《電能的輸送》之“模擬遠(yuǎn)距離輸電”實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

田誠(chéng)++涂運(yùn)芳

摘 要：電能輸送的核心在于減少輸電過(guò)程中的電能損耗，學(xué)生學(xué)習(xí)該知識(shí)點(diǎn)時(shí)普遍缺乏形象直觀的感知，對(duì)知識(shí)的理解不夠深入。本文從實(shí)驗(yàn)角度出發(fā)，通過(guò)自制物理模型來(lái)探究電能輸送中降低電能損耗的兩種方法，展示遠(yuǎn)距離高壓輸電的優(yōu)越性，揭示降低電能損耗辦法的物理本質(zhì)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)講授方法的局限性，加深理解遠(yuǎn)距離輸電的原理和輸電過(guò)程。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)距離輸電；損耗；高壓

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2017）8-0025-3

【教材和學(xué)情分析】

選擇高中物理選修3-2《電能的輸送》中有關(guān)遠(yuǎn)距離輸電作為實(shí)驗(yàn)說(shuō)課內(nèi)容，是因?yàn)榻滩纳蠜](méi)有設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。很多老師主要以講解為主，通過(guò)大量理論推導(dǎo)讓學(xué)生接受遠(yuǎn)距離高壓輸電的原理，加之輸電結(jié)構(gòu)復(fù)雜，物理量多，計(jì)算量大，學(xué)生缺乏直觀形象的認(rèn)知，導(dǎo)致學(xué)習(xí)相當(dāng)困難。

鑒于這樣的背景，筆者設(shè)計(jì)一組原創(chuàng)實(shí)驗(yàn)來(lái)模擬遠(yuǎn)距離輸電，用以突破本節(jié)課的重難點(diǎn)知識(shí)。

【三維目標(biāo)】

根據(jù)新課標(biāo)要求和教材的編寫(xiě)意圖以及學(xué)生的實(shí)際情況確定本節(jié)的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)如下：

一、知識(shí)與技能

1.通過(guò)實(shí)驗(yàn)和觀察知道如何減少輸電線上的功率損失，理解為什么遠(yuǎn)距離輸電要用高電壓。

2.了解遠(yuǎn)距離輸電的過(guò)程和原理。

二、過(guò)程與方法

1.通過(guò)思考與討論，探究出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路。

2.通過(guò)設(shè)計(jì)和觀察實(shí)驗(yàn)獲取知識(shí)。

三、情感、態(tài)度與價(jià)值觀

1.體會(huì)探索自然規(guī)律的科學(xué)態(tài)度。

2.培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和建模能力。

【教學(xué)重點(diǎn)】

1.通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析降低輸電損耗的有效方法。

2.通過(guò)實(shí)驗(yàn)理解遠(yuǎn)距離輸電的原理。

【教學(xué)難點(diǎn)】

通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)理解遠(yuǎn)距離輸電的原理。

【教學(xué)思想和策略選擇】

采用“學(xué)本思想”教育理念，學(xué)生通過(guò)思考探究、合作交流、自主實(shí)驗(yàn)、討論總結(jié)等方式來(lái)研究知識(shí)、學(xué)習(xí)知識(shí)、領(lǐng)悟知識(shí)。

教法：?jiǎn)l(fā)、探究、演示、實(shí)驗(yàn)、對(duì)比、討論等教學(xué)方法。

學(xué)法：自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)、合作交流、討論總結(jié)、展評(píng)學(xué)習(xí)等學(xué)法。

【實(shí)驗(yàn)過(guò)程】

實(shí)驗(yàn)1 探究輸電線電阻對(duì)輸電功率的損耗

1.實(shí)驗(yàn)器材

學(xué)生電源、開(kāi)關(guān)（1個(gè)）、小燈泡及底座（1個(gè)）、鎳鉻合金線（2根）、鱷魚(yú)夾（4個(gè)）、廢舊木板（1塊）、廢舊筆殼（2支）、螺絲釘若干、導(dǎo)線若干。

2.實(shí)驗(yàn)與論證

通過(guò)前面學(xué)習(xí)過(guò)的電阻定律和燈泡的明暗可以反映功率變化的知識(shí)，學(xué)生討論得到初步的實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)電路圖。

（1）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)圖（如圖1所示）

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圖1 實(shí)驗(yàn)1設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)圖

（2）實(shí)驗(yàn)操作與現(xiàn)象

用筆者自制的實(shí)驗(yàn)教具，用兩根較細(xì)的電阻率較大的鎳鉻合金絲代表輸電線路，演示和觀察燈泡的明暗變化。

（3）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目的

通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，讓學(xué)生深刻感知輸電線上的電阻會(huì)導(dǎo)致功率嚴(yán)重?fù)p失，為下一步探究如何有效減小輸電線功率損失的學(xué)習(xí)做好鋪墊。

操作簡(jiǎn)單，現(xiàn)象明顯的演示儀便于學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，可提升他們的動(dòng)手、觀察、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

實(shí)驗(yàn)2 模擬遠(yuǎn)距離輸電的優(yōu)越性

1.實(shí)驗(yàn)器材

學(xué)生電源、可拆變壓器（2個(gè)）、單刀開(kāi)關(guān)（2個(gè)）、單刀雙擲開(kāi)關(guān)（2個(gè)）、小燈泡及底座（4個(gè)）、木板（1塊）、螺絲釘若干、導(dǎo)線若干。

2.實(shí)驗(yàn)與論證

通過(guò)教材中的思考與討論，如果直接由發(fā)電站到用戶，用戶質(zhì)量得不到保障，筆者自制對(duì)比實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生體會(huì)遠(yuǎn)距離輸電的優(yōu)越性。

