“小設(shè)計(jì)”換來“大驚喜”——以“電能的輸送”教學(xué)設(shè)計(jì)為例

王 蕾

（蘇州市第一中學(xué)校，江蘇 蘇州 215005）

“電能的輸送”一課是高中物理（人教版）選修3-2“交變電流”一章的最后一節(jié).在教材中的地位屬于對(duì)本章前面幾節(jié)的綜合應(yīng)用，同時(shí)也涉及到了恒定電路的一些基本電學(xué)知識(shí).本節(jié)的教學(xué)目標(biāo)主要有2方面，了解從變電站到用戶的輸電過程，知道遠(yuǎn)距離輸電時(shí)應(yīng)用高電壓的道理；引導(dǎo)學(xué)生積極主動(dòng)探究，發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，在學(xué)習(xí)知識(shí)的同時(shí)獲得一定的成就感.本節(jié)知識(shí)在高考考查中算不上主干知識(shí)，往往教材并不會(huì)以大量篇幅展現(xiàn)，而事實(shí)上這樣類型的課程與生活聯(lián)系緊密，能給學(xué)生帶來更多情感態(tài)度價(jià)值觀的體驗(yàn)，所以值得教師深入細(xì)致地研究教材和教法.

教科書教學(xué)內(nèi)容展開的流程如圖1.

圖1 教材教學(xué)流程

筆者認(rèn)為，要能更好地實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，應(yīng)從我國(guó)輸電現(xiàn)狀出發(fā)，讓學(xué)生從實(shí)踐中來再回到實(shí)踐中去.只有這樣，本節(jié)教材才會(huì)得到更有價(jià)值的提升.在教學(xué)實(shí)踐中筆者對(duì)課程的安排和實(shí)驗(yàn)都做了改進(jìn)和處理，讓整個(gè)學(xué)習(xí)過程更加流暢，實(shí)驗(yàn)效果更加完美.

1 引人入勝的新課導(dǎo)入

原教材開篇就提出了輸電基本要求，可為什么要有這樣的要求，這需要與學(xué)生分析我國(guó)的現(xiàn)狀.我國(guó)大型發(fā)電站與用電需求大的城市之間距離遙遠(yuǎn)，這也正是西電東輸面臨的一個(gè)最大的問題.若距離遠(yuǎn)用加長(zhǎng)導(dǎo)線就能解決問題的話，那么，本節(jié)課就沒有討論的必要了.所以，下一步就是要讓學(xué)生直觀地感受直接遠(yuǎn)距離輸電的弊端.

圖2 短導(dǎo)線輸電

小設(shè)計(jì)之1.（1）學(xué)生電源（交流）對(duì)燈泡A供電，A燈正常發(fā)光.如圖2所示.

（2）學(xué)生電源（交流）對(duì)教室后排的相同規(guī)格的B燈供電，距離遠(yuǎn).后排沒有電源.我

們就不得不找來一捆長(zhǎng)長(zhǎng)的導(dǎo)線來連接電路.

（3）讓B燈與A燈并聯(lián)，閉合開關(guān)，如圖3所示.

圖3 長(zhǎng)導(dǎo)線輸電

（4）現(xiàn)象：B點(diǎn)發(fā)光明顯暗于A燈.如圖4所示.

圖4 實(shí)驗(yàn)效果圖

引發(fā)思考：A、B燈是并聯(lián)，電壓相等，為啥亮暗程度差了那么多？

學(xué)生分析：?jiǎn)栴}應(yīng)該是出在這“長(zhǎng)長(zhǎng)的導(dǎo)線”上.

大驚喜：不需教師提醒，學(xué)生也能想到：這點(diǎn)距離的導(dǎo)線就能產(chǎn)生如此大的影響，那試想遙遠(yuǎn)的三峽輸送電能到自己生活的城市，影響之大、損耗之多.充分體會(huì)到遠(yuǎn)距離輸電無法回避的困難，這樣學(xué)生才會(huì)主動(dòng)進(jìn)一步思考如何降低線路產(chǎn)生的影響.

