利用Multisim软件攻克变压器电路中变阻器引起的功率难题*
——以2020年福建省高三质检理综第16题为例

郑俊汉 陈新光

(福建师范大学附属中学 福建 福州 350007)

陈悦华

(福建师范大学物理与能源学院 福建 福州 350108)

电功率是高中物理电学中重要的物理概念之一，也是高考常考的热点之一.含有理想变压器电路中的功率问题是高中物理的教学难点，若在电路中再加入滑动变阻器的调节更是让学生难以掌握.多数课堂采用公式推导的方法讲解，这对学生的数学能力要求颇高；若想通过搭建实验平台来实现现场演示，这种方法又存在电路不直观、实验误差大、实验仪器往往不能满足题目要求等局限性.特别体现在变压器电路中出现滑动变阻器的调节问题，实验难度更大.诸多教学一线教师一直在探寻一种现场演示效果理想、满足各种变压器题型要求、实验结果较为准确明显的实验方法.

本文介绍的Multisim是美国国家仪器公司研发的一款仿真软件[1]，是电子电路设计工程师必备的工具.该仿真软件具有界面清晰，仿真仪器种类丰富，操作简单等优点，恰好能满足中学课堂的各种电学实验电路教学与仿真需求.鉴于以上分析，本文借助Multisim仿真软件重点解决在变压器电路中含有滑动变阻器引起的有关功率的问题，旨在能实现更直观地帮助学生理解、提升物理水平的目的.

1 原题呈现

【题目】(2020届福建省高三毕业班质量检测测试理综第16题部分改动)图1为探究变压器电压与匝数关系的电路图.已知原线圈匝数为 400 匝，副线圈“1” 接线柱匝数为 800 匝，“2”接线柱匝数为 200 匝，ab端输入的正弦交变电压恒为U，电压表V1和V2的示数分别用U1和U2表示，滑片P置于滑动变阻器中点，则开关S( )

B.打在“1”时，U1∶U2=2∶1

C.打在“2”与打在“1”相比，灯泡L可能更暗

D.打在“2”与打在“1”相比，ab端输入功率更大

图1 探究变压器与匝数关系电路图

2 试题分析

本题意在考查学生能运用变压器及电路分析等相关知识，要求学生掌握电路分析及变压器输入功率与输出功率的关系.在电路中，变压器与滑动变阻器后半部分并联，由串并联电路的特点可知并联电路的总电阻一定比滑动变阻器并联部分阻值的一半还小，根据串联电路电压的分配可知，选项A错误.U1和U2是理想变压器原、副线圈两端的电压，原、副线圈匝数为400匝与800匝，则原、副线圈两端的电压比为U1∶U2=1∶2，选项B错误.选项A和B对于高三学生来说，比较容易通过分析得出结论.而选项C和D是关于电功率的分析判断，开关S从“2”打到“1”，变压器从降压变压器变为升压变压器，如果U2变大，那么通过灯泡L的电流变大，根据变压器的电流关系可知，通过滑动变阻器的电流也变大，那么滑动变阻器在干路部分的电压就变大，由于电源电压不变，那么U1就变小了.经过分析发现，简单认为开关S从“2”打到“1”,U1变大的假设不一定正确.学生在判断上颇有难度.本题需要借助等效电路的方法能得到正确答案为选项C，详见下文分析.

3 Multisim仿真模拟

本题的Multisim仿真模拟电路图如图2和图3所示.模拟中设置电源电压为100 V的交变电源，滑动变阻器的最大阻值为10 Ω，根据题目要求设置变压器的匝数比分别为400∶800和400∶200，灯泡采用定值电阻替代，分别取阻值为1 Ω和10 Ω.两个万用表分别测量原线圈电压和副线圈的电压，用瓦特计来测量R的功率和电源的总功率.测试结果如表1所示.从表1可以看出，电压U1明显小于50 V，即选项A错误.当变压器匝数比为400∶800时，变压器两端的电压U1∶U2始终等于1∶2，满足理想变压器的匝数比等于电压比值的关系，选项B错误.选项C和D不易直接得出答案.从仿真的结果来看，不管负载R取多少，开关S从“2”打到“1”，电源的总功率都是变小，选项D错误；选项C的判断有点难度，但是从表格的模拟结果来看，R取10 Ω时，开关打到“1”时，负载功率较大，相反，R取1 Ω时，开关打到“1”时负载功率较小，从而判断负载电阻的功率大小与阻值有关，即选项C正确.因此，在讲评过程或者平时的教学过程中，结合Multisim仿真软件，能按照题目要求画出电路图，测出各个物理量，实现数据直观，对比明显，学生更容易理解.

图2 变压器匝数比为400∶800模拟电路图

图3 变压器匝数比为400∶200模拟电路图

表1 Multisim仿真模拟结果比较

4 理论拓展

图4 本题等效简化电路图

等效外电路

(1)

干路中的总电流

(2)

电源的总功率

Pab=I总U

(3)

R′支路的电流

(4)

R的功率

PR=I′2R′=

(5)

图5 电阻变化引起各个电功率变化情况

特别地，我们关注到电源的输出功率P的变化是一直增加，这是因为内阻r一定大于本题的外电路R并，外电路电阻越靠近内阻r，电源的输出功率就越大，符合理论分析.

5 总结与反思

变压器原、副线圈各个物理量的变化关系是高中生较难掌握的一大难点，也是高中物理教学的一个难题.要让学生掌握在变压器电路中加入滑动变阻器来引发各种问题的讨论，对目前普遍的高中学生而言，难度颇高.若能在平时教学课堂中引入Multisim软件用于教学，利用电路设计接近课本电路的相似性进行问题的分析与归纳，学生相对而言更容易接受和理解，便于教师在教学过程中突破该教学的重难点.该软件仪器丰富，操作简单，实验数据清晰、直观，有利于学生学习过程中对问题的理解.同时Multisim软件可操作性强，学生也能课后动手仿真，激发学生探究问题的热情，提升新高考下物理学科强化学生自主探索的核心素养.