（1）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路圖（如圖2）

（2）實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象

筆者自制的遠(yuǎn)距離高壓輸電演示儀，下面是模擬由發(fā)電廠直接到用戶的遠(yuǎn)距離低壓輸電線路，上面是模擬由發(fā)電廠經(jīng)升壓變壓器、輸電線、降壓變壓器再到用戶的遠(yuǎn)距離高壓輸電線路。接于同一電源，4個(gè)小燈泡規(guī)格一致，輸電距離一樣， 調(diào)節(jié)升、降壓變壓器匝數(shù)之比為8：1、1：8，檢查電路無(wú)誤，接入電源，提醒學(xué)生注意觀察兩條線路小燈泡的亮度。（依次關(guān)閉低、高壓輸電開(kāi)關(guān)）我們發(fā)現(xiàn)采用高壓輸電線路的小燈泡發(fā)光稍微更亮，得到的功率稍微更多，但還不足以說(shuō)明高壓輸電的優(yōu)越性。其他條件不變，現(xiàn)在將輸電線上的電壓升得更高，將匝數(shù)比調(diào)節(jié)到1：60和60：1，（關(guān)閉開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)升、降變壓器）我們發(fā)現(xiàn)輸電線電壓升高后，小燈泡明顯更亮，得到的功率更多。

（3）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目的

通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生直觀形象地認(rèn)識(shí)遠(yuǎn)距離輸電的優(yōu)越性，激發(fā)學(xué)生的求知欲，此情此景學(xué)生一定滿臉疑惑，迫切地想知道其中的奧秘。

由此，筆者設(shè)計(jì)了第三個(gè)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)3 “模擬遠(yuǎn)距離高壓輸電”的本質(zhì)

1.實(shí)驗(yàn)器材

學(xué)生電源、可拆變壓器（2個(gè)）、開(kāi)關(guān)（2個(gè)）、小燈泡及底座（4個(gè)）、木板（1塊）、靈敏交流電流表（2只）、數(shù)字電壓表（1只）、螺絲釘若干、導(dǎo)線若干。

2.實(shí)驗(yàn)與論證

改變遠(yuǎn)距離輸電中的變壓器匝數(shù)比，比較靈敏電流表的讀數(shù)，進(jìn)一步理解高壓輸電的本質(zhì)是改變輸電線上的電流。

（1）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路圖（如圖3所示）

（2）實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象

兩個(gè)交流電流表的量程分別是300 mA和100 mA。用兩個(gè)自制的插銷(xiāo)，抽出后可以將電流表串聯(lián)在電路中。（現(xiàn)在筆者將電流表表盤(pán)投影到大屏幕，提醒學(xué)生注意觀察兩條線路的小燈泡亮度和電流表的示數(shù)），變壓器匝數(shù)比為1：8、8：1，我們發(fā)現(xiàn)低壓輸電線路的電流大約為220 mA，高壓輸電線路中的電流約為70 mA，將匝數(shù)比接到1：60、60：1，接通電源，高壓輸電線上的電流表示數(shù)約為10 mA，電流表示數(shù)減小，燈泡卻更亮了。通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可得，輸電線兩端的電壓升高后，高壓輸電線上的電流減小，用戶得到的功率反而更多。

結(jié)合P■=I■■R■、U■=I■R■揭示遠(yuǎn)距離高壓輸電的本質(zhì)是通過(guò)提高輸電線兩端的電壓后，減小輸電線上的電流，從而減小輸電線本身的電壓和電功率的損耗，使用戶的用電得到保障。

（3）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目的

通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，揭示了遠(yuǎn)距離高壓輸電的本質(zhì)是通過(guò)提高輸電線兩端的電壓，從而減小輸電線的電流，減小輸電線上的電壓和電能的損失，對(duì)遠(yuǎn)距離輸電的理論推導(dǎo)做好思維鋪墊。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)打破老師以講為主的傳統(tǒng)教學(xué)模式，結(jié)合中學(xué)生好奇、求知欲強(qiáng)的特點(diǎn)，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，用形象直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象突破本節(jié)課的學(xué)習(xí)難點(diǎn)。

【教學(xué)效果及反思】

通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，學(xué)生可以直觀形象地認(rèn)知遠(yuǎn)距離輸電的過(guò)程和原理，達(dá)到設(shè)計(jì)效果。自制實(shí)驗(yàn)教具，傳遞變廢為寶的理念，展示物理學(xué)科的魅力。通過(guò)三個(gè)實(shí)驗(yàn)，層層遞進(jìn)，展示遠(yuǎn)距離高壓輸電的優(yōu)越性，現(xiàn)象和數(shù)據(jù)結(jié)合，揭示遠(yuǎn)距離高壓輸電的本質(zhì)：升高輸電線兩端的電壓，減小輸電線上的電流。減小輸電損失，保障用戶的用電質(zhì)量。同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，提高師生上課的快樂(lè)感，達(dá)到學(xué)生學(xué)習(xí)的輕松態(tài)，提升學(xué)生的探究、實(shí)驗(yàn)、分析、總結(jié)能力，使學(xué)生成為教學(xué)的主體，從而輕松實(shí)現(xiàn)本節(jié)課的三維目標(biāo)。

在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，把變壓器當(dāng)成理想變壓器來(lái)處理，使問(wèn)題簡(jiǎn)單化，同時(shí)，電廠供給的電能要經(jīng)過(guò)多次轉(zhuǎn)換才能到達(dá)用戶，實(shí)驗(yàn)中也不能達(dá)到用戶功率一定的要求，導(dǎo)致本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)還存在一些缺點(diǎn)和不足。

生活因物理而美好，物理因?qū)嶒?yàn)而精彩！

參考文獻(xiàn)：

[1]張大昌，張維善.物理 選修3-2[M].北京：人民教育出版社，2010：45-49.

（欄目編輯 劉 榮）endprint