戴朱軍

(張家港市樂余高級中學 江蘇 蘇州 215600)

STEM教育理念強調(diào)培養(yǎng)學生的科學、技術、工程、數(shù)學這4個方面的素養(yǎng)，但目前高中對變壓器的教學要求僅限于讓學生知道理想變壓器的工作原理，以及電流電壓和匝數(shù)的關系，未能體現(xiàn)出技術素養(yǎng)和工程素養(yǎng)方面的培養(yǎng)要求．因此，有必要對生活中廣泛應用的變壓器，進一步開展拓展應用教學，以培養(yǎng)學生綜合科學素養(yǎng)．

1 拓展教學一

為什么高壓原線圈的銅線比低壓副線圈細？

準備一個220 V轉(zhuǎn)換12 V的小型10 W電源變壓器，教師事先把原副線圈繞組上的絕緣保護塑料皮剝離，以便學生觀察，并用黑膠布把該變壓器上的廠家銘牌參數(shù)遮蓋住(因為銘牌上標明了輸入輸出的導線顏色、電壓、功率、匝數(shù)等參數(shù))，如圖1所示．

圖1 比較原副線圈的匝數(shù)和粗細

師：這是一個把220 V高壓轉(zhuǎn)換為低壓12 V的小型電源變壓器，通過觀察，你們能確定哪個是原線圈，哪個是副線圈嗎？

生：匝數(shù)多的是原線圈，匝數(shù)少的是副線圈，因為電壓和匝數(shù)成正比(大部分學生這樣回答)．

師：很好，那為什么高壓原線圈采用的銅線非常細呢？

學生各種回答：因為原線圈匝數(shù)太多，如果導線較粗就繞不下了；因為原線圈電流小，所以采用較細的銅線繞制；因為考慮成本，粗了浪費……

教師引導：同學們有多種看法，到底哪個有道理呢？讓我們來看一個變壓器廠家生產(chǎn)所用的漆包線的直徑與最大通過電流量的對比表格，如表1所示．同學們通過這個表格，能發(fā)現(xiàn)什么規(guī)律？

表1 常用漆包線線徑和最大載流對照表

生：漆包線的直徑越大(即越粗)，能夠通過的最大電流就越大．

師：很好，同學們現(xiàn)在明白了，因為對單個副線圈的變壓器，工作電流和匝數(shù)成反比，因為高壓原線圈匝數(shù)多，所以通過電流小，選擇能滿足最大載流量的較細導線就可以了[1]．這和生活中的水管完全類似，通過水流小，選擇較細的水管就可以了．

2 拓展教學二

輸出都為12 V的變壓器，匝數(shù)比220∶12 和2200∶120效果一樣嗎？

教師準備2只電源變壓器，都是220 V轉(zhuǎn)換12 V輸出，但功率分別為10 W和30 W，同樣用黑膠布把兩只變壓器上的廠家參數(shù)遮蓋，再讓學生觀察對比，如圖2所示．

圖2 兩變壓器電壓相同但大小不同

師：同學們，這兩個變壓器的輸入電壓和輸出電壓都是多少？

生：輸入都是220 V,輸出都是12 V．

師：如果看成理想變壓器，那匝數(shù)比是多少？

生：220∶12.

師：那能不能原副線圈繞制的匝數(shù)為220匝和12匝，或者2 200匝和120匝，甚至55匝和3匝？

生：……應該可以吧，匝數(shù)比都一樣，都是輸出12 V ?。?/p>

生：……

師：同學們想一想，如果原線圈匝數(shù)太少，對輸入的220 V交流電來說，原線圈的感抗XL是很大還是很??？

生：匝數(shù)越少，感抗越?。?/p>

師：感抗越小，那對輸入交流電的阻礙越小，就越接近于短路，就會電流過大而燒毀原線圈！現(xiàn)在同學們理解為什么原線圈匝數(shù)不能太少了吧？

請同學們思考另外一個問題，如果需要電壓器輸出更大的功率，那鐵芯內(nèi)的磁場應該越強還是越弱？原線圈的匝數(shù)需要越多還是越少？鐵芯截面積需要越大還是越??？

引導學生得出：當然是原線圈匝數(shù)越多，產(chǎn)生磁場越強，向副線圈輸送的磁場能就越大，需要的鐵芯截面積就越大．

師：很好，也就是說變壓器的功率越大，就需要原線圈匝數(shù)越大，鐵芯的截面積也要越大．功率越大的變壓器，往往外觀較大，重量也較重．所以雖然匝數(shù)比都是220∶12，但原線圈和副線圈的具體匝數(shù)選擇，需要根據(jù)鐵芯大小、設計功率、導線材料種類和截面積、交流電頻率等多種因素來確定．

3 拓展教學三

為什么手機充電器內(nèi)部的變壓器特別小？

教師事先準備一個輸出5 V/2 A的閑置手機充電器(又稱開關電源)， 把這個充電器拆開，以便學生觀察內(nèi)部的變壓器，并和上文中的10 W變壓器進行對比，如圖3所示．

