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基于核心素養(yǎng)的高中物理實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)案例

2020-07-04 03:27岳寶良董建兵
關(guān)鍵詞:鐵芯線圈燈泡

岳寶良 董建兵

中圖分類號:G633.7?????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1992-7711(2020)10-067-2

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017版)凝練了物理學(xué)科核心素養(yǎng)四個方面。其中“科學(xué)探究”在該書中被提及次數(shù)最多,共66次?!罢n程標(biāo)準(zhǔn)”指出,“在高中物理課程中,應(yīng)注重科學(xué)探究,尤其應(yīng)注重物理實(shí)驗(yàn),這在培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和科學(xué)態(tài)度等方面具有重要作用?!北疚囊浴蹲儔浩鳌方虒W(xué)為例展開分析,在實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)中做出一些嘗試,以期對物理實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)提供一些參考。

一、教材分析

1.變壓器的教學(xué)要求

從教材編寫來看,對于變壓器的教學(xué)要求是“探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數(shù)的關(guān)系”,變壓關(guān)系也就從實(shí)驗(yàn)歸納得出,而不是理論推導(dǎo),突出了實(shí)驗(yàn)探究在高中物理教學(xué)中的重要地位。

2.理想化模型的引入及建立過程簡單

教材中未討論電流關(guān)系、頻率關(guān)系和相位關(guān)系,對功率關(guān)系和理想變壓器總共只交待了一句,“沒有能量損失的變壓器叫做理想變壓器”。理想化模型的引入及建立過程簡單。

3.明確給出功率關(guān)系十分必要

課后習(xí)題和《電能的輸送》一節(jié)卻明確要用到功率關(guān)系,對于電流關(guān)系一般處理方法是用功率關(guān)系和電壓關(guān)系來處理,所以建議對功率關(guān)系明確給出為好。

筆者在教材處理上,分兩節(jié)處理。第一節(jié)課,主要通過實(shí)驗(yàn)歸納總結(jié)理想變壓器模型,進(jìn)而探究理想變壓器的變壓規(guī)律,通過練習(xí)理解頻率關(guān)系和相位關(guān)系;第二節(jié)課,主要從理論上研究變壓關(guān)系、變流關(guān)系等,進(jìn)一步理解變壓器的工作原理。

二、學(xué)情分析

1.知識基礎(chǔ)

在上一章第6節(jié)中學(xué)生知道變壓器是依據(jù)互感現(xiàn)象制成的,在第7節(jié)中學(xué)生知道什么是渦流,知道在變壓器中減小渦流的辦法是采用相互絕緣且電阻率大的硅鋼片疊成鐵芯。

2.教學(xué)效果

如果依據(jù)本節(jié)教材流程進(jìn)行教學(xué)設(shè)計,根據(jù)教學(xué)實(shí)踐和學(xué)生反饋的情況來看,普遍會有這樣的疑惑:(1)能量損耗體現(xiàn)在哪幾方面?(2)鐵芯起到什么作用?(3)電壓與線圈匝數(shù)到底存在著某種關(guān)系呢?(4)變壓器能傳輸穩(wěn)恒直流電嗎?

學(xué)生對理想變壓器的認(rèn)知障礙,關(guān)鍵在于學(xué)生對銅損、鐵損無感性的認(rèn)識時,對于看不見摸不到的磁感線泄漏,更是難以想象。

三、教學(xué)目標(biāo)

1.通過實(shí)物認(rèn)識變壓器的構(gòu)造,知道變壓器的功能,理解變壓器是改變交流電電壓的設(shè)備。

2.通過理想變壓器模型建立和變壓器規(guī)律的探究,培養(yǎng)學(xué)生理想化方法、對比實(shí)驗(yàn)法、觀察法、歸納法、圖象法、概念的建立等物理科學(xué)方法。同時,培養(yǎng)學(xué)生思維能力、語言表述能力、理解能力和動手能力。

3.通過例題理解變壓器的頻率關(guān)系和相位關(guān)系等問題。

4.通過實(shí)驗(yàn)探究培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度,使學(xué)生充分體會到能量守恒是普遍適用的,強(qiáng)化能量觀念。

教學(xué)重點(diǎn):理想變壓器模型的建立和變壓關(guān)系的探究。教學(xué)難點(diǎn):對理想變壓器的理解。

四、教學(xué)過程和設(shè)計意圖

1.創(chuàng)設(shè)問題情境,導(dǎo)入新課內(nèi)容

問題驅(qū)動:分析(1)在圖示電路中,當(dāng)線圈1接交流電源時,線圈2中有無感應(yīng)電動勢的產(chǎn)生?為什么?(2)對于負(fù)載燈泡線圈2起到了什么作用?