建議：為了讓“遠(yuǎn)距離”輸電更加形象，回路導(dǎo)線可以盡可能長(zhǎng)一些（筆者上課就采用了總長(zhǎng)約150m的導(dǎo)線）.同時(shí)，為了讓導(dǎo)線上的電壓降更明顯，實(shí)驗(yàn)效果更加理想，可在導(dǎo)線中串入電阻，增大回路的總阻值.

2 常規(guī)示教板之非常規(guī)改進(jìn)

許多學(xué)校都有高低壓輸電示教板，為了更加貼切展示實(shí)際情況，實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)用兩根阻值較大的電阻絲代表遠(yuǎn)距離的長(zhǎng)導(dǎo)線.用低壓送電時(shí)，實(shí)驗(yàn)原理同小設(shè)計(jì)1.如果僅僅將長(zhǎng)導(dǎo)線用電阻絲替換，精簡(jiǎn)板面的話，那并無很大的意義.是否能讓線路上的能量損失，更形象化、具體化？筆者做了很多嘗試.本著既要啟發(fā)性強(qiáng)，又要適于取材，易于操作，性能穩(wěn)定，安全可靠，筆者將原來的示教板做了微小的改動(dòng).

小設(shè)計(jì)之2.（1）將示教板上的大阻值導(dǎo)線替換成2個(gè)規(guī)格相同的小燈泡，最好與用戶端的小燈泡規(guī)格也相同，如圖5（a）改成圖5（b）所示.

圖5

低壓交流送電時(shí)，三者串聯(lián)，學(xué)生就可以清楚地觀察到用戶端燈泡與輸電線上燈泡一樣亮.可見線路上損失較大，如圖6所示.

圖6 實(shí)驗(yàn)效果圖

（2）進(jìn)一步向?qū)W生展示，實(shí)際用戶端用戶增多時(shí)，線路損失的情況，如圖7所示.

圖7 低壓送電多負(fù)載的電路圖

用戶端并聯(lián)線路增多，示教板上的電路圖能很清楚地提示著，線路損失的能量是不可低估的.如圖8所示.

圖8 實(shí)驗(yàn)效果圖

大驚喜：輸電線有明顯的電阻，有能耗，用戶端得到的電能跟發(fā)電廠送出的相比損失了很多.若用兩個(gè)小燈泡來替代長(zhǎng)長(zhǎng)的輸電線，最大的優(yōu)點(diǎn)就是直觀，小燈泡的亮暗情況給了學(xué)生更多的體驗(yàn).

物理學(xué)科是一門重實(shí)踐、重體驗(yàn)的學(xué)科，許多問題教師光憑講述，是很難給學(xué)生直觀感受的.設(shè)計(jì)2在設(shè)計(jì)1的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出線路損失問題，同時(shí)又可與高壓送電形成鮮明對(duì)比.對(duì)學(xué)生而言，將看不到的能量損失用看得到的小燈泡的明暗區(qū)別來呈現(xiàn)，這種視覺的沖擊，對(duì)理解高壓送電的必要性起著極其關(guān)鍵的作用.

建議：線路電阻燈泡與用戶端燈泡盡量使用相同規(guī)格，這樣3盞燈泡的亮暗對(duì)比更能說明問題.同時(shí)，用戶端3燈泡也盡量使用相同規(guī)格.

3 定量對(duì)比引發(fā)思考

對(duì)于眼前看到的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，學(xué)生希望提出解決的方法.根據(jù)焦耳定律及控制變量法，學(xué)生易從縮短時(shí)間、減小電阻、減小電流3方面入手.但生活經(jīng)驗(yàn)很快就會(huì)讓學(xué)生否定靠縮短時(shí)間來減小能耗的方法.而減小輸電電阻、減小輸電電流，到底哪個(gè)更好？筆者認(rèn)為也最好要有學(xué)生體驗(yàn)后抉擇.

