变压器探究实验的误差控制与方案优化

摘要

为改进高中物理实验“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”的教具，引入由铁氧体、铜线等材料自制的变压器作为实验器材开展教学。该变压器的教学优点在于：在线圈匝数较少时仍能呈现明显的变压效果，学生可在课堂上现场制作变压器，从中逐步认识到变压器的组成结构，从而增强对变压器的感性认识；能充分发挥铁氧体高磁导率和低涡流损耗特点，提高磁场的传导能力，减弱铁芯本身的能量损耗，使铁氧体变压器的能量传输效率相比于硅钢片变压器效率更高，最终提高实验的精确度。此外，学生可在实验中根据需要绕制不同的匝数，获得大量的数据进行实验分析，从而深入理解电压与匝数的定量关系。

Graphical abstract

关键词

物理实验 / 自制教具 / 变压器 / 铁氧体 / 电压 / 线圈匝数

变压器在生产生活中应用非常广泛，如在实际生产生活中，无论是远距离输电，还是各种用电设备，都需要利用变压器改变电压以适应不同需求。变压器属于人教版高中物理选修二第三章“交变电流”第三节的教学内容。该节内容是电磁感应教学的进一步延伸，同时又为远距离输电的学习做好了准备。新课程标准对该节课的要求是：通过实验，探究并了解变压器原、副线圈电压与匝数的关系^［1］。教学实践证明，设计精确的探究实验，能够让学生通过分析实验数据得出变压器变压规律，成为该节课教学研究的首要任务。

1 教学用可拆变压器的缺点

变压器由铁芯和线圈组成，其工作原理是互感。当原线圈接交变电流时原线圈磁场发生改变，在铁芯中产生变化的磁通量，副线圈的磁通量随之发生改变产生感应电动势，当两个线圈的匝数不同时即可改变电压大小。

教材针对“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验，给出“教学用可拆变压器”（图1）作为实验器材^［2］，其铁芯材料由硅钢片制成，且用铜导线绕制成原、副线圈，每个线圈不同匝数对应不同的接线柱。按图2所示连接实验电路，实验测得的数据见表1。

由实验数据可以发现，当原、副线圈匝数不变时，输入电压U₁与输出电压U₂的比值和原线圈匝数n₁与副线圈匝数n₂的比值近似相等，但仍存在一定误差，且相对误差均超过3%，这与实际变压器的变压规律存在差距。实际上，大型变压器（如三峡水电站电力设备中的变压器）的输入电压、输出电压、原线圈匝数、副线圈匝数的具体数值如表2所示，从中可以看出\frac{U_{\mathrm{1}}}{U_{\mathrm{2}}}=\frac{n_{\mathrm{1}}}{n_{\mathrm{2}}}，误差为0。

2 自制教具助力教学效果

为了在教学中得出更精确的实验数据，并让学生对变压器有直观认识，笔者决定对教学用的变压器进行创新改进，即从变压器的铁芯材料入手，查找到工业上制造的变压器铁芯材料为铁氧体，因此利用铁氧体材料自制变压器。

铁氧体一般是指铁族元素和其他一种或多种适当的金属元素的复合氧化物，属于半导体材料^［3］。目前，铁氧体材料在家用电器、通信设备、交通运输、医疗器械、办公设备、照明系统等领域应用十分广泛^［4］，已成为这些领域不可或缺的重要功能材料。铁氧体相比于硅钢片的优势是磁导率更高，且具有低涡流损耗的特点^［5］，因此用铁氧体制作变压器的优越性更加突出。

将变压器的铁芯由硅钢片换成铁氧体，用0.7 mm的铜质漆包线制作线圈，将两股铜导线分别绕制在铁氧体上，遂制成变压器。笔者组织学生针对铁氧体的形状和导线的绕制位置分别进行了探究。如图3所示，分别试验了口字形、O形、E形铁氧体，铜导线缠绕的位置在两端或同一侧，最终发现——使用E形铁氧体，并将两股铜导线绕在中间立柱上时，实验误差最小。此种绕制方式与工业变压器的绕制方式极为相似。

3 利用自制变压器开展实验教学

在课堂教学中，利用自制变压器开展“探究变压器原、副线圈电压与匝数关系”的教学环节主要有4部分：制作变压器、设计并进行实验、实验数据分析、实验误差分析。具体教学过程如下。

