基于核心素养的物理规律课教学设计

黄伟

关键词核心素养 规律课教学 变压器

本课围绕“什么是理想变压器、理想变压器是怎样改变电压、理想变压器有什么规律”展开的.可以采用定性分析和定量推导相结合，实验探究和理论推导相结合的方法掌握电压与线圈匝数之间的关系.同时，以能量转化和传输为核心，突出变压器的理想化模型，由此推导功率关系和电压、电流关系.

【教学过程】

导入新课

师：同学们知道教室日光灯用的电压是多少吗？

生：220 V.

师：那大家知道输送到我们校园的电压是多少吗？

生：不知道.

师：老师告诉大家，输送到校园的电压一般是10kV，10kV如何降低到220V呢？这就需要一个改变电压的设备，这个设备叫变压器，今天我们就一起来研究变压器.

活动1：了解变压器的结构

老师出示实验室可拆变压器，并介绍变压器的构成.左右各有一个线圈套在铁芯上，其中一个与电源相连的称为原线圈（或初级线圈），另一个与用电器相连的称为副线圈（或次级线圈）.线圈是由绝缘的铜导线绕制的.闭合的铁芯是由涂有绝缘漆的薄硅钢片叠加而成的，线圈与铁芯彼此绝缘.

师：大家知道闭合铁芯有什么作用吗？

老师介绍变压器的示意图以及在电路中的符号，原副线圈的匝数一般是不同的，n1和n2分别表示原线圈和副线圈的匝数，U1和U2表示原线圈和副线圈的端电压.

设计意图：通过对器材展示和介绍，学生可以直观看到变压器的基本构成.变压器并没有想象的那么神秘，同学们减少了些许畏惧感，便于对变压器原理和规律的进一步学习.以提问的方式介绍铁芯的作用，并不是让他们思考，而是为了突出闭合铁芯约束磁场的作用，这样做有利于理想变压器模型的建立.本环节就是在为后续学习做好铺垫，同时激起学生进一步学习的欲望.

活动2：变压器的原理

PPT展示如上图电路，连接好实物电路并提出问题。

师：接通电源小灯泡会发光吗？

学生集体讨论并给出答案，基于对互感现象的了解，认为小灯泡会发光.

师：演示实验.接好电路并打开开关，结果灯泡不亮（故意把原线圈接在稳恒电压的输出端，且电压较低防止出现小灯泡的闪亮现象）

生：是不是坏了，怎么会不亮呢？

师：想一想，可能是什么问题？

生：可能是电路接触不良，产生的感应电动势太小……

老师把电源改接在交流输出上，再次打开电源，这时灯泡亮了（提醒同学们注意老师改接的过程），再次引导学生分析为什么会这样.

生：终于明白，刚才不发光是因为接的恒定电流.

师：总结变压器只能改变交变电流的电压，其原理是互感现象.虽然两电路并没有直接相连，但是灯泡能发光，能不能试着从能量转化角度分析能量是如何转化的？

生：电能——磁场能——电能.

设计意图：教师通过在实验上做“手脚”，使得实验现象出其不意.把学生的思维带进更深层次，思維的品质得到提升，学生的物理学科素养得到培养.学生不仅深入地认识到变压器的原理是互感现象，更能从能量的角度理解相互不连接的电路能量传输的过程，体现了学生具备能量观这一核心素养.

活动3：理想变压器模型的建立

师：在慢慢抽出上方的铁芯过程中，观察灯泡的亮度变化情况，再演示缓慢插入铁芯的过程，说明什么？

生：抽出铁芯时灯泡亮度变暗，插入时又变亮.变暗是因为有磁场能损失.

师：同学们观察得很仔细，分析得也有一定的道理，闭合铁芯可以有效地防止漏磁，也就是防止磁场能的散失.除此以外，工作过程中线圈内有电阻也会产生热量，铁芯由于涡流的存在也有内能产生，所以为了减少能量的散失，铁芯是用硅钢片叠合而成的，我们把忽略漏磁、铁损、铜损这样特征的没有能量损失的变压器叫做理想变压器.所以理想变压器的输入功率和输出功率相等，即P1=P2那么输出电压与输入电压有什么关系呢？

设计意图：理想化是科学研究中常用的一种方法，让学生建立起理想变压器的模型也是教学难点之一.为了突破这一难点，教学中用可拆式变压器巧妙设计了一个实验，让学生观察到在移走上方铁芯前后，小灯泡亮度明显的变化，从而引出需要解决的问题：铁芯的作用是减少漏磁，接着从能量转换角度，说明变压器把电能通过磁场能再转换成电能，追问这一过程中有无能量损失，引出铜损、铁损等.学生能够认识到能量的损耗是客观存在的，但这样的损耗可以忽略不计，理想变压器的模型就这样逐渐建立起来的，物理模型的建立过程也是提升物理核心素养的重要方面.

