指向多元思维的高中物理复习教学案例

一、多元思维概述多元思维作为一种立体的认知过程，强调从不同角度和维度审视和解决问题的能力，注重考察问题的多面性，鼓励学生在分析问题时超越单一视角，综合运用比较、对比、联想等思维模式，以达到提升综合解决问题能力的目的。二、教学内容高中物理选择性必修第二册第三章第4节“电能的输送”。该节内容深入探讨了电能在输送过程中的能量守恒问题，包含能量守恒定律、欧姆定律以及变压器原理等核心物理概念，并串联了之前学习的交流电、变压器以及电路分析的知识。三、学情分析高三学生对欧姆定律和变压器原理已有较深理解，具备一定程度的电路分析能力。四、教学目标1.物理观念：掌握变压器在能量传递中的关键作用，认识提高输电电压以减少能量损耗和降低电压以适应终端使用的重要性。2.科学思维：能够分析远距离输电电路中电压与能量的关系，认识变压器原副线圈电流、电压与线圈匝数关系的能力，熟练解决相关物理问题。3.科学探究：探索如何降低输电损耗的方法及高压输电原理，学会总结已学知识，运用旧方法解决新问题。4.科学态度与责任：认识到发电量需根据消费需求灵活调整的重要性，树立为国家与社会发展做贡献的自觉。五、教学过程（一）变压器的基本规律师：有谁能告诉我变压器在我们日常生活中有哪些应用？（展示日常生活中的变压器图片：家用电器内的小型变压器、街道上的电力变压器等）生：变压器用于家用电器中，如电视机、电冰箱，还有电力传输，将电压从高转低或从低转高。师：非常好！变压器的核心作用就是调节电压。那么，变压器是如何做到这一点的呢？（课件展示理想变压器的基本构造和工作原理，见图1）生：通过原副线圈中的电磁感应原理，改变线圈的匝数比，可以实现电压的变化。师：对，电磁感应原理是变压器工作的基础。那原副线圈的电压、电流与线圈匝数之间有什么关系呢？生：电压之比等于线圈匝数之比，而电流之比与线圈匝数之比成反比。师：准确！接下来，我们来比较四个不同的变压器模型，来更深入地理解这个原理。（展示四个自耦变压器模型的图像，见图2）师：现在我们分成小组，每组选择一个模型，分析其原副线圈的电压、电流与线圈匝数的关系，并讨论为什么这样设计。准备好后我们一起分享。（学生分组讨论）师：通过这次分析，我们可以看到，不同的变压器设计有着不同的应用目的。通过调整原副线圈的匝数比，可以实现不同的电压转换需求。这正体现了变压器设计的多样性和灵活性。思考以下问题：（1）为什么在某些应用中必须精确知道输出电压或电流？（2）这些电路在实际中可用于哪些类型的设备或实验中？（3）如何根据实际需要选择合适的电路配置？（设计意图：让学生在复习变压器的基本规律的同时，通过比较、分析不同变压器模型的活动，引导学生多角度、多维度理解变压器的工作原理和设计差异。）（二）远距离输电电路基本关系师：为什么我们需要远距离输电？（展示全球电网分布图，强调发电站与用电区域之间的距离）生：因为发电站通常位于资源丰富或环境允许的远离居民区的地方，而用电需求则分布在各个城市和乡村。师：确切地说，这种分布造成了远距离输电的需求。输电过程中有哪些关键的技术或设备呢？生：主要是变压器和输电线路。师：对，变压器在这个过程中发挥了什么作用？生：升压变压器可以提高电压，减少输电过程中的能量损失。降压变压器则在电力到达使用地点时降低电压，以适应不同设备的需求。师：非常好。我们现在回顾一下升压和降压变压器的原理。升压变压器：通过增加输出（副线圈）的匝数相对于输入（原线圈）的匝数，升高电压的变压器。当交变电流流过原线圈时，原线圈周围的磁通量发生变化，根据电磁感应原理，在副线圈中产生了电动势（电压）。如果副线圈的匝数多于原线圈，产生的电动势（电压）也就比输入电压高。降压变压器：通过减少输出（副线圈）的匝数相对于输入（原线圈）的匝数，降低电压的变压器。同样利用电磁感应原理，但由于副线圈的匝数少于原线圈，所以输出电压低于输入电压。假设有一个发电站，它产生的电压是500V，输出功率是50kW，我们需要将电力输送到100千米外的一个小镇。