基于核心素養(yǎng)的物理規(guī)律課教學(xué)設(shè)計(jì)

黃偉

關(guān)鍵詞核心素養(yǎng) 規(guī)律課教學(xué) 變壓器

本課圍繞“什么是理想變壓器、理想變壓器是怎樣改變電壓、理想變壓器有什么規(guī)律”展開(kāi)的.可以采用定性分析和定量推導(dǎo)相結(jié)合，實(shí)驗(yàn)探究和理論推導(dǎo)相結(jié)合的方法掌握電壓與線圈匝數(shù)之間的關(guān)系.同時(shí)，以能量轉(zhuǎn)化和傳輸為核心，突出變壓器的理想化模型，由此推導(dǎo)功率關(guān)系和電壓、電流關(guān)系.

【教學(xué)過(guò)程】

導(dǎo)入新課

師：同學(xué)們知道教室日光燈用的電壓是多少嗎？

生：220 V.

師：那大家知道輸送到我們校園的電壓是多少嗎？

生：不知道.

師：老師告訴大家，輸送到校園的電壓一般是10kV，10kV如何降低到220V呢？這就需要一個(gè)改變電壓的設(shè)備，這個(gè)設(shè)備叫變壓器，今天我們就一起來(lái)研究變壓器.

活動(dòng)1：了解變壓器的結(jié)構(gòu)

老師出示實(shí)驗(yàn)室可拆變壓器，并介紹變壓器的構(gòu)成.左右各有一個(gè)線圈套在鐵芯上，其中一個(gè)與電源相連的稱為原線圈（或初級(jí)線圈），另一個(gè)與用電器相連的稱為副線圈（或次級(jí)線圈）.線圈是由絕緣的銅導(dǎo)線繞制的.閉合的鐵芯是由涂有絕緣漆的薄硅鋼片疊加而成的，線圈與鐵芯彼此絕緣.

師：大家知道閉合鐵芯有什么作用嗎？

老師介紹變壓器的示意圖以及在電路中的符號(hào)，原副線圈的匝數(shù)一般是不同的，n1和n2分別表示原線圈和副線圈的匝數(shù)，U1和U2表示原線圈和副線圈的端電壓.

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)對(duì)器材展示和介紹，學(xué)生可以直觀看到變壓器的基本構(gòu)成.變壓器并沒(méi)有想象的那么神秘，同學(xué)們減少了些許畏懼感，便于對(duì)變壓器原理和規(guī)律的進(jìn)一步學(xué)習(xí).以提問(wèn)的方式介紹鐵芯的作用，并不是讓他們思考，而是為了突出閉合鐵芯約束磁場(chǎng)的作用，這樣做有利于理想變壓器模型的建立.本環(huán)節(jié)就是在為后續(xù)學(xué)習(xí)做好鋪墊，同時(shí)激起學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)的欲望.

活動(dòng)2：變壓器的原理

PPT展示如上圖電路，連接好實(shí)物電路并提出問(wèn)題。

師：接通電源小燈泡會(huì)發(fā)光嗎？

學(xué)生集體討論并給出答案，基于對(duì)互感現(xiàn)象的了解，認(rèn)為小燈泡會(huì)發(fā)光.

師：演示實(shí)驗(yàn).接好電路并打開(kāi)開(kāi)關(guān)，結(jié)果燈泡不亮（故意把原線圈接在穩(wěn)恒電壓的輸出端，且電壓較低防止出現(xiàn)小燈泡的閃亮現(xiàn)象）

生：是不是壞了，怎么會(huì)不亮呢？

師：想一想，可能是什么問(wèn)題？

生：可能是電路接觸不良，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)太小……

老師把電源改接在交流輸出上，再次打開(kāi)電源，這時(shí)燈泡亮了（提醒同學(xué)們注意老師改接的過(guò)程），再次引導(dǎo)學(xué)生分析為什么會(huì)這樣.

生：終于明白，剛才不發(fā)光是因?yàn)榻拥暮愣娏?

師：總結(jié)變壓器只能改變交變電流的電壓，其原理是互感現(xiàn)象.雖然兩電路并沒(méi)有直接相連，但是燈泡能發(fā)光，能不能試著從能量轉(zhuǎn)化角度分析能量是如何轉(zhuǎn)化的？

生：電能——磁場(chǎng)能——電能.

