李小鵬

一、多元思維概述

多元思維作為一種立體的認(rèn)知過程，強(qiáng)調(diào)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(xué)生在分析問題時超越單一視角，綜合運(yùn)用比較、對比、聯(lián)想等思維模式，以達(dá)到提升綜合解決問題能力的目的。

二、教學(xué)內(nèi)容

高中物理選擇性必修第二冊第三章第4節(jié)“電能的輸送”。該節(jié)內(nèi)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(lián)了之前學(xué)習(xí)的交流電、變壓器以及電路分析的知識。

三、學(xué)情分析

高三學(xué)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(xué)目標(biāo)

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

2.科學(xué)思維：能夠分析遠(yuǎn)距離輸電電路中電壓與能量的關(guān)系，認(rèn)識變壓器原副線圈電流、電壓與線圈匝數(shù)關(guān)系的能力，熟練解決相關(guān)物理問題。

3.科學(xué)探究：探索如何降低輸電損耗的方法及高壓輸電原理，學(xué)會總結(jié)已學(xué)知識，運(yùn)用舊方法解決新問題。

4.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：認(rèn)識到發(fā)電量需根據(jù)消費(fèi)需求靈活調(diào)整的重要性，樹立為國家與社會發(fā)展做貢獻(xiàn)的自覺。

五、教學(xué)過程

（一）變壓器的基本規(guī)律

師：有誰能告訴我變壓器在我們?nèi)粘Ｉ钪杏心男?yīng)用？（展示日常生活中的變壓器圖片：家用電器內(nèi)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(jī)、電冰箱，還有電力傳輸，將電壓從高轉(zhuǎn)低或從低轉(zhuǎn)高。

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

生：通過原副線圈中的電磁感應(yīng)原理，改變線圈的匝數(shù)比，可以實(shí)現(xiàn)電壓的變化。

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

生：電壓之比等于線圈匝數(shù)之比，而電流之比與線圈匝數(shù)之比成反比。

師：準(zhǔn)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(xiàn)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(shù)的關(guān)系，并討論為什么這樣設(shè)計(jì)。準(zhǔn)備好后我們一起分享。

（學(xué)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(shè)計(jì)有著不同的應(yīng)用目的。通過調(diào)整原副線圈的匝數(shù)比，可以實(shí)現(xiàn)不同的電壓轉(zhuǎn)換需求。這正體現(xiàn)了變壓器設(shè)計(jì)的多樣性和靈活性。思考以下問題：（1）為什么在某些應(yīng)用中必須精確知道輸出電壓或電流？（2）這些電路在實(shí)際中可用于哪些類型的設(shè)備或?qū)嶒?yàn)中？（3）如何根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的電路配置？

（設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生在復(fù)習(xí)變壓器的基本規(guī)律的同時，通過比較、分析不同變壓器模型的活動，引導(dǎo)學(xué)生多角度、多維度理解變壓器的工作原理和設(shè)計(jì)差異。）

（二）遠(yuǎn)距離輸電電路基本關(guān)系

師：為什么我們需要遠(yuǎn)距離輸電？（展示全球電網(wǎng)分布圖，強(qiáng)調(diào)發(fā)電站與用電區(qū)域之間的距離）

生：因?yàn)榘l(fā)電站通常位于資源豐富或環(huán)境允許的遠(yuǎn)離居民區(qū)的地方，而用電需求則分布在各個城市和鄉(xiāng)村。

師：確切地說，這種分布造成了遠(yuǎn)距離輸電的需求。輸電過程中有哪些關(guān)鍵的技術(shù)或設(shè)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(fā)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(dá)使用地點(diǎn)時降低電壓，以適應(yīng)不同設(shè)備的需求。

師：非常好。我們現(xiàn)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(shù)相對于輸入（原線圈）的匝數(shù)，升高電壓的變壓器。當(dāng)交變電流流過原線圈時，原線圈周圍的磁通量發(fā)生變化，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在副線圈中產(chǎn)生了電動勢（電壓）。如果副線圈的匝數(shù)多于原線圈，產(chǎn)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(shù)相對于輸入（原線圈）的匝數(shù)，降低電壓的變壓器。同樣利用電磁感應(yīng)原理，但由于副線圈的匝數(shù)少于原線圈，所以輸出電壓低于輸入電壓。假設(shè)有一個發(fā)電站，它產(chǎn)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(zhèn)。考慮到輸電過程中的損耗不應(yīng)超過總輸電功率的0.6%，我們應(yīng)該如何設(shè)計(jì)這個輸電系統(tǒng)？

