基于核心素養(yǎng)的高中物理實(shí)驗(yàn)探究
——以“電能輸送的定量探究”為例

宋 軍

(江蘇省南京市玄武高級(jí)中學(xué),江蘇 南京 210018)

1 引言

實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的載體和實(shí)現(xiàn)途徑之一，是不可或缺的學(xué)習(xí)資源。創(chuàng)設(shè)適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)情境,可促進(jìn)學(xué)生自主探究,在建構(gòu)概念和規(guī)律的過(guò)程中逐步形成物理觀念。

以“電能的輸送”為例,《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》建議學(xué)生“探討遠(yuǎn)距離輸電中導(dǎo)致電能損耗的因素”,[1]此問(wèn)題涉及電路的基本概念和變壓器的應(yīng)用,定量實(shí)驗(yàn)是探討的最佳途徑。

2 指向核心素養(yǎng)提升的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

借助自制的交流電壓、電流表,將實(shí)際模型與電學(xué)儀器相結(jié)合,聯(lián)系學(xué)生生活實(shí)際,模擬輸電過(guò)程并進(jìn)行定量實(shí)驗(yàn)探究。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以提升學(xué)生的核心素養(yǎng)為目標(biāo),綜合應(yīng)用交流電知識(shí),以電能的轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化貫穿全程(如表1)。

表1

“電能輸送的定量探究”的學(xué)習(xí)流程如圖1所示，以概念的形成和規(guī)律的應(yīng)用為目標(biāo),以輸電實(shí)驗(yàn)為途徑,以問(wèn)題解決為主線(xiàn),通過(guò)定量實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)生掌握輸電原理，建構(gòu)能量觀念，感知能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。

圖1

3 實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程

3.1 通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

概念的建立首先源于對(duì)現(xiàn)象的觀察，對(duì)于特定情境下的現(xiàn)象,可通過(guò)實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)或模擬,實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程離不開(kāi)情境創(chuàng)設(shè)。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中常用來(lái)揭示某個(gè)影響因素，具有一定的指向性。情境的差異往往導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不同,以實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示觀察者進(jìn)行逆向思維,由果及因,推動(dòng)問(wèn)題分析層層深入。

3.1.1 通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn),直觀顯示電壓損耗

在“電能的輸送”研究過(guò)程中,模擬近距離和遠(yuǎn)距離輸電情境,通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn),展現(xiàn)燈泡亮度差異,激發(fā)學(xué)生觀察現(xiàn)象，思考成因，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

實(shí)驗(yàn)1:將小燈泡(12V,21W)直接接到12V穩(wěn)壓電源(最大輸出電流6A)上,先接一盞燈,再并聯(lián)一盞燈,兩者都接近正常發(fā)光。

實(shí)驗(yàn)2:模擬真實(shí)輸電情境,架設(shè)遠(yuǎn)距離輸電模型,用長(zhǎng)度約為1.5m、直徑為0.5mm的鎳鉻絲模擬輸電線(xiàn)。先接一盞燈,再并聯(lián)一盞燈,輸電電壓不變,但兩盞燈幾乎都不亮。

學(xué)生觀察兩次實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并討論,初步形成輸電線(xiàn)電阻R線(xiàn)的概念,并積極思考輸電線(xiàn)電阻對(duì)電能輸送的影響。

3.1.2 測(cè)量輸電線(xiàn)溫度,直觀展示電能損耗

提醒學(xué)生思考：如果輸電線(xiàn)電阻導(dǎo)致電壓損耗,那電阻還會(huì)引起什么損耗？在提醒學(xué)生思考電能轉(zhuǎn)化的同時(shí),設(shè)法通過(guò)實(shí)驗(yàn),直觀展示輸電線(xiàn)的發(fā)熱。

實(shí)驗(yàn)3:將溫度傳感器的測(cè)溫探頭固定至模擬輸電線(xiàn)的任意位置,觀察溫度傳感器的示數(shù)。

以溫度傳感器的示數(shù)變化(通?？缮仙?0℃),讓學(xué)生直接體驗(yàn)電能向?qū)Ь€(xiàn)內(nèi)能的轉(zhuǎn)化,可作為能量轉(zhuǎn)化的證據(jù),為后續(xù)定量研究做鋪墊。

3.2 定量探究,確定問(wèn)題成因

從定性描述上升到定量分析和計(jì)算,學(xué)生對(duì)各參量之間關(guān)系的認(rèn)識(shí)會(huì)更加深刻和精確。對(duì)物理問(wèn)題的探究,往往建立在定量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上,定量實(shí)驗(yàn)以測(cè)量得到的數(shù)據(jù)為依據(jù),是研究物理量相互關(guān)系的常用手段。測(cè)量的結(jié)果與相應(yīng)物理量相結(jié)合,可以驗(yàn)證物理原理、推測(cè)未知量,同時(shí)可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)問(wèn)題的準(zhǔn)確判斷，強(qiáng)化對(duì)規(guī)律的認(rèn)知。

為研究電能的輸送過(guò)程中的電壓損耗,可以采用定量實(shí)驗(yàn)的方式。筆者自制了如圖2所示的交流電壓、電流表,其中①為電壓測(cè)量端，②為電流互感器，③為儀表電源開(kāi)關(guān)，借助它可直接測(cè)量輸送電壓及電流、燈泡兩端電壓及電流,從而進(jìn)一步研究輸電線(xiàn)的電阻。

