“探究電能輸送原理”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

(安徽省滁州市第十中學(xué)，安徽 滁州 239050)

有關(guān)“電能輸送”的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在以下缺陷:(1) 用燈泡顯示的明暗來呈現(xiàn)效果,不能直接讀出電壓和電流的具體數(shù)值；(2) 對于遠(yuǎn)、近距離輸電，電路上的損耗無法進(jìn)行定量比較。

為了讓學(xué)生在觀察中思考、對比，理解采用高壓輸電的原理,筆者自制了實(shí)驗(yàn)教具，較好地突破了教學(xué)難點(diǎn)。在實(shí)際教學(xué)中，可以先讓學(xué)生猜想并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn),然后讓學(xué)生親自動(dòng)手操作，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,最后讓學(xué)生尋求理論依據(jù),分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后的原因。這樣的教學(xué)方式提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手能力以及理論分析能力等,為培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)搭建平臺。

1 自制實(shí)驗(yàn)教具簡介

1.1 原理圖

如圖1所示，利用數(shù)顯電子儀表直接讀數(shù),利用多抽頭變壓器改變不同匝數(shù)比，從而實(shí)現(xiàn)不同高壓輸電。

圖1

1.2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)點(diǎn)

(1) 采用立體結(jié)構(gòu),變壓器、導(dǎo)線線圈可以隨時(shí)更換,便于學(xué)生觀察。

(2) 電壓、電流、頻率實(shí)現(xiàn)數(shù)字化顯示,更為直觀、定量,便于學(xué)生秒讀、秒懂。

(3) 導(dǎo)線內(nèi)串接電阻,減少了導(dǎo)線用量,可改變不同規(guī)格導(dǎo)線的電阻，同時(shí)線圈可以調(diào)換。

(4) 利用多抽頭的變壓器可以改變匝數(shù),改接不同的接線柱,可實(shí)現(xiàn)不同電壓的輸電。

(5) 發(fā)光蜂鳴器和燈泡并用,可改變負(fù)載。

(6) 利用同一電路板,可進(jìn)行多次對比，包括近和遠(yuǎn)距離輸電、不同橫截面、有無變壓器、不同高電壓輸電、不同負(fù)載、電路損耗、遠(yuǎn)距離輸電各處電壓和電流等的對比。

通過遠(yuǎn)、近距離輸電的實(shí)驗(yàn)對比,讓學(xué)生觀察思考，找出造成這種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的原因：因?yàn)檩旊娋€上有減少電能損耗，教師進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生分析減少輸電線路損耗的途徑。

2 理論分析與實(shí)驗(yàn)探究

首先引導(dǎo)學(xué)生思考：為減少輸電損耗，減小輸電線電阻不現(xiàn)實(shí),減少輸電線中的電流是否可行？

如何提高輸電電壓？教師讓學(xué)生回顧變壓器的原理，如電壓比、電流比與匝數(shù)比的關(guān)系等。引導(dǎo)學(xué)生分析,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行檢驗(yàn),逐步完善實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，完成遠(yuǎn)距離輸電模型的構(gòu)建，實(shí)驗(yàn)方案如下。

把學(xué)生分為兩個(gè)大組,給各大組變壓比分別為220-9-18V和220-18-36V的電路板,進(jìn)行實(shí)驗(yàn),觀察、記錄輸電電壓，把數(shù)據(jù)記錄在表格中。教師通過問題引領(lǐng)學(xué)生探究:(1) 如何改變電壓、電流？(2) 如何計(jì)算線路上損失的電壓、功率？(3) 線路損失的電壓與輸送電壓的比值大小說明什么?(4) 線路上損失的功率與用戶得到的功率之比的大小說明什么？(5) 實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)有哪些？(6) 要記錄哪些數(shù)據(jù)？

完成遠(yuǎn)距離輸電模型構(gòu)建后,依據(jù)串、并聯(lián)電路的特點(diǎn)和變壓器原理，找出不同物理量之間的關(guān)系,如電壓、電流、功率等之間的關(guān)系，線路上損失的電壓、功率,用戶得到的功率等等。有了這些理論知識的鋪墊,接下來學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn),探究遠(yuǎn)距離輸電是如何實(shí)現(xiàn)可靠、保質(zhì)、經(jīng)濟(jì)的。

教師通過問題引領(lǐng),給學(xué)生搭建思維平臺,讓學(xué)生體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)探究的過程。教師準(zhǔn)備好方便拆卸和組裝的變壓器板塊、以及不同橫截面積的長導(dǎo)線(內(nèi)部按照比例串接不同的電阻),從最簡單的變壓器到多抽頭變壓器、再到更多抽頭變壓器進(jìn)行對比,完成多組對比實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)移動(dòng)可拆部分如圖2所示,變壓器多抽頭組裝如圖3所示。

圖2

圖3

3 數(shù)據(jù)處理的改進(jìn)

教師將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一輸入Excel表格進(jìn)行處理,利用公式計(jì)算數(shù)值,節(jié)省了時(shí)間。但是數(shù)據(jù)雜亂沒有規(guī)律可循,教師再利用軟件進(jìn)行排序，讓學(xué)生觀察表格尋找規(guī)律，結(jié)論為：輸電電壓越高,相對損失越小。然后讓學(xué)生解釋這種現(xiàn)象的原因,學(xué)生可以通過理論分析找出原因。在教學(xué)中做到了理論推理與實(shí)驗(yàn)探究相結(jié)合，不僅培養(yǎng)了學(xué)生分析歸納的能力,同時(shí)也讓學(xué)生體驗(yàn)到了科學(xué)探究帶給他們的成功與快樂。

4 拓展實(shí)驗(yàn)

在圖3所示的電路中教師取下一只燈泡,觀察、對比負(fù)載不同時(shí)燈泡的亮暗情況,讓學(xué)生運(yùn)用物理原理解釋現(xiàn)象。聯(lián)系生活,進(jìn)而解釋深夜時(shí)燈比較亮,而在用電高峰期的燈比較暗的現(xiàn)象,達(dá)到學(xué)以致用的教學(xué)目標(biāo)。

5 結(jié)語

教師自制創(chuàng)新教具，通過多組實(shí)驗(yàn)對比加深了學(xué)生對知識的理解,也使課堂教學(xué)更具吸引力。利用真實(shí)的實(shí)驗(yàn)器材展示現(xiàn)象,勝過空洞的千言萬語,教學(xué)效果不言而喻。