“变压器”课题的优化教学设计，本文主要内容关键词为：教学设计论文,变压器论文,课题论文，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。
一、设计思想
1.“变压器”课题的教学应围绕“什么是变压器？”“变压器副线圈为什么有电压？”“变压器为什么能改变电压？”“变压器是怎样改变电压、电流的？”等问题为线索展开教学过程。
现行教材为降低难度，在“变压器为什么能变压”这个关键性问题上用“从实验知道”这样一句话避过去了，并没有介绍变压原理，教材的方法教育功能被大大削弱了。为克服这一缺陷，针对学生现有的知识水平和认知特点，在不增加教学难度的前提下，笔者采用定性分析和定量推导相结合、实验探究和理论推导相结合的方法，使学生先在实验探究中发现电压与线圈匝数之间存在的关系，然后从电磁感应原理出发解释和推导这一关系。这样处理，学生对变压器的变压原理的理解将更加深刻，学生的实验能力和理论分析能力将同时得以训练和培养。
2.以能量的转化和传输为核心，突出变压器的理想化模型，应是处理本节课教学内容所遵循的基本原则。
课本上并没有“理想变压器”的字样，但课本上给出的两个等式却只适用于理想变压器。笔者认为，明确“理想变压器”的概念远比含糊其词好。教学中通过引导学生分析变压器传输电能时因各种原因而产生的电能损耗，提出变压器的理想化条件，建立理想模型，在此基础上进一步分析导出理想变压器原副线圈的功率关系、电压关系和电流关系。这样处理教学思路严谨清晰，教学过程自然流畅，不仅能使学生准确理解理想变压器的工作原理和工作特性，而且能使学生再次学习建立物理模型的方法，有利于提高他们的分析概括能力。
3.定性实验与定量实验相结合、静态实验与动态实验相结合，是实现突破本节课教学重点和难点的关键举措。
教材及传统教学力图通过对实际变压器（通常是可拆变压器）的定量实验准确得出理想变压器的电压公式和电流公式。实际上两者差别较大，是难以得到理想结果的。另外，线圈都是已经绕制好的，有多少匝，只能听教师讲，学生并不能直接感知，实验效果不佳。笔者教学时在进行定量实验的基础上，增加了动态定性实验的演示。例如，在探究闭合铁芯在变压器中的作用时，增加了“变压器的铁芯从不闭合到闭合时，小灯泡的亮度逐渐增加”的实验；在探究电压、电流与线圈匝数的关系时，增加了“小灯泡的亮度随原副线圈匝数比的变化而逐渐变化”的实验；在探究原副线圈电流、功率与负载电阻的关系时，增加了“原副线圈的电流随与小灯泡并接支路的增加而不断增大”的实验等。这些动态演示实验避开理想变压器与实际变压器的差异，突出展示了它们相同的物理本质和动态变化规律。教学实践表明，学生对这些动态演示实验不但容易直接感知，印象深刻，而且加深了对变压器这一常见电气设备的全面理解和动态把握，训练了学生的观察能力和动态分析能力。
4.重视问题情境的创设和学生思维动机的激发，引导学生主体积极参与教学，主动地探究和建构知识，是优化本课题教学过程的有效途径。
传统教学常把这节课上成变压器原理介绍课，忽视了课题的方法教育功能（实验方法、理想化方法等）和学生思维能力、探究能力的培养。因此笔者力图将本课题的教学转变成为师生共同参与的启发式问题探究课，在教学中以实验为载体展开过程，以问题为线索将课堂教学组织起来，通过积极创设问题情境，力求使实验与思维有机结合，层层递进，使学生始终处于积极参与探究的状态之中，充分展现物理课教学的特点和魅力。
二、教学过程
1.创设问题情境，引入新课题
师：请同学们思考，若将额定电压为6V的小灯泡直接接到照明电源上，会出现什么现象？
生：因为电源电压（220V）远大于小灯泡的额定电压（6V），小灯泡会立即烧毁。
