基于核心素養的高中物理實驗探究
——以“電能輸送的定量探究”為例

宋 軍

(江蘇省南京市玄武高級中學,江蘇 南京 210018)

1 引言

實驗是物理學科核心素養培養的載體和實現途徑之一，是不可或缺的學習資源。創設適當的實驗情境,可促進學生自主探究,在建構概念和規律的過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準(2017年版)》建議學生“探討遠距離輸電中導致電能損耗的因素”,[1]此問題涉及電路的基本概念和變壓器的應用,定量實驗是探討的最佳途徑。

2 指向核心素養提升的實驗設計

借助自制的交流電壓、電流表,將實際模型與電學儀器相結合,聯系學生生活實際,模擬輸電過程并進行定量實驗探究。實驗設計以提升學生的核心素養為目標,綜合應用交流電知識,以電能的轉移或轉化貫穿全程(如表1)。

表1

“電能輸送的定量探究”的學習流程如圖1所示，以概念的形成和規律的應用為目標,以輸電實驗為途徑,以問題解決為主線,通過定量實驗，促進學生掌握輸電原理，建構能量觀念，感知能量轉化與守恒定律。

圖1

3 實驗探究過程

3.1 通過對比實驗發現問題

概念的建立首先源于對現象的觀察，對于特定情境下的現象,可通過實驗再現或模擬,實驗探究過程離不開情境創設。

對比實驗在教學中常用來揭示某個影響因素，具有一定的指向性。情境的差異往往導致實驗結果的不同,以實驗結果提示觀察者進行逆向思維,由果及因,推動問題分析層層深入。

3.1.1 通過對比實驗,直觀顯示電壓損耗

在“電能的輸送”研究過程中,模擬近距離和遠距離輸電情境,通過對比實驗,展現燈泡亮度差異,激發學生觀察現象，思考成因，發現問題。

實驗1:將小燈泡(12V,21W)直接接到12V穩壓電源(最大輸出電流6A)上,先接一盞燈,再并聯一盞燈,兩者都接近正常發光。

實驗2:模擬真實輸電情境,架設遠距離輸電模型,用長度約為1.5m、直徑為0.5mm的鎳鉻絲模擬輸電線。先接一盞燈,再并聯一盞燈,輸電電壓不變,但兩盞燈幾乎都不亮。

學生觀察兩次實驗現象并討論,初步形成輸電線電阻R線的概念,并積極思考輸電線電阻對電能輸送的影響。

3.1.2 測量輸電線溫度,直觀展示電能損耗

提醒學生思考：如果輸電線電阻導致電壓損耗,那電阻還會引起什么損耗？在提醒學生思考電能轉化的同時,設法通過實驗,直觀展示輸電線的發熱。

實驗3:將溫度傳感器的測溫探頭固定至模擬輸電線的任意位置,觀察溫度傳感器的示數。

以溫度傳感器的示數變化(通常可上升近10℃),讓學生直接體驗電能向導線內能的轉化,可作為能量轉化的證據,為后續定量研究做鋪墊。

3.2 定量探究,確定問題成因

從定性描述上升到定量分析和計算,學生對各參量之間關系的認識會更加深刻和精確。對物理問題的探究,往往建立在定量實驗的基礎之上,定量實驗以測量得到的數據為依據,是研究物理量相互關系的常用手段。測量的結果與相應物理量相結合,可以驗證物理原理、推測未知量,同時可以促進學生對問題的準確判斷，強化對規律的認知。

為研究電能的輸送過程中的電壓損耗,可以采用定量實驗的方式。筆者自制了如圖2所示的交流電壓、電流表,其中①為電壓測量端，②為電流互感器，③為儀表電源開關，借助它可直接測量輸送電壓及電流、燈泡兩端電壓及電流,從而進一步研究輸電線的電阻。

圖2

實驗4:利用交流電壓、電流表,同時測量輸送端電壓、燈泡兩端的電壓和流過燈泡的電流。

通過測量,引導學生思考：輸電線上造成電壓損失的電阻有多大？進一步確立輸電線電阻R線的概念。

測量結果:輸入電壓為11.5V,燈泡兩端電壓為1.3V,流過燈泡的電流為0.85A。

學生活動1:畫出輸電等效電路圖,結合測量數據,計算輸電線電阻R線。

3.3 分析與驗證,嘗試解決問題

解決問題的方法是否有效,可通過實驗來驗證。實驗是物理規律與實際應用的結合，在分析過程中,讓學生運用規律,設計方案,嘗試解決問題。在驗證過程中,實驗又能促進學生對規律的深刻理解。

3.3.1 實驗設計

在明確輸電線電阻導致電壓和功率損耗之后,引導學生思考如何降低輸電線上的損耗。分析電壓和功率損失的因素,得到遠距離輸電減少損耗的途徑之一:采用高壓輸電。

學生活動2:怎樣得到高壓?高壓可直接傳輸給用戶嗎?怎樣設計最簡單的高壓輸電線路?

學生分小組討論,形成輸電方案:先利用變壓器升壓,遠距離高壓傳輸后,再利用變壓器降壓,可減少輸電線上電能的損耗。

3.3.2 實驗驗證

高壓輸電方案是否可行?提供兩個參數相同的變壓器，按照學生設計的輸電方案，將變壓器接入輸電電路,進行實驗。

實驗5:如圖3所示，利用兩個變壓器(輸入220V,輸出12V,功率40W),接在模擬發電站(12V交流電源)與負載(小燈泡)之間,測量電源輸出端、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,燈泡依然較亮,表明電壓損耗已經大幅降低。

學生活動3:畫出遠距離高壓輸電示意圖。

實驗6:再次將溫度傳感器的測溫探頭接觸模擬輸電線的任意位置,觀察溫度傳感器的示數。

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

3.4 分析數據,提出新的問題

實驗的結果往往會與理論不相吻合,學生利用已有的知識或經驗,也許并不能解釋實驗結果的偏差。對理論預估和實驗結果之間差別進行研究,往往會提出新的問題,對新問題的研究,將促進學生對概念或規律的進一步認識,甚至可能形成新的概念。

根據電路規律,通過計算,進行相關預測(如表2),將理論計算值對比數字電表的測量值,體驗預測的成功或失敗,驗證規律或發現新的問題。

表2 高壓輸電電路參量的兩個預測

實驗7:測量與升壓變壓器原副線圈相關的電壓與電流,對比變壓器輸入功率和輸出功率。

經實際測量,發現升壓變壓器輸出電壓、電流均低于理論值(如表3),結合實際變壓器的效率,對比“理想變壓器”,體會“理想化”方法。

表3 升壓變壓器輸入輸出對比

4 結語

實驗能促進學生建構物理概念，發現物理規律,能在復雜的實際情境中,建立起正確的物理模型,并借助于問題解決提高學生的物理學科核心素養。