(安徽省滁州市第十中学,安徽 滁州 239050)
有关“电能输送”的传统实验存在以下缺陷:(1) 用灯泡显示的明暗来呈现效果,不能直接读出电压和电流的具体数值;(2) 对于远、近距离输电,电路上的损耗无法进行定量比较。
为了让学生在观察中思考、对比,理解采用高压输电的原理,笔者自制了实验教具,较好地突破了教学难点。在实际教学中,可以先让学生猜想并设计实验检验,然后让学生亲自动手操作,观察实验现象,最后让学生寻求理论依据,分析实验现象背后的原因。这样的教学方式提高了学生的实验设计能力、动手能力以及理论分析能力等,为培养学生的核心素养搭建平台。
如图1所示,利用数显电子仪表直接读数,利用多抽头变压器改变不同匝数比,从而实现不同高压输电。
图1
(1) 采用立体结构,变压器、导线线圈可以随时更换,便于学生观察。
(2) 电压、电流、频率实现数字化显示,更为直观、定量,便于学生秒读、秒懂。
(3) 导线内串接电阻,减少了导线用量,可改变不同规格导线的电阻,同时线圈可以调换。
(4) 利用多抽头的变压器可以改变匝数,改接不同的接线柱,可实现不同电压的输电。
(5) 发光蜂鸣器和灯泡并用,可改变负载。
(6) 利用同一电路板,可进行多次对比,包括近和远距离输电、不同横截面、有无变压器、不同高电压输电、不同负载、电路损耗、远距离输电各处电压和电流等的对比。
通过远、近距离输电的实验对比,让学生观察思考,找出造成这种实验现象的原因:因为输电线上有减少电能损耗,教师进而引导学生分析减少输电线路损耗的途径。
首先引导学生思考:为减少输电损耗,减小输电线电阻不现实,减少输电线中的电流是否可行?
如何提高输电电压?教师让学生回顾变压器的原理,如电压比、电流比与匝数比的关系等。引导学生分析,设计实验并进行检验,逐步完善实验方案,进行实验探究,完成远距离输电模型的构建,实验方案如下。
把学生分为两个大组,给各大组变压比分别为220-9-18V和220-18-36V的电路板,进行实验,观察、记录输电电压,把数据记录在表格中。教师通过问题引领学生探究:(1) 如何改变电压、电流?(2) 如何计算线路上损失的电压、功率?(3) 线路损失的电压与输送电压的比值大小说明什么?(4) 线路上损失的功率与用户得到的功率之比的大小说明什么?(5) 实验的注意事项有哪些?(6) 要记录哪些数据?
完成远距离输电模型构建后,依据串、并联电路的特点和变压器原理,找出不同物理量之间的关系,如电压、电流、功率等之间的关系,线路上损失的电压、功率,用户得到的功率等等。有了这些理论知识的铺垫,接下来学生进行分组实验,探究远距离输电是如何实现可靠、保质、经济的。
教师通过问题引领,给学生搭建思维平台,让学生体验实验探究的过程。教师准备好方便拆卸和组装的变压器板块、以及不同横截面积的长导线(内部按照比例串接不同的电阻),从最简单的变压器到多抽头变压器、再到更多抽头变压器进行对比,完成多组对比实验,实验移动可拆部分如图2所示,变压器多抽头组装如图3所示。
图2
图3
教师将实验数据统一输入Excel表格进行处理,利用公式计算数值,节省了时间。但是数据杂乱没有规律可循,教师再利用软件进行排序,让学生观察表格寻找规律,结论为:输电电压越高,相对损失越小。然后让学生解释这种现象的原因,学生可以通过理论分析找出原因。在教学中做到了理论推理与实验探究相结合,不仅培养了学生分析归纳的能力,同时也让学生体验到了科学探究带给他们的成功与快乐。
在图3所示的电路中教师取下一只灯泡,观察、对比负载不同时灯泡的亮暗情况,让学生运用物理原理解释现象。联系生活,进而解释深夜时灯比较亮,而在用电高峰期的灯比较暗的现象,达到学以致用的教学目标。
教师自制创新教具,通过多组实验对比加深了学生对知识的理解,也使课堂教学更具吸引力。利用真实的实验器材展示现象,胜过空洞的千言万语,教学效果不言而喻。