設(shè)計(jì)意圖：教師通過(guò)在實(shí)驗(yàn)上做“手腳”，使得實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出其不意.把學(xué)生的思維帶進(jìn)更深層次，思維的品質(zhì)得到提升，學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng)得到培養(yǎng).學(xué)生不僅深入地認(rèn)識(shí)到變壓器的原理是互感現(xiàn)象，更能從能量的角度理解相互不連接的電路能量傳輸?shù)倪^(guò)程，體現(xiàn)了學(xué)生具備能量觀這一核心素養(yǎng).

活動(dòng)3：理想變壓器模型的建立

師：在慢慢抽出上方的鐵芯過(guò)程中，觀察燈泡的亮度變化情況，再演示緩慢插入鐵芯的過(guò)程，說(shuō)明什么？

生：抽出鐵芯時(shí)燈泡亮度變暗，插入時(shí)又變亮.變暗是因?yàn)橛写艌?chǎng)能損失.

師：同學(xué)們觀察得很仔細(xì)，分析得也有一定的道理，閉合鐵芯可以有效地防止漏磁，也就是防止磁場(chǎng)能的散失.除此以外，工作過(guò)程中線圈內(nèi)有電阻也會(huì)產(chǎn)生熱量，鐵芯由于渦流的存在也有內(nèi)能產(chǎn)生，所以為了減少能量的散失，鐵芯是用硅鋼片疊合而成的，我們把忽略漏磁、鐵損、銅損這樣特征的沒(méi)有能量損失的變壓器叫做理想變壓器.所以理想變壓器的輸入功率和輸出功率相等，即P1=P2那么輸出電壓與輸入電壓有什么關(guān)系呢？

設(shè)計(jì)意圖：理想化是科學(xué)研究中常用的一種方法，讓學(xué)生建立起理想變壓器的模型也是教學(xué)難點(diǎn)之一.為了突破這一難點(diǎn)，教學(xué)中用可拆式變壓器巧妙設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生觀察到在移走上方鐵芯前后，小燈泡亮度明顯的變化，從而引出需要解決的問(wèn)題：鐵芯的作用是減少漏磁，接著從能量轉(zhuǎn)換角度，說(shuō)明變壓器把電能通過(guò)磁場(chǎng)能再轉(zhuǎn)換成電能，追問(wèn)這一過(guò)程中有無(wú)能量損失，引出銅損、鐵損等.學(xué)生能夠認(rèn)識(shí)到能量的損耗是客觀存在的，但這樣的損耗可以忽略不計(jì)，理想變壓器的模型就這樣逐漸建立起來(lái)的，物理模型的建立過(guò)程也是提升物理核心素養(yǎng)的重要方面.

活動(dòng)4：探究影響輸出電壓的因素

師：副線圈的輸出電壓與什么因素有關(guān)系？請(qǐng)進(jìn)行合理的猜想.

生：可能與原、副線圈匝數(shù)，輸入電壓，鐵芯等因素有關(guān).

師：說(shuō)得很好，這里的鐵芯我們已經(jīng)認(rèn)為無(wú)鐵損，所以下面我們來(lái)定量地研究一下輸出電壓與原、副線圈匝數(shù)及輸入電壓的關(guān)系，應(yīng)該采用什么方法研究他們的關(guān)系呢？

生：控制變量.

師：很好，如何控制呢？

生：保持原、副線圈匝數(shù)n1、n2一定，探究輸出電壓U2與輸入電壓U1的關(guān)系;保持輸入電壓U1、原線圈匝數(shù)n1一定，探究輸出電壓U2與副線圈匝數(shù)n2的關(guān)系;保持輸入電壓U1、副線圈匝數(shù)n2一定，探究輸出電壓U2與原線圈匝數(shù)n1的關(guān)系.

師：請(qǐng)同學(xué)們分為三個(gè)小組根據(jù)剛才的分析，設(shè)計(jì)出一組相應(yīng)的表格.

生：分組討論設(shè)計(jì)表格.

師：投影展示設(shè)計(jì)較好的表格，為了安全起見(jiàn)，給定一些條件再進(jìn)行測(cè)量，介紹測(cè)量的方法.

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù).

