運用情境模擬的高中物理作業設計

【摘要】本文探討運用情境模擬設計高中物理作業的原則，并通過設計兩道題目展示情境模擬在物理作業設計中的應用.設計情境模擬作業應選擇貼近生活、易于理解的情境，恰當融入教學目標并設計開放性問題，強調理論聯系實際、難度適中且兼顧趣味性和挑戰性.本文兩個例題分別涉及電路的動態分析、變壓器電路以及壓力對電路的影響，體現將物理知識嵌入真實情境，引導學生運用多種物理概念和規律分析問題的作業設計思路.教師要創新作業設計模式，培養學生科學思維和創新能力，提高物理教學質量.

【關鍵詞】電路基本原理；高中物理；情境教學

1引言

在新課程改革的背景下教師需要更新教育理念并創新教學方式，培養學生的科學素養和創新能力.物理學科作為理科的核心學科，在培養學生科學思維和解決實際問題能力方面具有重要作用.傳統的物理作業設計往往脫離實際、缺乏情境模擬，難以激發學生的學習興趣和探究熱情.因此需要在物理作業設計中引入情境模擬，創設真實、有意義的問題情境，引導學生在具體情境中應用物理知識，培養科學探究和創新能力.

2運用情境模擬的高中物理作業設計的原則

在設計運用情境模擬的高中物理作業時，應遵循以下幾個基本原則：第一，要選擇合適的物理情境.物理情境應當貼近學生的生活實際，易于理解和想象，同時也要與所學物理知識相關聯，能夠用物理原理和定律來解釋其中的現象和問題.第二，要在設計的情境中恰當融入教學目標要求學習的概念、規律和方法，引導學生在情境中發現問題，提出問題，然后運用所學知識分析和解決問題.第三，要設計一些開放性的問題，以激發學生的探究興趣，鍛煉科學探究能力.這些問題應當有多種解法和答案，鼓勵學生從不同角度思考，提出不同見解，發散思維.第四，要強調理論聯系實際，設計的情境和問題要體現物理學在現實生活和生產中的應用，引導學生將物理原理應用于具體情境，解決實際問題.第五，作業設計的情境和問題要符合學生的認知水平，難度適中，在學生逐步掌握知識的過程中再逐漸加大情境和問題的難度.

3含容電路的動態分析

含容電路是在電路中含有電容器的電路，與只含電阻的電路相比含容電路更加復雜.電容器能夠存儲電荷和電能，當電容器兩端施加電壓時，電容器會存儲電荷；當電容器兩端的電壓發生變化時，電容器會充電或放電，釋放或吸收電能.由于電容器的存在，含容電路的電流和電壓具有動態變化的特點，不再是固定不變的，而是隨時間變化的.這種動態變化的特點使得含容電路的分析更加復雜.含容電路在實際中有廣泛應用，如濾波、振蕩、信號耦合和隔直等.學生要能夠將所學知識運用到實際電路的分析中，深入理解含容電路的工作原理和實際應用.

在設計含容電路動態分析的作業時，要充分考慮到這些特點和難點，合理選擇題目難度和問題情境，引導學生逐步掌握含容電路的分析方法，提高學生分析和解決實際問題的能力.同時，要注重培養學生的數學能力和綜合運用知識的能力，鼓勵學生多思考、多嘗試，發散思維，提高學習興趣和創新意識.

例如以實驗為情境設計題目，如可設計題干為：“小明在物理實驗室進行一項關于帶電粒子運動的研究.如圖1所示，他搭建了一個電路，其中MN為水平放置的真空電容器，開關S初始處于閉合狀態.在電容器的中心位置，他放置了一個帶電質點Q，并觀察其運動情況.為了研究不同因素對Q運動的影響，小明設計了以下幾個實驗操作：①在開關S閉合的狀態下，斷開開關；②調節滑動變阻器的滑片P的位置；③在電容器中充入某種電介質；④開關斷開后，上下移動電容器的極板M.”