3.1 学生制作变压器

了解变压器结构后，学生利用两只E形铁氧体和两段铜质漆包线制成变压器。方法：将线圈分别绕制在两只E形铁氧体的中间部位，线圈匝数可以是几匝也可以是几十匝，因此每组学生制作的变压器匝数各不相同。

3.2 设计并进行实验

先将变压器原线圈与电源、滑动变阻器构成闭合回路，再将数字电压表并联在线圈两端测量原线圈的输入电压，最后将另一数字电压表并联在变压器副线圈两端测量输出电压，如图4所示。为了能采集多组实验数据，应使用最小的滑动变阻器，其最大阻值为5 Ω。实验时，调节滑动变阻器阻值，改变变压器的输入电压，再通过数字电压表读出变压器原、副线圈的电压值并记录在表格中。

3.3 实验数据分析

利用共享文档将每组实验数据输入Excel表格中，教师投影展示各组实验数据。每小组只改变单一变量输入电压，学生再利用不同小组间变压器匝数不同的实验数据得出初步实验结论。教师利用Excel数据处理功能进行数据处理，学生得出实验结论：①原线圈电压和匝数不变时，副线圈匝数越多，输出电压越高；原线圈和副线圈匝数不变时，输入电压越高，输出电压越高；②\frac{U_{\mathrm{1}}}{U_{\mathrm{2}}}=\frac{n_{\mathrm{1}}}{n_{\mathrm{2}}}；③输出电压U₂比理论值偏小。

3.4 实验误差分析

通过实验发现，利用铁氧体制作的变压器实验误差均不超过2%，更有多组数据误差为0，比用硅钢片制作的变压器实验误差更小。此变压器输出的电压几乎与理想变压器输出电压相当，因此学生使用铁氧体变压器探究变压器变压规律，可以获得更准确的实验现象和更接近理论值的实验结果。

分析数据发现：部分\frac{U_{\mathrm{1}}}{U_{\mathrm{2}}}>\frac{n_{\mathrm{1}}}{n_{\mathrm{2}}}，即变压器输出的电压值比理论值略小。引导学生分析实验误差的来源，提示从能量的转化和传输角度出发，分析变压器在工作过程中可能会存在哪些能量损失，即可在此基础上建构理想变压器的物理模型。

4 教学反思

（1） 动手制作变压器以增强对变压器的感性认识。

变压器是电子工业中的重要器件，虽然学生在生活中经常用到含变压器的设备，但是很少会剖开设备内部观察到变压器，因此学生对变压器十分陌生。为了消除学生对变压器的陌生感，笔者让学生利用铁氧体和铜线制作变压器，在制作过程中学生对其结构的认识更加深刻，有利于对变压器工作原理的理解，同时提高了物理实验的动手能力、同组间合作交流能力。

（2） 改进教具提高实验精确性以助力教学效果。

从实验材料入手，改变以往的硅钢片变压器，采用铁氧体自制变压器。利用自制变压器进行实验，减小了实验的系统误差，使实验测量结果与理论值相差甚小。学生利用此教具进行实验并采集实验数据后，可以验证变压器原、副线圈电压与匝数的关系，从而加深对变压器工作原理的认识。

（3） 利用自制教具获得“大数据”背景下的实验结论。

一般情况下，实验结论需要有充分、可靠的实验数据支撑。在利用自制变压器进行实验时，由于原、副线圈是现场缠绕的，且线圈匝数可以随意改变，因此学生利用自制变压器可以采集大量的实验数据，且每组制作的变压器线圈匝数各不相同。最终，各小组在统一实验设计下独立完成实验，通过数据共享，每个学生可以获得足够样本量（基于功效分析确定）的数据，且在严格的数据质量控制基础上进行统计分析，从而得出具有统计学意义和实际意义的实验结论。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2020．

[2] 人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中教科书物理选择性必修第二册［M］.北京：人民教育出版社，2020.

[3] 徐小玉，黄之德，赵玉涛.磁性陶瓷靶材的制备及其应用研究［J］.真空，2007（03）：72-74.

[4] 薛蕙，圣力.变压器铁芯材料及其技术动向［J］.磁性元件与电源，2015（01）：8.

[5] 范黎锋，赵玲娜，范莉.节能型变压器铁芯材料的研究［J］.江西能源，2009（02）：54-56.

基金资助

北京物理学会2026—2027年度教育教学科研立项课题“物理科学思想方法在中学物理课堂的显化教育研究”(WLXH262280)