小設(shè)計(jì)之3.案例體驗(yàn)1：把功率為2×107W的電能輸送到5km以外的地方，輸電線上的總電阻為10Ω，用2×104V的電壓輸電，損失的功率占總功率的百分之幾？

案例體驗(yàn)2：把功率為2×107W的電能輸送到5km以外的地方，輸電線上的橫截面積加倍（相對(duì)案例1），用2×104V的電壓輸電，損失的功率占總功率的百分之幾？

案例體驗(yàn)3：把功率為2×107W的電能輸送到5km以外的地方，輸電線上的總電阻為10Ω，用4×104V的電壓輸電（相對(duì)案例1輸電電壓加倍），損失的功率占總功率的百分之幾？

案例體驗(yàn)4：把功率為2×107W的電能輸送到5km以外的地方，輸電線上的總電阻為10Ω，用2×105V的電壓輸電（相對(duì)案例1輸電電壓的10倍），損失的功率占總功率的百分之幾？

大驚喜：因?yàn)閷W(xué)生已經(jīng)掌握基本電學(xué)知識(shí)，通過以上幾組計(jì)算體驗(yàn)，減小輸電電流的優(yōu)勢(shì)就一覽無遺了.學(xué)生計(jì)算體驗(yàn)取代了教師講解.有了學(xué)生參與，正確的抉擇是必然的結(jié)果.

建議：案例選擇的數(shù)據(jù)也許與實(shí)際情況仍有出入，但考慮到這段分析所服務(wù)的教學(xué)目標(biāo)及本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)，教師還是盡量選擇方便計(jì)算的數(shù)據(jù).

4 對(duì)比實(shí)驗(yàn)提升課堂效果

目睹了低壓送電的缺陷，也討論了減小輸電線損失的方案，教師的分析讓學(xué)生也感受到了減小輸電線電流，升高輸電電壓的必要性，引出了升壓、降壓兩組變壓器來滿足輸電要求.

小設(shè)計(jì)之4.（1）改變電路結(jié)構(gòu)，進(jìn)行高壓送電.如圖9（a）所示.

現(xiàn)象：用戶端燈泡明顯增亮，輸電線燈泡幾乎不亮，如圖9（b）所示.

圖9

（2）增加用戶量，再次體驗(yàn)有別于低壓送電的不同效果，如圖10（a）、（b）所示.

圖10

大驚喜：低壓和高壓輸電的實(shí)驗(yàn)對(duì)比是本課的亮點(diǎn)，而以往實(shí)驗(yàn)突出了兩次用戶端燈泡的亮暗對(duì)比.本課設(shè)計(jì)則是讓線路燈泡的亮暗將“損失的電能”展示出來，既有用戶端燈泡亮暗對(duì)比，又有線路燈泡亮暗對(duì)比，還有線路與用戶端燈泡亮暗的對(duì)比，讓學(xué)生獲得了更全面的直觀感受.

建議：教師若能將兩次示教板實(shí)驗(yàn)效果用相機(jī)記錄，并讓兩張照片同時(shí)展出，那效果更佳.

5 結(jié)語(yǔ)

本節(jié)要求學(xué)生學(xué)完交變電流基礎(chǔ)知識(shí)、了解變壓器的原理，并運(yùn)用所學(xué)過的電磁學(xué)方面的知識(shí)解決實(shí)際問題，旨在提高學(xué)生綜合分析能力和聯(lián)系實(shí)際解決問題的能力.教師都知道，往往引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題比解決問題更困難.所以教師必須通過一些有效的方法，讓學(xué)生獲得豐富的體驗(yàn)，才能激發(fā)其解決問題的欲望，找準(zhǔn)解決問題的突破口.如本教學(xué)設(shè)計(jì)中，倘若沒有線路小燈泡的幫忙，學(xué)生看到的是，兩次都是低壓輸入，一次直接供電給用戶端，一次通過升壓和降壓送給用戶端，用戶獲得了不同輸出功率.沒能“親眼”證實(shí)線路上的損失，反而給高壓輸電蒙上了一層神秘色彩，不利于學(xué)生的理解.現(xiàn)在引入了代替輸電線電阻的小燈泡，這小燈泡身兼兩職，既代表了遠(yuǎn)距離輸電線的電阻，又能將電阻對(duì)功率的影響半定量地呈現(xiàn)，改動(dòng)雖小，但獲得的教學(xué)效果是不言而喻的.

1 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理選修3-2教師教學(xué)用書.北京：人民教育出版社，2007：87－89.

2 劉大華.探究學(xué)習(xí)與課堂教學(xué)的整合——“電能的輸送”一課的教學(xué)設(shè)計(jì)［J］.物理教師，2007（7）：20－21.