設問可以摒棄將正確與錯誤答案全部列出，然后讓學生選擇答案的做法，可將問題設置為開放性問題，為了降低難度可在設問時說明細節，如可將設問設計為：“請分析小明的實驗，并回答下列問題：（1）當開關由閉合斷開時，電流將如何流動？（2）滑動變阻器的滑片P向上滑動時Q將如何運動？（3）在電容器中充入某種電介質后電阻R2兩端的電流方向如何？（4）開關斷開后，向下移動極板M，Q所在位置的電勢將如何變化？”

本題考查含容電路的動態分析.電路中的電流或電壓的變化，會影響電容器兩端的電位差以及極板上的帶電量，從而實現電容器的充放電過程.當施加在電容器兩極之間的電壓升高時，就相當于對電容器進行充電，使其儲存更多的電荷.在答題過程中，解答設問（1）需要先進行電路分析，當開關由閉合斷開時，電容器中儲存的電荷將通過電阻R1和R2構成回路放電，電流將沿著R1、R2形成回路流動，而不會流入接地端D.解答設問（2）需考慮當滑動變阻器的滑片P向上滑動時，回路的總電阻將增大.根據閉合電路歐姆定律，電路中的電流會減小.這導致電阻R1兩端的電壓減小，也就是電容器兩極板間的電壓減小.根據電場強度與電壓的關系E=Ud，電容器內的電場強度也隨之減小.當電場力減小到小于帶電質點Q所受的重力時，Q將在重力作用下向下運動.解答設問（3）需考慮若在電容器中充入某種電介質，電容器的電容量將增大.在電容器兩極板間的電壓保持不變的情況下，根據電容器的電容量公式C=QU，電容器所帶的電荷量Q將增大.這個增加的電荷將通過電阻R2，形成從左向右的電流.解答設問（4）需考慮開關斷開后，電容器將通過電阻R1和R2構成回路放電，電容器兩端的電壓逐漸降為零.這意味著，帶電質點Q所在位置的電勢也將變為零.向下移動極板M的位置不會改變這一結果，因為開關斷開后電容器與電源已經斷開連接.

本題以小明在物理實驗室進行研究的情境為背景，將電路設計和實驗操作嵌入到這個情境中.學生需要根據電路圖運用電路的基本規律和電容器的相關知識，分析不同操作對電路的影響.這種情境化的設計能激發學生的探究興趣，提高分析實際問題的能力.

4含變壓器電路的動態分析

含變壓器電路是在電路中含有變壓器的電路，變壓器是利用電磁感應原理實現電壓變換和電氣隔離的器件，它由兩個或多個繞組組成，初級繞組和次級繞組之間存在電磁耦合.當初級繞組接入交流電源時，變壓器能夠在次級繞組產生感應電動勢，實現電壓的變換.由于變壓器的存在，含變壓器電路的電流、電壓、功率等參數具有動態變化的特點，而且初級和次級電路之間存在相互影響.這種動態變化和相互影響的特點使得含變壓器電路的分析更加復雜.含變壓器電路在電力傳輸、電氣設備供電等領域有廣泛應用.通過變壓器可以實現電壓的升高或降低，減少線路損耗，提高輸電效率.變壓器還可以實現不同電壓等級電路的電氣隔離，保證設備和人身安全.

在分析含變壓器電路時，主要面臨幾個難點.分析含變壓器電路需要掌握變壓器的基本原理和等效電路，理解初級和次級電壓、電流、匝數之間的變比關系.還要能夠根據變壓器的特點，如理想變壓器模型、等效電路等，簡化電路和分析計算.在設計含變壓器電路動態分析作業時，可以充分利用情境模擬的方法，創設與變壓器應用相關的真實情境，如電力傳輸、電子設備電源等，引導學生分析變壓器及其電路的運行特點.

通過設計開放性的問題，鼓勵學生從多角度思考電路參數變化對變壓器及負載的影響，鍛煉學生綜合分析和解決問題的能力.在情境設計時，要注重融入變壓器電路分析需要掌握的重點知識.引導學生在具體情境中理解和掌握這些概念和方法.同時，要根據學生的認知水平，合理控制題目難度，設置適當的探究任務，提供必要的提示和指導，幫助學生逐步提高分析和解決含變壓器電路問題的能力.