設(shè)計意圖:第一個問題讓學(xué)生從理論上進(jìn)行分析,復(fù)習(xí)電磁感應(yīng)相關(guān)規(guī)律,為下節(jié)理論探究打基礎(chǔ)。第二個問題,意在讓學(xué)生明白線圈2可以當(dāng)?shù)刃щ娫磥砜?,為后面銅損的分析做一個鋪墊。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證:學(xué)生互動交流后,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證第一個問題(為節(jié)省時間事先連好電路)。

器材:J2423型可拆變壓器的紅線圈0—2接6V交流電源,綠線圈0—1接小燈泡(2.5 V,0.3 A)。

引導(dǎo)學(xué)生觀察現(xiàn)象,在電路連接完好的情況下,小燈泡不亮,學(xué)生會意識到可能是電壓不夠,再接上J0402型交流電壓表(10 V量程),確實(shí)無示數(shù),可能是電表靈敏度不夠。經(jīng)討論知,線圈2產(chǎn)生的電動勢不夠大。

設(shè)計意圖:通過理論分析和實(shí)驗(yàn)事實(shí)的認(rèn)知沖突,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲望。

2.提出問題,解決問題

在不改變電源電壓和頻率的情況下,采用哪些方法可使線圈2產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢增大?分組討論,相互交流,提出解決問題的辦法:改變線圈匝數(shù)、線圈靠近,線圈疊放在一起、加鐵芯等方式。學(xué)生急于想知道他們提出的方法是否可行?學(xué)生求知欲得到進(jìn)一步激發(fā),教師指導(dǎo)學(xué)生逐一進(jìn)行演示,發(fā)現(xiàn)當(dāng)線圈疊放在一起并穿有鐵芯時,小燈泡有微弱光亮。

學(xué)生會感覺到鐵芯的神奇作用,對鐵芯的作用有了感性的認(rèn)知。此時,教師拿出變壓器的U型鐵芯,把線圈穿在兩個臂上,緩慢移動“一字型”鐵芯至與U型鐵芯閉合。學(xué)生觀察到小燈泡越來越亮,最后達(dá)到刺眼的程度。

設(shè)問:用鐵芯為什么會有這樣神奇的效果?

若無鐵芯或鐵芯不閉合時,原線圈中的磁感線只有一小部分貫穿副線圈,大部分漏失在外,有了閉合鐵芯,由于鐵芯被磁化,絕大部分磁感線集中在鐵芯內(nèi)部,貫穿整個副線圈,大大增強(qiáng)了傳輸電能的作用.

設(shè)計意圖:這個問題的解答,學(xué)生有一定的難度,所以教師作為陳述性知識處理。這時學(xué)生對鐵芯的作用——聚集磁感線的作用就有了非常直觀的認(rèn)識。同時,為提出漏磁概念做鋪墊。

3.對比實(shí)驗(yàn),繼續(xù)探究

教師接著做一個操作,擰下小燈泡,學(xué)生觀察電壓表示數(shù)如何變化?

學(xué)生觀察得出結(jié)論,電壓表示數(shù)變高。

為什么斷開小燈泡時,電壓表示數(shù)會變大?引導(dǎo)學(xué)生從閉合電路歐姆定律分析出線圈2是有電阻的,相當(dāng)于電源的內(nèi)阻。

這是真的嗎?提出疑問,并引導(dǎo)學(xué)生用歐姆表進(jìn)一步測量檢驗(yàn)。

4.建立理想化模型——理想變壓器

①出示問題:實(shí)際變壓器在能量傳輸?shù)倪^程中都有哪幾方面的能量損失?

