指向多元思維的高中物理復習教學案例

李小鵬

一、多元思維概述

多元思維作為一種立體的認知過程，強調從不同角度和維度審視和解決問題的能力，注重考察問題的多面性，鼓勵學生在分析問題時超越單一視角，綜合運用比較、對比、聯想等思維模式，以達到提升綜合解決問題能力的目的。

二、教學內容

高中物理選擇性必修第二冊第三章第4節“電能的輸送”。該節內容深入探討了電能在輸送過程中的能量守恒問題，包含能量守恒定律、歐姆定律以及變壓器原理等核心物理概念，并串聯了之前學習的交流電、變壓器以及電路分析的知識。

三、學情分析

高三學生對歐姆定律和變壓器原理已有較深理解，具備一定程度的電路分析能力。

四、教學目標

1.物理觀念：掌握變壓器在能量傳遞中的關鍵作用，認識提高輸電電壓以減少能量損耗和降低電壓以適應終端使用的重要性。

2.科學思維：能夠分析遠距離輸電電路中電壓與能量的關系，認識變壓器原副線圈電流、電壓與線圈匝數關系的能力，熟練解決相關物理問題。

3.科學探究：探索如何降低輸電損耗的方法及高壓輸電原理，學會總結已學知識，運用舊方法解決新問題。

4.科學態度與責任：認識到發電量需根據消費需求靈活調整的重要性，樹立為國家與社會發展做貢獻的自覺。

五、教學過程

（一）變壓器的基本規律

師：有誰能告訴我變壓器在我們日常生活中有哪些應用？（展示日常生活中的變壓器圖片：家用電器內的小型變壓器、街道上的電力變壓器等）

生：變壓器用于家用電器中，如電視機、電冰箱，還有電力傳輸，將電壓從高轉低或從低轉高。

師：非常好！變壓器的核心作用就是調節電壓。那么，變壓器是如何做到這一點的呢？（課件展示理想變壓器的基本構造和工作原理，見圖1）

生：通過原副線圈中的電磁感應原理，改變線圈的匝數比，可以實現電壓的變化。

師：對，電磁感應原理是變壓器工作的基礎。那原副線圈的電壓、電流與線圈匝數之間有什么關系呢？

生：電壓之比等于線圈匝數之比，而電流之比與線圈匝數之比成反比。

師：準確！接下來，我們來比較四個不同的變壓器模型，來更深入地理解這個原理。（展示四個自耦變壓器模型的圖像，見圖2）

師：現在我們分成小組，每組選擇一個模型，分析其原副線圈的電壓、電流與線圈匝數的關系，并討論為什么這樣設計。準備好后我們一起分享。

（學生分組討論）

師：通過這次分析，我們可以看到，不同的變壓器設計有著不同的應用目的。通過調整原副線圈的匝數比，可以實現不同的電壓轉換需求。這正體現了變壓器設計的多樣性和靈活性。思考以下問題：（1）為什么在某些應用中必須精確知道輸出電壓或電流？（2）這些電路在實際中可用于哪些類型的設備或實驗中？（3）如何根據實際需要選擇合適的電路配置？

（設計意圖：讓學生在復習變壓器的基本規律的同時，通過比較、分析不同變壓器模型的活動，引導學生多角度、多維度理解變壓器的工作原理和設計差異。）

（二）遠距離輸電電路基本關系

師：為什么我們需要遠距離輸電？（展示全球電網分布圖，強調發電站與用電區域之間的距離）

生：因為發電站通常位于資源豐富或環境允許的遠離居民區的地方，而用電需求則分布在各個城市和鄉村。

師：確切地說，這種分布造成了遠距離輸電的需求。輸電過程中有哪些關鍵的技術或設備呢？

生：主要是變壓器和輸電線路。

師：對，變壓器在這個過程中發揮了什么作用？

生：升壓變壓器可以提高電壓，減少輸電過程中的能量損失。降壓變壓器則在電力到達使用地點時降低電壓，以適應不同設備的需求。

師：非常好。我們現在回顧一下升壓和降壓變壓器的原理。升壓變壓器：通過增加輸出（副線圈）的匝數相對于輸入（原線圈）的匝數，升高電壓的變壓器。當交變電流流過原線圈時，原線圈周圍的磁通量發生變化，根據電磁感應原理，在副線圈中產生了電動勢（電壓）。如果副線圈的匝數多于原線圈，產生的電動勢（電壓）也就比輸入電壓高。降壓變壓器：通過減少輸出（副線圈）的匝數相對于輸入（原線圈）的匝數，降低電壓的變壓器。同樣利用電磁感應原理，但由于副線圈的匝數少于原線圈，所以輸出電壓低于輸入電壓。假設有一個發電站，它產生的電壓是500 V，輸出功率是50 kW，我們需要將電力輸送到100千米外的一個小鎮。考慮到輸電過程中的損耗不應超過總輸電功率的0.6%，我們應該如何設計這個輸電系統？