老師進(jìn)入小組進(jìn)行個(gè)別指導(dǎo)，并在每一小組中隨機(jī)挑選一組測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)物展示，再把數(shù)據(jù)輸入既cxcel電子表格中處理，把數(shù)據(jù)進(jìn)行散點(diǎn)擬合圖象，并得出相應(yīng)的關(guān)系，得到圖象如下所示：

由上圖可得：U2與U1成正比，U2與n2成正比.同上輸入第三組數(shù)據(jù)得到曲線，無(wú)法說(shuō)明U2與n1的具體關(guān)系，但從數(shù)據(jù)可以看出，U2隨著n1的增大而逐漸減小，同學(xué)們猜測(cè)一下，它們可能是什么關(guān)系？

生：反比關(guān)系，取n1的倒數(shù).

設(shè)計(jì)意圖：“科學(xué)探究”指的是學(xué)生用以獲取知識(shí)、領(lǐng)悟科學(xué)的思想觀念和方法而進(jìn)行的各種活動(dòng)與能力，是物理核心素養(yǎng)的重要方面.本環(huán)節(jié)通過(guò)問(wèn)題層層設(shè)計(jì)，讓學(xué)生經(jīng)歷從問(wèn)題的提出到猜想、方案設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理等一系列的科學(xué)探究過(guò)程，再通過(guò)理論探究最終發(fā)現(xiàn)變壓規(guī)律，領(lǐng)悟科學(xué)探究的方法，提升意志品質(zhì)和物理核心素養(yǎng).

活動(dòng)5：牛刀小試

老師展示習(xí)題：一臺(tái)理想變壓器原線圈的匝數(shù)為440匝，與220V的電源相連，當(dāng)副線圈接入額定電壓為12V的燈泡時(shí)，能夠正常發(fā)光.則變壓器副線圈的匝數(shù)為（ ）

A.12匝 B.6匝

C.24匝 D.44匝

生：選擇C，覺(jué)得很簡(jiǎn)單.

師：對(duì)，若燈泡的電阻為24，則副線圈中的電流是多少？原線圈呢？

生：副線圈電流是0.5A.

師：可以從理想變壓器的功率關(guān)系尋找思路.

師：非常好，電流關(guān)系是n1，=n2請(qǐng)同學(xué)們回顧一下本節(jié)課學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容.

設(shè)計(jì)意圖：習(xí)題的變式拓展，學(xué)生能通過(guò)嚴(yán)密的邏輯推理得到正確的答案，老師只需要適當(dāng)?shù)丶右砸龑?dǎo)學(xué)生就能順其自然地總結(jié)出理想變壓器的三個(gè)規(guī)律，通過(guò)這種自我歸納、自我發(fā)現(xiàn)，能夠進(jìn)一步提升學(xué)生邏輯推理的自覺(jué)意識(shí)和創(chuàng)新能力，進(jìn)一步提升物理核心素養(yǎng).

【教學(xué)反思】

輕物理規(guī)律的呈現(xiàn)重物理規(guī)律的應(yīng)用，是我們大多數(shù)老師在進(jìn)行規(guī)律課教學(xué)時(shí)經(jīng)常犯的通病，我們不能把規(guī)律課變成習(xí)題課，甚至變成了數(shù)學(xué)演算課.這種拔苗助長(zhǎng)式的規(guī)律課教學(xué)最后給學(xué)生留下的僅僅是一堆毫無(wú)意義的數(shù)學(xué)符號(hào).學(xué)生經(jīng)常會(huì)有這樣的困惑：課堂上老師講的例題一聽(tīng)就懂，課后自己一做就錯(cuò).那是因?yàn)槲覀兊睦蠋熂庇谔岣邔W(xué)生用物理規(guī)律解決實(shí)際問(wèn)題的能力，細(xì)想一下這樣的能力必然是建立在深刻理解物理規(guī)律的基礎(chǔ)上，如果我們能夠重視物理規(guī)律的呈現(xiàn)，多給學(xué)生認(rèn)識(shí)這些規(guī)律的時(shí)間和空間，學(xué)生對(duì)規(guī)律的理解能夠更加深入一些，不會(huì)再本末倒置，對(duì)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)也大有益處.

（江蘇省海安高級(jí)中學(xué)）