基于核心素养的高中物理实验探究——以“电能输送的定量探究”为例

宋 军

(江苏省南京市玄武高级中学,江苏 南京 210018)

1 引言

实验是物理学科核心素养培养的载体和实现途径之一，是不可或缺的学习资源。创设适当的实验情境,可促进学生自主探究,在建构概念和规律的过程中逐步形成物理观念。

以“电能的输送”为例,《普通高中物理课程标准(2017年版)》建议学生“探讨远距离输电中导致电能损耗的因素”,[1]此问题涉及电路的基本概念和变压器的应用,定量实验是探讨的最佳途径。

2 指向核心素养提升的实验设计

借助自制的交流电压、电流表,将实际模型与电学仪器相结合,联系学生生活实际,模拟输电过程并进行定量实验探究。实验设计以提升学生的核心素养为目标,综合应用交流电知识,以电能的转移或转化贯穿全程(如表1)。

表1

“电能输送的定量探究”的学习流程如图1所示，以概念的形成和规律的应用为目标,以输电实验为途径,以问题解决为主线,通过定量实验，促进学生掌握输电原理，建构能量观念，感知能量转化与守恒定律。

图1

3 实验探究过程

3.1 通过对比实验发现问题

概念的建立首先源于对现象的观察，对于特定情境下的现象,可通过实验再现或模拟,实验探究过程离不开情境创设。

对比实验在教学中常用来揭示某个影响因素，具有一定的指向性。情境的差异往往导致实验结果的不同,以实验结果提示观察者进行逆向思维,由果及因,推动问题分析层层深入。

3.1.1 通过对比实验,直观显示电压损耗

在“电能的输送”研究过程中,模拟近距离和远距离输电情境,通过对比实验,展现灯泡亮度差异,激发学生观察现象，思考成因，发现问题。

实验1:将小灯泡(12V,21W)直接接到12V稳压电源(最大输出电流6A)上,先接一盏灯,再并联一盏灯,两者都接近正常发光。

实验2:模拟真实输电情境,架设远距离输电模型,用长度约为1.5m、直径为0.5mm的镍铬丝模拟输电线。先接一盏灯,再并联一盏灯,输电电压不变,但两盏灯几乎都不亮。

学生观察两次实验现象并讨论,初步形成输电线电阻R线的概念,并积极思考输电线电阻对电能输送的影响。

3.1.2 测量输电线温度,直观展示电能损耗

提醒学生思考：如果输电线电阻导致电压损耗,那电阻还会引起什么损耗？在提醒学生思考电能转化的同时,设法通过实验,直观展示输电线的发热。

实验3:将温度传感器的测温探头固定至模拟输电线的任意位置,观察温度传感器的示数。

以温度传感器的示数变化(通常可上升近10℃),让学生直接体验电能向导线内能的转化,可作为能量转化的证据,为后续定量研究做铺垫。

3.2 定量探究,确定问题成因

从定性描述上升到定量分析和计算,学生对各参量之间关系的认识会更加深刻和精确。对物理问题的探究,往往建立在定量实验的基础之上,定量实验以测量得到的数据为依据,是研究物理量相互关系的常用手段。测量的结果与相应物理量相结合,可以验证物理原理、推测未知量,同时可以促进学生对问题的准确判断，强化对规律的认知。

为研究电能的输送过程中的电压损耗,可以采用定量实验的方式。笔者自制了如图2所示的交流电压、电流表,其中①为电压测量端，②为电流互感器，③为仪表电源开关，借助它可直接测量输送电压及电流、灯泡两端电压及电流,从而进一步研究输电线的电阻。

图2

实验4:利用交流电压、电流表,同时测量输送端电压、灯泡两端的电压和流过灯泡的电流。

通过测量,引导学生思考：输电线上造成电压损失的电阻有多大？进一步确立输电线电阻R线的概念。

测量结果:输入电压为11.5V,灯泡两端电压为1.3V,流过灯泡的电流为0.85A。

学生活动1:画出输电等效电路图,结合测量数据,计算输电线电阻R线。

3.3 分析与验证,尝试解决问题

解决问题的方法是否有效,可通过实验来验证。实验是物理规律与实际应用的结合，在分析过程中,让学生运用规律,设计方案,尝试解决问题。在验证过程中,实验又能促进学生对规律的深刻理解。

3.3.1 实验设计

在明确输电线电阻导致电压和功率损耗之后,引导学生思考如何降低输电线上的损耗。分析电压和功率损失的因素,得到远距离输电减少损耗的途径之一:采用高压输电。

学生活动2:怎样得到高压?高压可直接传输给用户吗?怎样设计最简单的高压输电线路?

学生分小组讨论,形成输电方案:先利用变压器升压,远距离高压传输后,再利用变压器降压,可减少输电线上电能的损耗。

3.3.2 实验验证

高压输电方案是否可行?提供两个参数相同的变压器，按照学生设计的输电方案，将变压器接入输电电路,进行实验。

实验5:如图3所示，利用两个变压器(输入220V,输出12V,功率40W),接在模拟发电站(12V交流电源)与负载(小灯泡)之间,测量电源输出端、灯泡两端的电压和电流。

图3

在电源输出电压几乎不变的条件下,灯泡亮度得到较大提升；两盏灯全开,灯泡依然较亮,表明电压损耗已经大幅降低。

学生活动3:画出远距离高压输电示意图。

实验6:再次将温度传感器的测温探头接触模拟输电线的任意位置,观察温度传感器的示数。

传感器示数与室温相比,几乎没有上升。结合输入电压和电流,可得出结论：在输电总功率提高的前提下,利用高压输电,输电线上电能的损耗大为降低,输电效率得到提升。

3.4 分析数据,提出新的问题

实验的结果往往会与理论不相吻合,学生利用已有的知识或经验,也许并不能解释实验结果的偏差。对理论预估和实验结果之间差别进行研究,往往会提出新的问题,对新问题的研究,将促进学生对概念或规律的进一步认识,甚至可能形成新的概念。

根据电路规律,通过计算,进行相关预测(如表2),将理论计算值对比数字电表的测量值,体验预测的成功或失败,验证规律或发现新的问题。

表2 高压输电电路参量的两个预测

实验7:测量与升压变压器原副线圈相关的电压与电流,对比变压器输入功率和输出功率。

经实际测量,发现升压变压器输出电压、电流均低于理论值(如表3),结合实际变压器的效率,对比“理想变压器”,体会“理想化”方法。

表3 升压变压器输入输出对比

4 结语

实验能促进学生建构物理概念，发现物理规律,能在复杂的实际情境中,建立起正确的物理模型,并借助于问题解决提高学生的物理学科核心素养。