活动4：探究影响输出电压的因素

师：副线圈的输出电压与什么因素有关系？请进行合理的猜想.

生：可能与原、副线圈匝数，输入电压，铁芯等因素有关.

师：说得很好，这里的铁芯我们已经认为无铁损，所以下面我们来定量地研究一下输出电压与原、副线圈匝数及输入电压的关系，应该采用什么方法研究他们的关系呢？

生：控制变量.

师：很好，如何控制呢？

生：保持原、副线圈匝数n1、n2一定，探究输出电压U2与输入电压U1的关系;保持输入电压U1、原线圈匝数n1一定，探究输出电压U2与副线圈匝数n2的关系;保持输入电压U1、副线圈匝数n2一定，探究输出电压U2与原线圈匝数n1的关系.

师：请同学们分为三个小组根据刚才的分析，设计出一组相应的表格.

生：分组讨论设计表格.

师：投影展示设计较好的表格，为了安全起见，给定一些条件再进行测量，介绍测量的方法.

学生分组实验，测量相关数据.

老师进入小组进行个别指导，并在每一小组中随机挑选一组测量数据进行实物展示，再把数据输入既cxcel电子表格中处理，把数据进行散点拟合图象，并得出相应的关系，得到图象如下所示：

由上图可得：U2与U1成正比，U2与n2成正比.同上输入第三组数据得到曲线，无法说明U2与n1的具体关系，但从数据可以看出，U2随着n1的增大而逐渐减小，同学们猜测一下，它们可能是什么关系？

生：反比关系，取n1的倒数.

设计意图：“科学探究”指的是学生用以获取知识、领悟科学的思想观念和方法而进行的各种活动与能力，是物理核心素养的重要方面.本环节通过问题层层设计，让学生经历从问题的提出到猜想、方案设计、数据处理等一系列的科学探究过程，再通过理论探究最终发现变压规律，领悟科学探究的方法，提升意志品质和物理核心素养.

活动5：牛刀小试

老师展示习题：一台理想变压器原线圈的匝数为440匝，与220V的电源相连，当副线圈接入额定电压为12V的灯泡时，能够正常发光.则变压器副线圈的匝数为（ ）

A.12匝 B.6匝

C.24匝 D.44匝

生：选择C，觉得很简单.

师：对，若灯泡的电阻为24，则副线圈中的电流是多少？原线圈呢？

生：副线圈电流是0.5A.

师：可以从理想变压器的功率关系寻找思路.

師：非常好，电流关系是n1，=n2请同学们回顾一下本节课学习的主要内容.

设计意图：习题的变式拓展，学生能通过严密的逻辑推理得到正确的答案，老师只需要适当地加以引导学生就能顺其自然地总结出理想变压器的三个规律，通过这种自我归纳、自我发现，能够进一步提升学生逻辑推理的自觉意识和创新能力，进一步提升物理核心素养.

【教学反思】

轻物理规律的呈现重物理规律的应用，是我们大多数老师在进行规律课教学时经常犯的通病，我们不能把规律课变成习题课，甚至变成了数学演算课.这种拔苗助长式的规律课教学最后给学生留下的仅仅是一堆毫无意义的数学符号.学生经常会有这样的困惑：课堂上老师讲的例题一听就懂，课后自己一做就错.那是因为我们的老师急于提高学生用物理规律解决实际问题的能力，细想一下这样的能力必然是建立在深刻理解物理规律的基础上，如果我们能够重视物理规律的呈现，多给学生认识这些规律的时间和空间，学生对规律的理解能够更加深入一些，不会再本末倒置，对学生物理核心素养的培养也大有益处.

（江苏省海安高级中学）