例如可設計題干：“小明在物理實驗室進行一項關于變壓器和燈泡電路的研究.如圖2所示，他使用了一個理想變壓器，其原線圈和副線圈的匝數比為2：1.原線圈通過一個燈泡L1與正弦式交流電源相連，電源電壓保持恒定.副線圈則通過導線與兩個規格完全相同的燈泡L2和L3相連.在實驗開始時，小明觀察到三個燈泡都能正常發光（忽略燈絲電阻隨溫度變化的情況）.然而，在實驗進行過程中，燈泡L3的燈絲突然燒斷了.小明對此很感興趣，他想探究L3燈絲燒斷后電路中其他部分會發生什么變化.”

因為含變壓器電路的分析對于學生來說是比較困難的，在設問時可適當降低難度，選擇判斷正確與否的設問方式.如：“請根據以下選項判斷小明的分析是否正確（選擇正確的選項）：（A）燈泡L1會變得更亮.（B）燈泡L2會變得更亮.（C）原線圈兩端的電壓會降低.（D）變壓器的輸入功率保持不變.”

題目以小明在物理實驗室進行變壓器和壓力傳感器研究的情境為背景，將電路設計和操作步驟嵌入到這個情境中.學生需要運用變壓器的原理、電路的基本規律以及壓敏電阻的特性，分析不同操作對電路參數的影響.要分析燈泡L3燒斷后電路的變化，首先需要考慮并聯電路的特性.由于L3燒斷，副線圈回路的總電阻R副將增大.根據變壓器等效電阻的概念，原線圈的等效電阻R等與副線圈電阻成正比（R等=n1n22R副），因此R等也會隨之增大.在電源電壓恒定的條件下，應用歐姆定律可知，原線圈的電流將減小，導致燈泡L1變暗.由此可見，（A）選項是錯誤的.原線圈電流的減小，在電源電壓不變的情況下，意味著變壓器的輸入功率下降.同時，由于輸入電流減小，燈泡L1兩端的電壓也會降低.然而，原線圈兩端的電壓反而會增大.在匝數比保持不變的前提下，副線圈兩端的電壓也將隨之增大，使得燈泡L2變得更亮.因此，（B）選項是正確的，而（C）和（D）選項則是錯誤的.

通過分析并聯電路特點，探討副線圈電阻的變化，并運用等效電阻的思想和歐姆定律，可以推斷出原線圈電流的變化趨勢.最后，根據變壓器原副線圈電流和電壓的變化規律，就能夠判斷各個燈泡亮度的變化情況.當燈泡L3燒斷后，副線圈回路的總電阻增加，導致變壓器原線圈的等效電阻也隨之增大.在電源電壓恒定的條件下，原線圈電流必然減小，使得燈泡L1變暗，輸入功率下降.與此同時，原線圈兩端電壓上升，在匝數比不變的情況下，副線圈兩端電壓也會上升，從而使燈泡L2變亮.

綜上所述，可得：燈泡L3燒斷后，燈泡L1會變暗，燈泡L2會變亮，原線圈兩端電壓上升，變壓器輸入功率下降.因此可最終得出選項（A）（C）（D）都是錯誤的，只有選項（B）符合實際情況.

這樣設計的題目，通過小明所做的實驗將含變壓器電路的知識串聯起來，如果變壓器的原、副線圈匝數比保持不變，負載的變化將會直接影響變壓器的輸出特性.當連接在變壓器副線圈上的負載電阻增大時，輸出電流將會減小，從而有助于維持輸出電壓的相對穩定.相反，如果負載電阻減小，輸出電流就會增大，可能會導致輸出電壓下降.在這種情況下，變壓器的工作狀態將發生顯著變化，進而對整個電路的性能產生影響.

5結語

運用情境模擬設計高中物理作業是提高物理教學質量、培養學生科學素養和創新能力的有效途徑.教師要樹立現代教育理念，遵循教育教學規律，在深入理解課程標準和教材的基礎上根據教學內容和學生特點，創設真實、有意義的問題情境，引導學生在具體情境中應用物理知識、發現問題、分析問題、解決問題.同時要注重培養學生的科學思維和創新意識，鼓勵學生提出不同見解，增強其發散思維.

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