电流，这样就不会导致短路了。
五是让学生掌握公式 和 的适用条件
当变压器只有一个副线圈时，以上两公式都成立。公式中的 U 和 I 通常指交流电压、电流的有效值，但也可以是交流电的最大值。如果变压器同时存在多个副线圈时，公式 仍然成立，可扩充为 U1∶U2∶U3∶…=n1∶n2∶n3∶…，而公式 不再成立。此时，根据能量守恒 P入=P出 可得 I1U1=I2U2+I3U3+…，从而推得 n1I1=n2I2+n3I3+…，故当变压器存在多个副线圈时，原、副线圈中电流关系为：n1I1=n2I2+n3I3+…。
六是让学生知道输入电流、输入功率由输出的负载决定
当变压器的原副线圈匝数 n1，n2 及输入电压 U1 确定后，输出电压 U2 也就确定了。根据能量守恒 P入=P出 可得 ，即 ，由此可知输入电流 I1 是由负载 R外 决定的。当 U2 两端空载，即 R外 取 ∞ 时，输入电流 I1=0（现实中 I1 不可能为零）；当 U2 两端短路，即 R外=0时，输入电流 I1 达到 ∞，如这样长时间工作，那么变压器就会烧坏。由此，也可得到 ，因输入电压 U1 和输出电压 U2 已确定，故 P入 随着 R外 的减小而增大，随着 R外 的增大而减小。也因为 ，所以也可知是输出功率 P出 决定输入功率 P入。
教师如果在教学变压器的过程中注意以上几个问题，就有助于学生更好地了解变压器，以及掌握变压器的相关知识。
总而言之，在高中物理教学中，我们要通过备好课把每一节课的重难点吃透，要做到心里有数，这样才能合理安排时间，由易到难、深入浅出地讲解。同时，教师要引导学生对要点问题多作横向、纵向联系，引导学生主动发现和思考问题，增加学生的思维活动量，使学生的思维不断深化，从而领会和掌握物理知识。
（责编 卢建龙）
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