师：现在只有照明电源，根据以前所学的电路知识，你有办法使小灯泡正常工作吗？
生：可以，拿一个适当阻值的电阻与小灯泡串联，接入照明电路中。
师：那么，你认为用这一办法时电源电能的利用率怎样？
生：因为分压，电阻上的电压较大，消耗较大的电功率，所以这时电源电能的利用率并不高。
师：能否设计一种办法或装置，使电源损失较小的电能而又能使小灯泡正常工作呢？事实上，上述矛盾在现实中普遍存在。在日常生活、生产中使用的各种用电设备，需要的电压不是都一样的。如家用电器（电灯、电炉等）需要220V电压，打点计时器只需要4～6V电压， 电视机显像管又需要一万多伏的电压，等等。在由统一的电源供电的情况下，为适应这些不同的电压需要，就要有一种能改变电压的电气设备——变压器，那么它是怎样实现改变电压的目的呢？今天我们就来研究这一课题。
2.变压器的组成及工作原理的探究
师：变压器由哪几部分组成？它又是怎样工作的呢？请大家观察实验。
演示实验1 拆开可拆变压器的各组成部分， 让学生观察并回答其基本组成。然后把可拆变压器的两个线圈分别与照明电源和小灯泡连接，观察到小灯泡正常发光。
用投影显示出单相变压器的结构示意图及电路图，如图1所示。 结合图示和实物介绍变压器各部分的名称。
师：变压器的工作原理是什么？当变压器的原线圈接上交变电源后，副线圈两端为何会有电压而使灯泡发光呢？请同学们用以前所学的知识解释产生这一现象的原因和过程。
学生在变压器示意图中通过对变压器工作时电磁关系的分析，得出变压器的工作原理是利用了电磁感应现象，原线圈接交流电源后，在闭合铁芯内产生了交变的磁通量，它通过副线圈，使副线圈两端产生感应电动势。
师：这时的副线圈就可以作为电源使用，当把用电器接在副线圈两端时，副线圈电路中就出现电流。若从能的转化角度看，变压器是怎样转化和传输能量的？
生：原线圈输入的电能先转化成原副线圈中的交变磁场能，再转化成变压器副线圈输出的电能。
3.理想变压器模型的建立
师：若使变压器中的铁芯不闭合或撤去铁芯，原副线圈是否还会发生电磁感应？
生：原线圈中的磁通量仍有部分通过副线圈，还会发生电磁感应。
师：那么，为什么说铁芯是变压器的重要组成部分？
演示实验2 使可拆变压器的铁芯由不闭合到闭合，如图2所示，接在副线圈两端的小灯泡亮度从较小到正常发光。
生：若无铁芯或铁芯不闭合时，原线圈中的磁感线只有一小部分贯穿副线圈，大部分漏失在外，有了闭合铁芯，由于铁芯被磁化，绝大部分磁感线集中在铁芯内部，贯穿副线圈，大大增强了变压器传输电能的作用。
师：可见，漏失的磁感线不能起到传输电能的作用。有了闭合铁芯后，漏失的磁感线大大减少，但能完全避免漏失吗？
生：不能，仍会有一小部分磁感线漏失在周围空间。
师：因此，变压器副线圈输出的电能要小于原线圈输入的电能。实际变压器工作时，除了因漏磁而损耗电能外，还有哪些方面的原因也会引起电能损耗呢？
先让学生思考，鼓励提出猜想，再让一位同学用手触摸工作后的变压器线圈和铁芯，并说出感觉。
生：原副线圈有电阻，通电时要发热；铁芯在反复磁化时也要发热，都要损耗电能。
师：现在，由于在材料和技术上采取了许多有效措施，实际大型变压器的效率（输出与输入的电功率之比）可高达97—99.5％，电能损耗可以很少。如果我们设想有一种完全没有能量损耗的变压器，称它为理想变压器，这种变压器应具备哪些条件？
学生自己归纳后得出：①原副线圈没有电阻；②无磁感线漏失；③铁芯不发热。
师：理想化是科学研究中一种常用的重要方法，在前面学习中，我们通过这一方法得到了许多重要的物理模型（如质点、单摆、理想气体等）。现在，我们弄清了变压器工作时起作用的各种因素，通过分清主次，并突出主导因素，建立了理想变压器的模型。下面就以理想变压器为对象，进一步研究其工作特性和变压规律。