圖2

實(shí)驗(yàn)4:利用交流電壓、電流表,同時(shí)測(cè)量輸送端電壓、燈泡兩端的電壓和流過(guò)燈泡的電流。

通過(guò)測(cè)量,引導(dǎo)學(xué)生思考：輸電線(xiàn)上造成電壓損失的電阻有多大？進(jìn)一步確立輸電線(xiàn)電阻R線(xiàn)的概念。

測(cè)量結(jié)果:輸入電壓為11.5V,燈泡兩端電壓為1.3V,流過(guò)燈泡的電流為0.85A。

學(xué)生活動(dòng)1:畫(huà)出輸電等效電路圖,結(jié)合測(cè)量數(shù)據(jù),計(jì)算輸電線(xiàn)電阻R線(xiàn)。

3.3 分析與驗(yàn)證,嘗試解決問(wèn)題

解決問(wèn)題的方法是否有效,可通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)是物理規(guī)律與實(shí)際應(yīng)用的結(jié)合，在分析過(guò)程中,讓學(xué)生運(yùn)用規(guī)律,設(shè)計(jì)方案,嘗試解決問(wèn)題。在驗(yàn)證過(guò)程中,實(shí)驗(yàn)又能促進(jìn)學(xué)生對(duì)規(guī)律的深刻理解。

3.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在明確輸電線(xiàn)電阻導(dǎo)致電壓和功率損耗之后,引導(dǎo)學(xué)生思考如何降低輸電線(xiàn)上的損耗。分析電壓和功率損失的因素,得到遠(yuǎn)距離輸電減少損耗的途徑之一:采用高壓輸電。

學(xué)生活動(dòng)2:怎樣得到高壓?高壓可直接傳輸給用戶(hù)嗎?怎樣設(shè)計(jì)最簡(jiǎn)單的高壓輸電線(xiàn)路?

學(xué)生分小組討論,形成輸電方案:先利用變壓器升壓,遠(yuǎn)距離高壓傳輸后,再利用變壓器降壓,可減少輸電線(xiàn)上電能的損耗。

3.3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

高壓輸電方案是否可行?提供兩個(gè)參數(shù)相同的變壓器，按照學(xué)生設(shè)計(jì)的輸電方案，將變壓器接入輸電電路,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)5:如圖3所示，利用兩個(gè)變壓器(輸入220V,輸出12V,功率40W),接在模擬發(fā)電站(12V交流電源)與負(fù)載(小燈泡)之間,測(cè)量電源輸出端、燈泡兩端的電壓和電流。

圖3

在電源輸出電壓幾乎不變的條件下,燈泡亮度得到較大提升；兩盞燈全開(kāi),燈泡依然較亮,表明電壓損耗已經(jīng)大幅降低。

學(xué)生活動(dòng)3:畫(huà)出遠(yuǎn)距離高壓輸電示意圖。

實(shí)驗(yàn)6:再次將溫度傳感器的測(cè)溫探頭接觸模擬輸電線(xiàn)的任意位置,觀察溫度傳感器的示數(shù)。

傳感器示數(shù)與室溫相比,幾乎沒(méi)有上升。結(jié)合輸入電壓和電流,可得出結(jié)論：在輸電總功率提高的前提下,利用高壓輸電,輸電線(xiàn)上電能的損耗大為降低,輸電效率得到提升。

3.4 分析數(shù)據(jù),提出新的問(wèn)題

實(shí)驗(yàn)的結(jié)果往往會(huì)與理論不相吻合,學(xué)生利用已有的知識(shí)或經(jīng)驗(yàn),也許并不能解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差。對(duì)理論預(yù)估和實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間差別進(jìn)行研究,往往會(huì)提出新的問(wèn)題,對(duì)新問(wèn)題的研究,將促進(jìn)學(xué)生對(duì)概念或規(guī)律的進(jìn)一步認(rèn)識(shí),甚至可能形成新的概念。

根據(jù)電路規(guī)律,通過(guò)計(jì)算,進(jìn)行相關(guān)預(yù)測(cè)(如表2),將理論計(jì)算值對(duì)比數(shù)字電表的測(cè)量值,體驗(yàn)預(yù)測(cè)的成功或失敗,驗(yàn)證規(guī)律或發(fā)現(xiàn)新的問(wèn)題。

表2 高壓輸電電路參量的兩個(gè)預(yù)測(cè)

實(shí)驗(yàn)7:測(cè)量與升壓變壓器原副線(xiàn)圈相關(guān)的電壓與電流,對(duì)比變壓器輸入功率和輸出功率。

經(jīng)實(shí)際測(cè)量,發(fā)現(xiàn)升壓變壓器輸出電壓、電流均低于理論值(如表3),結(jié)合實(shí)際變壓器的效率,對(duì)比“理想變壓器”,體會(huì)“理想化”方法。

表3 升壓變壓器輸入輸出對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)?zāi)艽龠M(jìn)學(xué)生建構(gòu)物理概念，發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律,能在復(fù)雜的實(shí)際情境中,建立起正確的物理模型,并借助于問(wèn)題解決提高學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。