《电能的输送》之“模拟远距离输电”实验教学设计

田诚++涂运芳

摘 要：电能输送的核心在于减少输电过程中的电能损耗，学生学习该知识点时普遍缺乏形象直观的感知，对知识的理解不够深入。本文从实验角度出发，通过自制物理模型来探究电能输送中降低电能损耗的两种方法，展示远距离高压输电的优越性，揭示降低电能损耗办法的物理本质，弥补传统讲授方法的局限性，加深理解远距离输电的原理和输电过程。

关键词：远距离输电；损耗；高压

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）8-0025-3

【教材和学情分析】

选择高中物理选修3-2《电能的输送》中有关远距离输电作为实验说课内容，是因为教材上没有设计实验。很多老师主要以讲解为主，通过大量理论推导让学生接受远距离高压输电的原理，加之输电结构复杂，物理量多，计算量大，学生缺乏直观形象的认知，导致学习相当困难。

鉴于这样的背景，笔者设计一组原创实验来模拟远距离输电，用以突破本节课的重难点知识。

【三维目标】

根据新课标要求和教材的编写意图以及学生的实际情况确定本节的实验目标如下：

一、知识与技能

1.通过实验和观察知道如何减少输电线上的功率损失，理解为什么远距离输电要用高电压。

2.了解远距离输电的过程和原理。

二、过程与方法

1.通过思考与讨论，探究出实验设计思路。

2.通过设计和观察实验获取知识。

三、情感、态度与价值观

1.体会探索自然规律的科学态度。

2.培养学生的探索精神和建模能力。

【教学重点】

1.通过实验分析降低输电损耗的有效方法。

2.通过实验理解远距离输电的原理。

【教学难点】

通过模拟实验理解远距离输电的原理。

【教学思想和策略选择】

采用“学本思想”教育理念，学生通过思考探究、合作交流、自主实验、讨论总结等方式来研究知识、学习知识、领悟知识。

教法：启发、探究、演示、实验、对比、讨论等教学方法。

学法：自主学习、探究学习、合作交流、讨论总结、展评学習等学法。

【实验过程】

实验1 探究输电线电阻对输电功率的损耗

1.实验器材

学生电源、开关（1个）、小灯泡及底座（1个）、镍铬合金线（2根）、鳄鱼夹（4个）、废旧木板（1块）、废旧笔壳（2支）、螺丝钉若干、导线若干。

2.实验与论证

通过前面学习过的电阻定律和灯泡的明暗可以反映功率变化的知识，学生讨论得到初步的实验方案和实验电路图。

（1）设计实验图（如图1所示）

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图1 实验1设计实验图

（2）实验操作与现象

用笔者自制的实验教具，用两根较细的电阻率较大的镍铬合金丝代表输电线路，演示和观察灯泡的明暗变化。

（3）实验设计目的

通过实验现象，让学生深刻感知输电线上的电阻会导致功率严重损失，为下一步探究如何有效减小输电线功率损失的学习做好铺垫。

操作简单，现象明显的演示仪便于学生分组实验，可提升他们的动手、观察、实验能力。

实验2 模拟远距离输电的优越性

1.实验器材

学生电源、可拆变压器（2个）、单刀开关（2个）、单刀双掷开关（2个）、小灯泡及底座（4个）、木板（1块）、螺丝钉若干、导线若干。

2.实验与论证

通过教材中的思考与讨论，如果直接由发电站到用户，用户质量得不到保障，笔者自制对比实验，让学生体会远距离输电的优越性。

（1）设计实验电路图（如图2）

（2）实验操作及现象

笔者自制的远距离高压输电演示仪，下面是模拟由发电厂直接到用户的远距离低压输电线路，上面是模拟由发电厂经升压变压器、输电线、降压变压器再到用户的远距离高压输电线路。接于同一电源，4个小灯泡规格一致，输电距离一样， 调节升、降压变压器匝数之比为8：1、1：8，检查电路无误，接入电源，提醒学生注意观察两条线路小灯泡的亮度。（依次关闭低、高压输电开关）我们发现采用高压输电线路的小灯泡发光稍微更亮，得到的功率稍微更多，但还不足以说明高压输电的优越性。其他条件不变，现在将输电线上的电压升得更高，将匝数比调节到1：60和60：1，（关闭开关，调节升、降变压器）我们发现输电线电压升高后，小灯泡明显更亮，得到的功率更多。

（3）实验设计目的

通过对比实验，让学生直观形象地认识远距离输电的优越性，激发学生的求知欲，此情此景学生一定满脸疑惑，迫切地想知道其中的奥秘。

由此，笔者设计了第三个实验。

实验3 “模拟远距离高压输电”的本质

1.实验器材

学生电源、可拆变压器（2个）、开关（2个）、小灯泡及底座（4个）、木板（1块）、灵敏交流电流表（2只）、数字电压表（1只）、螺丝钉若干、导线若干。

2.实验与论证

改变远距离输电中的变压器匝数比，比较灵敏电流表的读数，进一步理解高压输电的本质是改变输电线上的电流。

（1）设计实验电路图（如图3所示）

（2）实验操作及现象

两个交流电流表的量程分别是300 mA和100 mA。用两个自制的插销，抽出后可以将电流表串联在电路中。（现在笔者将电流表表盘投影到大屏幕，提醒学生注意观察两条线路的小灯泡亮度和电流表的示数），变压器匝数比为1：8、8：1，我们发现低压输电线路的电流大约为220 mA，高压输电线路中的电流约为70 mA，将匝数比接到1：60、60：1，接通电源，高压输电线上的电流表示数约为10 mA，电流表示数减小，灯泡却更亮了。通过实验现象可得，输电线两端的电压升高后，高压输电线上的电流减小，用户得到的功率反而更多。

结合P■=I■■R■、U■=I■R■揭示远距离高压输电的本质是通过提高输电线两端的电压后，减小输电线上的电流，从而减小输电线本身的电压和电功率的损耗，使用户的用电得到保障。

（3）实验设计目的

通过对比实验，揭示了远距离高压输电的本质是通过提高输电线两端的电压，从而减小输电线的电流，减小输电线上的电压和电能的损失，对远距离输电的理论推导做好思维铺垫。

通过实验打破老师以讲为主的传统教学模式，结合中学生好奇、求知欲强的特点，激发其学习兴趣，用形象直观的实验现象突破本节课的学习难点。

【教学效果及反思】

通过实验现象，学生可以直观形象地认知远距离输电的过程和原理，达到设计效果。自制实验教具，传递变废为宝的理念，展示物理学科的魅力。通过三个实验，层层递进，展示远距离高压输电的优越性，现象和数据结合，揭示远距离高压输电的本质：升高输电线两端的电压，减小输电线上的电流。减小输电损失，保障用户的用电质量。同时培养学生学习物理的兴趣，提高师生上课的快乐感，达到学生学习的轻松态，提升学生的探究、实验、分析、总结能力，使学生成为教学的主体，从而轻松实现本节课的三维目标。

在实验设计中，把变压器当成理想变压器来处理，使问题简单化，同时，电厂供给的电能要经过多次转换才能到达用户，实验中也不能达到用户功率一定的要求，导致本实验的设计还存在一些缺点和不足。

生活因物理而美好，物理因实验而精彩！

参考文献：

[1]张大昌，张维善.物理 选修3-2[M].北京：人民教育出版社，2010：45-49.

（栏目编辑 刘 荣）endprint