4.理想变压器工作特性的研究
师：理想变压器原线圈的输入功率P[,1]和副线圈的输出功率P[,2]存在何种关系？
生：输出功率等于输入功率，即P[,2]＝P[,1]。
师：理想变压器原副线圈两端的电压又存在怎样的关系？
演示实验3 演示电路如图3所示，原线圈匝数400匝， 接交流电压U[,1]＝12V，用交流电压表测量副线圈匝数分别为200匝和800匝时的电压，读数分别为6V和24V左右。
师：从实验中可发现变压器原、副线圈上的电压与其匝数存在怎样的关系？
生：原副线圈上的电压与其匝数成正比，即
师：当变压器原副线圈的匝数比增大或减小时，副线圈的输出电压将随之怎样变化？
演示实验4 如图4所示，将绝缘导线逐渐绕上铁芯，小灯泡逐渐变亮；将导线逐圈拉出，小灯泡逐渐变暗。让学生观察后分析得出结论。
师：什么情况下变压器可以用作升压使用？什么情况下变压器可以用作降压使用？
生：当n[,1]＞n[,2]时，U[,1]＞U[,2]，作降压变压器使用； 当n[,1]＜n[,2]，U[,1]＜U[,2]，作升压变压器使用。
师：现在我们已经研究了理想变压器输入功率与输出功率、输入电压与输出电压的关系，为了全面掌握变压器的工作特性，还应该研究其什么？
生：变压器的输入电流与输出电流的关系。
师：如何根据已掌握的变压器知识导出输入电流I[,1] 与输出电流I[,2]的关系？
即原副线圈通过的电流与其匝数成反比。
师：变压器原副线圈的匝数不同，原副线圈的电压和电流也不相同，这对绕制线圈的导线有何要求？
学生讨论后得出：变压器的高压线圈匝数多而通过的电流小，应该用较细的导线绕制；低压线圈匝数少而通过的电流大，应该用较粗的导线绕制。
5.变压器知识的巩固与深化
问题1 如图5所示，原、副线圈的匝数分别是n[,1]＝800匝，n[,2]＝160匝，蓄电池的输出电压为12V，则电压表的示数多大？
学生认真计算后的结果几乎清一色为2.4V。
师：现在我已完全按照图5接好了电路，请大家仔细观察， 它到底显示几伏？
演示实验5 先把电压表用“头盖”遮起来，将电键闭合后， 缓缓揭去“头盖”时，电压表的指针稳稳地指在零位置上。学生惊讶片刻后马上恍然大悟，对结果做出了正确的理论解释。接着将电键断开，在断开的瞬间，电压表指针有明显摆动，学生立即对它做出了正确解释。然后再把通电——持续——断电完整地展示一次，加深了学生对变压器的工作原理及“恒定电流不能通过变压器变压”的理解。
问题2 有一理想变压器，原、副线圈匝数比n[,1]：n[,2]＝10：1，当它正常工作时，求；
（1）原副线圈的输入、输出电压之比；
（2）原、副线圈中的电流之比；
（3）原副线圈的输入、输出功率之比；
（4）穿过原副线圈的磁通量变化率之比；
（5）原副线圈上的电流、电压频率之比；
（6）当副线圈上的负载电阻减小时，原副线圈上的电流、电压、 功率将如何变化？
上述（1）～（5）小题学生几乎能完全作出正确回答，第（6 ）小题先让学生讨论、猜想，然后用下面的实验验证结论。
演示实验6 如图6所示电路，将电键逐个闭合，使小灯泡依次接入电路，负载总电阻不断变小，观察到电流表示数不断变大。
分析实验现象，引导学生得出第（6）小题的结论。 对实验中出现的小灯泡亮度变暗及电流表示数不成理想比例增大等问题，启发学生思索讨论，得出这是因实际变压器存在各种损耗造成的。在此基础上，归纳出理想变压器工作的动态规律：①变压器确定后，原副线圈上的电压比不随负载变化而变化；②变压器的输入电流、功率分别由输出电流、功率决定；输出电压由输入电压决定。
（课堂小结、板书及布置作业略）