②學(xué)生討論,歸納總結(jié)。(1)磁感線的漏失——漏磁;(2)線圈有電阻,產(chǎn)生焦耳熱——銅損;(3)鐵芯在反復(fù)磁化時也發(fā)熱——鐵損。

③教師陳述:實(shí)際變壓器的效率都很高,特別是大型變壓器,效率可達(dá)97%~99.5%,所以理論研究時我們可以把它當(dāng)成100%--理想變壓器(即沒有能量損失的變壓器)。

設(shè)計意圖:鐵損在渦流中已經(jīng)實(shí)驗(yàn)過,這里不重復(fù)講述。強(qiáng)化理想化研究方法和能理守恒思想的普遍性。

5.探究線圈2匝數(shù)的影響

教師定性演示,用約1 m長的導(dǎo)線兩端接好燈泡(2.5 V,0.3 A),用綠線圈0—1接交流電源16 V。用導(dǎo)線分別繞2、4、6、8、10匝,看小燈泡的亮度變化情況。

學(xué)生觀察到匝數(shù)越多,小燈泡越亮,說明線圈2兩端電壓越高。我們把這種能改變電壓的裝置叫變壓器。

設(shè)計意圖:學(xué)生直觀感受到副線圈匝數(shù)的影響

6.閱讀教材,歸納總結(jié)

(1)幾種變壓器的外型;(2)電路符號;(3)結(jié)構(gòu)示意圖——結(jié)構(gòu)。

7.分組實(shí)驗(yàn),定量探究電壓關(guān)系

采用控制變量法,分解探究任務(wù),學(xué)生采集數(shù)據(jù),分析數(shù)據(jù),交流成果。

設(shè)計意圖:培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)結(jié)合作能力、動手能力、語言表達(dá)能力,圖像法處理數(shù)據(jù)的能力,進(jìn)一步體會控制變量法。

8.典型例題,進(jìn)一步深化

例1?????????????? 例2

【例1】計算圖中電壓表的示數(shù)

教師準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)器材,學(xué)生計算完后,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果的正誤。

結(jié)論:變壓器是改變交流電的電壓設(shè)備,不能傳輸穩(wěn)恒直流電。

設(shè)計意圖:意在讓學(xué)生明白公式成立的條件。以退為進(jìn),讓學(xué)生理解,變壓器不能傳輸穩(wěn)恒直流電。

【例2】圖中理想變壓器,在原線圈中輸入正弦交流電u1=Umsinωt,請畫出副線圈兩端電壓波形。

思考:理想變壓器能不能改變頻率和電流的大小?

設(shè)計意圖:理解相位關(guān)系和頻率關(guān)系.

9.課堂小結(jié)

(1)理想變壓器的規(guī)律;(2)你學(xué)到了哪些物理科學(xué)思維和科學(xué)方法。

設(shè)計意圖:學(xué)生相互補(bǔ)充,培養(yǎng)歸納總結(jié)的能力;顯性強(qiáng)化物理科學(xué)思維和科學(xué)方法,促進(jìn)發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)。

綜上所述,本節(jié)課教學(xué)一開始就采用問題驅(qū)動的方式及學(xué)生認(rèn)知與現(xiàn)實(shí)的沖突來展開,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。本節(jié)巧妙的突破了理想變壓器這個理想模型的建立,為了體現(xiàn)學(xué)生的主體地位,培養(yǎng)學(xué)生分析問題解決問題的能力,充分考慮到學(xué)生的認(rèn)知水平,在教學(xué)中采用問題驅(qū)動、對比實(shí)驗(yàn)、探究實(shí)驗(yàn)、分組討論、歸納總結(jié)等方法進(jìn)行教學(xué)。整節(jié)課圍繞教學(xué)資源開放、互動、自然生成,把探究課題分解為幾個相對獨(dú)立的小問題,逐一解決,符合新課程標(biāo)準(zhǔn)思想。

[參考文獻(xiàn)]

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)[M].2017年版.北京:人民教育出版社,2018.

注:本文為保定市“十三五”教育科學(xué)規(guī)劃課題《基于核心素養(yǎng)的高中物理實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)的實(shí)踐研究》(課題編號:19252)的階段性研究成果。

(作者單位:河北保定外國語學(xué)校,河北 保定 071000)

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