圖3 手機充電器內(nèi)變壓器和普通變壓器大小對比

師：同學們能計算這個手機充電器的額定輸出功率嗎？另外對這個手機充電器內(nèi)的變壓器有什么深刻印象？

生：由P=UI=5 V×2 A=10 W，和之前看過的變壓器功率相同，但體積要小很多很多！

師：對啊，變壓器體積和重量當然是越小越好，這樣才輕便．但變壓器要輕小，必需要減少漆包線的匝數(shù)和鐵芯的大小，那如何確保功率和輸出電壓不會降低呢？

生：……

動態(tài)范圍指的是畫面中最暗（1）和最亮（2）部分的亮度差距。不同相機的動態(tài)范圍并不相同，不過總的來說，因為像素尺寸更大，所以全畫幅相機通常擁有更高的動態(tài)范圍。一張照片的直方圖（如右圖所示）占據(jù)越多的橫軸空間（3），這張照片的動態(tài)范圍也就越高。

師：同學們想一想，副線圈為什么會輸出電壓？

生：電磁感應啊，副線圈會產(chǎn)生感生電動勢．

師：很好，那同學們由感生電動勢公式

去思考一下，如果減少匝數(shù)n和副線圈截面積S(即鐵芯截面積)，但要確保電動勢E不變，應該怎么辦？

師：很好，讓磁場變化得更快，也就是原線圈輸入的交流電要變化得越快，就是需要提高交流電的哪個參數(shù)？

生：就是提高頻率！

師：很好！我們手機充電器里就是通過高頻開關電路，把交流電的頻率從50 Hz 提高到了100 kHz，整整提高了2 000倍！這樣就可以顯著降低變壓器的匝數(shù)和鐵芯大小，從而讓變壓器變得更加輕小，這樣的變壓器稱為高頻變壓器，對應的電源稱為開關電源[2]．現(xiàn)在幾乎所有數(shù)碼類產(chǎn)品的電源，都是開關電源，其基本工作原理如圖4所示．

圖4 開關電源工作原理示意圖

4 拓展教學四

為什么沒有鐵芯也可以無線輸電？

通過展示華為Mate20 pro手機的無線充電功能宣傳圖，引入無線輸電話題．

師：無線輸電，摒棄了導線的牽連纏繞，讓手機充電更加便捷，那無線輸電的基本原理是什么呢？讓我們通過一個有趣的實驗，來研究一下．

教師拿出上文中已經(jīng)拆開的手機充電器，現(xiàn)場把一個事先繞好的30匝線圈的兩端，焊接在手機充電器內(nèi)高頻變壓器的副線圈上．再拿出一個事先繞好的30匝線圈，其兩端已經(jīng)焊接了一個發(fā)光二極管LED，如圖5所示．

圖5 自制無線輸電演示裝置

師：同學們，激動人心的時刻到了！現(xiàn)在我把充電器重新裝上外殼，把充電器插在220 V電源插座上，接下來，我慢慢把兩個線圈靠近，你們會看到什么呢？

實驗如圖6所示.

生：LED逐漸亮起來了！太神奇了！原來無線輸電這么簡單好玩啊！

圖6 演示無線輸電

教師引導講解原理：和高頻變壓器連接的線圈叫做發(fā)射線圈，發(fā)射線圈中通了高頻交流電，則這個線圈會在周圍空間激發(fā)出高頻交變磁場．連接LED的線圈叫做受電線圈，當受電線圈靠近發(fā)射線圈，就進入了交變磁場所在區(qū)域，由電磁感應原理，受電線圈中就產(chǎn)生了感應電動勢，閉合電路中產(chǎn)生感應電流，所以LED就亮起來了．這就是無線輸電的基本原理[3]，如圖所7示．

圖7 無線輸電原理示意圖

師：同學們發(fā)現(xiàn)，發(fā)射線圈和受電線圈間雖然沒有鐵芯，但交變磁場也能通過空間傳輸?shù)竭_受電線圈．為了提高無線輸電的效率，發(fā)射線圈內(nèi)的交變電流頻率應該更高些還是更低些？

生：和前面分析一樣的道理，應該進一步提高頻率，才能讓鐵芯更小，甚至直接取消鐵芯．

師：很好！目前無線輸電的技術方案有多種，其中有幾種方案中，交變磁場的頻率數(shù)量級高達MHz (106Hz)甚至GHz(109Hz)．

5 課后反思

通過以上系列探究，學生不僅了解到生活中變壓器和無線輸電中的工程技術知識，還對電磁感應、電磁波知識也有了更深的理解，學習物理的興趣更加濃厚，這正是STEM教育的魅力所在．在基礎教育領域，我們高中物理可能是(也應該是)最能體現(xiàn)STEM教育理念的一門學科，廣大物理教師大有作為！