考虑到输电过程中的损耗不应超过总输电功率的0.6%，我们应该如何设计这个输电系统？生：我们需要使用升压变压器来增加输电线路上的电压，以减少功率损失。师：很好，假设输电线路的总电阻是0.05Ω/km，电压应该升高到多少呢？生：首先计算总电阻，然后根据功率损失百分比计算应有的功率损失，最后通过公式计算出输电开始时的电压。师：现在基于我们的讨论，谁能总结一下远距离输电电路中电压、电流与输电线路损耗之间的基本关系？学生分组讨论总结：为了减少输电过程中的能量损失，升压变压器在发电站附近用来增加输电前的电压，从而减少了输电线路上的电流；而在用户端，降压变压器再将电压降低到安全水平以供电器使用。（设计意图：引导学生深入理解远距离输电的物理原理和技术细节，鼓励其从不同角度考虑问题，如技术、经济、安全等，培养其综合分析能力，这也是物理教育的重要目标之一，锻炼其创新思维和解决实际问题的能力。）（三）变压器动态电路分析师：接下来我们将探索变压器动态电路的分析。这涉及两大类问题：一是变压器线圈匝数的变化，二是用户负载的变化。首先，让我们讨论变压器线圈匝数变化的影响。（展示包含变压器线圈匝数可调的电路图）生：变压器线圈匝数的变化会影响其电压比吗？师：非常好的问题。的确，变压器的电压比等于其线圈的匝数比。假设我们有一个发电机电压不变的情况下，如果我们增加升压变压器的匝数比，对输电线上的损耗功率会有什么影响？生：损耗功率应该会减少，因为电流减小了。师：正确。让我们从几个不同的角度来看这个问题。首先，从电气工程的角度，我们知道电压和电流的变化直接影响功率。其次，从物理学的能量守恒角度看，输电系统的总输入功率必须等于总输出功率加上损耗功率。最后，从实际应用的角度，我们需要考虑如何通过调整匝数比来提高系统的效率，减少能量损失。生（讨论后）：从电气工程的角度看，增加副线圈的匝数可以提高电压，减少电流，从而减少输电线路的功率损耗。从能量守恒的角度，减少输电线上的损耗意味着用户端可以接收到更多的功率，提高整个系统的效率。实际应用中，提高系统效率可以减少能源浪费，降低成本。但我们也需要考虑成本和技术可行性，如匝数的调整可能需要更复杂的变压器设计。师：现在让我们通过一个具体的问题来验证你们的思考。（展示题目：在一个变压器内同一线路以相同的电功率P输送，原线圈电压U保持不变，总电阻为R，副线圈与原线圈的匝数比为k，线路损耗电功率P1。先将副线圈与原线圈的匝数比提高到nk，线路损耗电功率为P2，求P1和P2/P1的关系。●假设法师：我们假设通过改变匝数比，电流会如何变化？生：假设电流减少，因为匝数比增加导致输出电压增加，电流应该减少以保持功率不变。师：正确。根据P=I2R，如果电流减少，线路损耗的电功率P1和P2有何关系？生：P2应该小于P1，因为电流的减少会导致损耗功率减少。●能量守恒定律师：让我们从能量守恒定律的角度来看。能量守恒如何能帮助我们理解匝数比变化对损耗功率的影响？生：因为总输入功率等于总输出功率加上线路损耗功率，如果输出功率保持不变，而电流减少，那么线路损耗功率必然减少。●极限法师：考虑如果nk变得非常大，即副线圈匝数远大于原线圈匝数，输电线路损耗会怎样？生：那么电流接近于零，理论上线路损耗也会接近于零。所以增加匝数比会减少损耗。●等效电源法师：如果我们将变压器和输电线看作一个等效电源，变化匝数比会如何影响等效电源的内阻和输出功率？生：增加匝数比相当于增加了等效电源的电压，减少了通过等效内阻的电流，因此减少了等效电源的内部损耗。（设计意图：引导学生使用多种思维方法来解决同一个物理问题，从而培养学生的多元思维能力。通过假设法、能量守恒定律、极限法和等效电源法的应用，学生不仅能深入理解变压器和输电线路的物理原理，还将学会从不同角度和运用不同方法分析问题，增强创新思维和问题解决能力。）六、教学反思加德纳的多元智能理论提出人类智能包括多种不同的维度，如逻辑数学智能、空间智能、语言智能等，强调教育应充分认识到学生智能的多