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(shè)輸電線路的總電阻是0.05Ω/km，電壓應(yīng)該升高到多少呢？

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

師：現(xiàn)在基于我們的討論，誰能總結(jié)一下遠(yuǎn)距離輸電電路中電壓、電流與輸電線路損耗之間的基本關(guān)系？

學(xué)生分組討論總結(jié)：為了減少輸電過程中的能量損失，升壓變壓器在發(fā)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(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生深入理解遠(yuǎn)距離輸電的物理原理和技術(shù)細(xì)節(jié)，鼓勵其從不同角度考慮問題，如技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全等，培養(yǎng)其綜合分析能力，這也是物理教育的重要目標(biāo)之一，鍛煉其創(chuàng)新思維和解決實(shí)際問題的能力。）

（三）變壓器動態(tài)電路分析

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

生：變壓器線圈匝數(shù)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(shù)比。假設(shè)我們有一個發(fā)電機(jī)電壓不變的情況下，如果我們增加升壓變壓器的匝數(shù)比，對輸電線上的損耗功率會有什么影響？

生：損耗功率應(yīng)該會減少，因?yàn)殡娏鳒p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(xué)的能量守恒角度看，輸電系統(tǒng)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(shí)際應(yīng)用的角度，我們需要考慮如何通過調(diào)整匝數(shù)比來提高系統(tǒng)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(shù)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(tǒng)的效率。實(shí)際應(yīng)用中，提高系統(tǒng)效率可以減少能源浪費(fèi)，降低成本。但我們也需要考慮成本和技術(shù)可行性，如匝數(shù)的調(diào)整可能需要更復(fù)雜的變壓器設(shè)計(jì)。

師：現(xiàn)在讓我們通過一個具體的問題來驗(yàn)證你們的思考。（展示題目：在一個變壓器內(nèi)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(shù)比為k，線路損耗電功率P1。先將副線圈與原線圈的匝數(shù)比提高到nk，線路損耗電功率為P2，求P1和P2 / P1的關(guān)系。

●假設(shè)法

師：我們假設(shè)通過改變匝數(shù)比，電流會如何變化？

生：假設(shè)電流減少，因?yàn)樵褦?shù)比增加導(dǎo)致輸出電壓增加，電流應(yīng)該減少以保持功率不變。

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

生：P2應(yīng)該小于P1，因?yàn)殡娏鞯臏p少會導(dǎo)致?lián)p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(shù)比變化對損耗功率的影響？

生：因?yàn)榭傒斎牍β实扔诳傒敵龉β始由暇€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(shù)遠(yuǎn)大于原線圈匝數(shù)，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(shù)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(shù)比會如何影響等效電源的內(nèi)阻和輸出功率？

生：增加匝數(shù)比相當(dāng)于增加了等效電源的電壓，減少了通過等效內(nèi)阻的電流，因此減少了等效電源的內(nèi)部損耗。

（設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生使用多種思維方法來解決同一個物理問題，從而培養(yǎng)學(xué)生的多元思維能力。通過假設(shè)法、能量守恒定律、極限法和等效電源法的應(yīng)用，學(xué)生不僅能深入理解變壓器和輸電線路的物理原理，還將學(xué)會從不同角度和運(yùn)用不同方法分析問題，增強(qiáng)創(chuàng)新思維和問題解決能力。）

六、教學(xué)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(shù)學(xué)智能、空間智能、語言智能等，強(qiáng)調(diào)教育應(yīng)充分認(rèn)識到學(xué)生智能的多樣性，并通過多樣化的教學(xué)策略來滿足不同智能類型學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。在這一理論支持下，多元思維教學(xué)追求在教學(xué)過程中發(fā)揮學(xué)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(xué)生從不同的角度審視問題，旨在打破傳統(tǒng)的線性思維模式，激發(fā)學(xué)生的想象力、創(chuàng)造力，將實(shí)施過程的重點(diǎn)放在如何利用教學(xué)活動和討論引導(dǎo)學(xué)生建立跨學(xué)科的聯(lián)系上，從而達(dá)到深層次的思維發(fā)散。

（作者單位：涇川縣第一中學(xué)）

編輯：常超波