生：我們需要使用升壓變壓器來增加輸電線路上的電壓，以減少功率損失。

師：很好，假設輸電線路的總電阻是0.05Ω/km，電壓應該升高到多少呢？

生：首先計算總電阻，然后根據功率損失百分比計算應有的功率損失，最后通過公式計算出輸電開始時的電壓。

師：現在基于我們的討論，誰能總結一下遠距離輸電電路中電壓、電流與輸電線路損耗之間的基本關系？

學生分組討論總結：為了減少輸電過程中的能量損失，升壓變壓器在發電站附近用來增加輸電前的電壓，從而減少了輸電線路上的電流；而在用戶端，降壓變壓器再將電壓降低到安全水平以供電器使用。

（設計意圖：引導學生深入理解遠距離輸電的物理原理和技術細節，鼓勵其從不同角度考慮問題，如技術、經濟、安全等，培養其綜合分析能力，這也是物理教育的重要目標之一，鍛煉其創新思維和解決實際問題的能力。）

（三）變壓器動態電路分析

師：接下來我們將探索變壓器動態電路的分析。這涉及兩大類問題：一是變壓器線圈匝數的變化，二是用戶負載的變化。首先，讓我們討論變壓器線圈匝數變化的影響。（展示包含變壓器線圈匝數可調的電路圖）

生：變壓器線圈匝數的變化會影響其電壓比嗎？

師：非常好的問題。的確，變壓器的電壓比等于其線圈的匝數比。假設我們有一個發電機電壓不變的情況下，如果我們增加升壓變壓器的匝數比，對輸電線上的損耗功率會有什么影響？

生：損耗功率應該會減少，因為電流減小了。

師：正確。讓我們從幾個不同的角度來看這個問題。首先，從電氣工程的角度，我們知道電壓和電流的變化直接影響功率。其次，從物理學的能量守恒角度看，輸電系統的總輸入功率必須等于總輸出功率加上損耗功率。最后，從實際應用的角度，我們需要考慮如何通過調整匝數比來提高系統的效率，減少能量損失。

生（討論后）：從電氣工程的角度看，增加副線圈的匝數可以提高電壓，減少電流，從而減少輸電線路的功率損耗。從能量守恒的角度，減少輸電線上的損耗意味著用戶端可以接收到更多的功率，提高整個系統的效率。實際應用中，提高系統效率可以減少能源浪費，降低成本。但我們也需要考慮成本和技術可行性，如匝數的調整可能需要更復雜的變壓器設計。

師：現在讓我們通過一個具體的問題來驗證你們的思考。（展示題目：在一個變壓器內同一線路以相同的電功率P輸送，原線圈電壓U保持不變，總電阻為R，副線圈與原線圈的匝數比為k，線路損耗電功率P1。先將副線圈與原線圈的匝數比提高到nk，線路損耗電功率為P2，求P1和P2 / P1的關系。

●假設法

師：我們假設通過改變匝數比，電流會如何變化？

生：假設電流減少，因為匝數比增加導致輸出電壓增加，電流應該減少以保持功率不變。

師：正確。根據P=I2R，如果電流減少，線路損耗的電功率P1和P2有何關系？

生：P2應該小于P1，因為電流的減少會導致損耗功率減少。

●能量守恒定律

師：讓我們從能量守恒定律的角度來看。能量守恒如何能幫助我們理解匝數比變化對損耗功率的影響？

生：因為總輸入功率等于總輸出功率加上線路損耗功率，如果輸出功率保持不變，而電流減少，那么線路損耗功率必然減少。

●極限法

師：考慮如果nk變得非常大，即副線圈匝數遠大于原線圈匝數，輸電線路損耗會怎樣？

生：那么電流接近于零，理論上線路損耗也會接近于零。所以增加匝數比會減少損耗。

●等效電源法

師：如果我們將變壓器和輸電線看作一個等效電源，變化匝數比會如何影響等效電源的內阻和輸出功率？

生：增加匝數比相當于增加了等效電源的電壓，減少了通過等效內阻的電流，因此減少了等效電源的內部損耗。

（設計意圖：引導學生使用多種思維方法來解決同一個物理問題，從而培養學生的多元思維能力。通過假設法、能量守恒定律、極限法和等效電源法的應用，學生不僅能深入理解變壓器和輸電線路的物理原理，還將學會從不同角度和運用不同方法分析問題，增強創新思維和問題解決能力。）

六、教學反思

加德納的多元智能理論提出人類智能包括多種不同的維度，如邏輯數學智能、空間智能、語言智能等，強調教育應充分認識到學生智能的多樣性，并通過多樣化的教學策略來滿足不同智能類型學生的學習需求。在這一理論支持下，多元思維教學追求在教學過程中發揮學生各種智能的潛力，鼓勵其通過多種途徑探索問題的解決途徑。鼓勵學生從不同的角度審視問題，旨在打破傳統的線性思維模式，激發學生的想象力、創造力，將實施過程的重點放在如何利用教學活動和討論引導學生建立跨學科的聯系上，從而達到深層次的思維發散。

（作者單位：涇川縣第一中學）

編輯：常超波