直流变压器的设计、制作与教学，本文主要内容关键词为：变压器论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
物理学是一门以实验为基础的自然学科。在物理教学中，如果能充分发挥物理实验的多种功能和作用，不但可以帮助学生理解和掌握知识，更能培养学生的自主能力。创设一个优化的问题情境，是教师激励学生主动学习的根本保证。优化教学问题情境有助于新旧知识间的联系，促进知识迁移，加深对概念的理解，促进学生的自主学习和能力的提高。
在《新课标》下人教版《物理·选修3-2》第四章交变电流教学的基础上，我们以变压器能否传输直流电，以及如何实现直流电能的传输为中心议题，发动全校师生开展探究性学习和合作性学习，尝试应用科学探究的方法研究物理问题，验证物理规律，收到了很好的效果。下面介绍这次活动中的一个优秀方案供参考。
一、直流变压器的实验原理和实物连线图
变压器不能改变恒定电流的电压，但可以改变脉动直流的电压，起到电能传输的目的。因此，能否使恒定电流变换成脉动直流，是实验设计成功与否的关键。
1.实验原理图
实验原理如图1所示。
图1
2.实物连线图
1.手机电池 2.开关 3.滑动变阻器 4.直流电流表 5.脉动开关（直流电动机） 6.变压器
图2
实验实物连线如图2所示。
3.脉动开关的设计
直流变压器的关键之一是设计出简单实用的脉动开关，使初级直流通断变化，在原线圈中提供变化的磁通，实现电能的传输。
脉动开关采用简易电动机获得，电机转动时它的转轴作为“自动通断电装置”，它可以把由电池供给的直流电改变为时有时无的脉冲电流，从而使线圈在转动的一周内，只有半周线圈中有电流，此时在磁场力作用下线圈加速旋转，另半周线圈中无电流，这时线圈依靠惯性转动。这样的设计既原理清楚又便于学生制作且能实现持续通断。简易直流电机实物装配如图3所示。
图3
4.变压器铁芯和原副线圈
为有利于学生探究活动的开展，体验变压器的构造与功能，改固定不可拆变压器铁芯为高磁导率的铁氧体磁芯（可用废旧电视机中的行输出磁芯替代）。原、副线圈用漆包线在PVC管（或纸筒、竹管均可）上绕制。实物如图4所示。
图4
二、工具与材料
尖嘴钳，直径约1.5cm、高约3cm的PVC导管两段（护线管），导线，开关，滑动变阻器，直流电流表，木板，图钉，废旧手机电池（或2节干电池），小刀，小磁铁，漆包线，裸铜线，胶带纸，废旧电视机行输出磁芯，发光二极管等。
三、制作过程
(1)以一长约45～50cm、宽约25～30cm的长方形木板为底座，在底座上放置小磁铁，磁铁两侧各用一根直径1～2mm、长约10～12cm的裸铜线做一线圈支架并兼作线圈与电源间的连线。
(2)将直径约0.7mm、长约200cm的漆包线以手机电池为骨架（或长方形木块）在其上绕10～12圈，两端各留2cm作为引出线，2根引出线从线圈的正中引出，且两引出线的连线基本通过线圈的重心，使两引出线作转轴时能保证线圈平稳转动，用胶带纸或细线将线圈扎紧。
(3)把线圈平放在桌面上，用锋利的小刀将线圈两端引出线（兼作转轴）与支架接触部分的下半圈绝缘漆刮去（注意另上半圈上的绝缘漆保留），即制成一“自动通断电装置”，也是本文中的核心部件“脉动开关”。
(4)把线圈的两引出线分别装在裸铜线支架上方的圆环中，使其可以灵活转动。如发现线圈两侧不平衡，可略微调整轴线的位置或在轻的一侧粘贴胶带纸作为配重。调整线圈与磁铁间的距离，找到一个最佳位置，使线圈不仅能转动，而且能转得较快。
(5)将直径约0.5mm漆包线密绕在PVC管上制作原、副线圈：绕40圈作初级线圈；绕40圈、80圈两个线圈作次级线圈，并连上发光二极管。（探究变压器匝数与电压间的关系）
四、实验过程与分析
(1)按图1连接好电路。移开磁铁，使转子线圈置于支架上。副线圈不接入电路。
在磁铁位置放上一枚小磁针，并使磁针处在线圈的正下方，调整底座方位，使磁针在地磁作用下保持磁极方向与转子线圈下边平行。闭合开关，观察电流表示数和磁针偏转情况；闭合开关，改变变阻器阻值，观察磁针偏转角度有无变化；改变电源极性（同时改变电流表连线），闭合开关，观察小磁针偏转方向有无变化。解释观察到的现象。
调整变阻器的阻值，使初级回路中的电流为0.3A左右。闭合开关后，此时用手提变压器磁芯上部分，发现磁芯上下吸合牢固可整体提起；观察二极管的发光情况，两枚二极管皆不亮；用手拨动转子线圈，使电路处于通断变化，观察二极管发光情况，发现其交替闪亮。（知识点：直线电流的磁场；通电螺线管的磁场；通、断电自感现象）
(2)移开小磁针，移回磁铁，使转子线圈置于支架上，副线圈套入磁芯中。闭合开关，使电动机能正常转动。观察电流表指针指示情况；观察与原线圈、副线圈相连的二极管发光情况。用示波器观察原、副线圈两端的电压波形。用已学知识解释看到的现象。（知识点：电流表指针在0.2A位置摆动，回路中有脉动直流电。副线圈二极管闪亮，实现了电能的传输，电磁感应知识、变压器原理知识）
(3)改变电源极性（同步改变电流表的接线）或改变磁铁极性（上下倒置），闭合电路后观察转子旋转方向有无变化。解释看到的现象并检验安培力左手定则。
(4)闭合开关前后，用手提磁芯上半部分，对比前、后两次磁芯间相互作用情况和手用力大小的异同，并注意磁芯作用产生声音的异同，解释发生的现象。（知识点：闭合开关前铁芯上下两部分间无磁力作用，闭合开关后铁芯上下两部分间磁力作用非常明显。通电时由于磁力的作用，磁芯间有碰触的声音。通过这些体验，使学生明确变压器原、副线圈中的“电”是通过铁芯中的“磁”来“相互”联系的。接通电源，铁芯被磁化，并不带电，铁芯吸合在一起构成闭合磁路，铁芯内部有磁场，磁场是具有能量的。变压器就是把电能通过磁场能再转换成电能的装置）
(5)换用不同匝数副线圈接入电路，闭合开关后，观察二极管发光亮度有无变化（用示波器监测线圈输出波形和电压的变化情况），对比前、后结果，解释观察到的现象。（定性和定量分析原、副线圈电压与匝数间的关系）
五、结束语
上述的实验方案，由于取材容易，制作简单，原理清楚，在教师的指导之下，学生主动探究、勤于实践、认真思考、相互合作的积极性空前高涨，是我校实施新课改背景下教师间、师生间合作与探究的结晶，培养学生的科学素养，创新精神和实践能力所取得的成效明显，有助于提高学生应用物理知识分析和解决实际问题的能力。
这一实验对于无交流电源的教学场合讲解变压器原理、帮助学生感受与理解电能的传输有极大的帮助。