“電能的輸送”教學(xué)設(shè)計(jì)

陳敏

(慈溪市滸山中學(xué) 浙江 寧波 315301)

1 對(duì)本節(jié)內(nèi)容的解讀

“電能的輸送”是人教版《物理·選修3-2》“交流電”的最后一節(jié)，之前已經(jīng)學(xué)習(xí)了正弦交變電的電壓、電流變化規(guī)律，電感、電容對(duì)交流電的作用，變壓器原理及應(yīng)用.《課程標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)本節(jié)的要求是，了解從變電站到用戶的輸電過(guò)程，指導(dǎo)遠(yuǎn)距離輸電時(shí)應(yīng)用高電壓的原因.《教師用書》又補(bǔ)充一點(diǎn)，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.顯然，本節(jié)作為一節(jié)知識(shí)應(yīng)用課，主要是應(yīng)用變壓器的知識(shí)探究遠(yuǎn)距離輸電的電路結(jié)構(gòu)，在知識(shí)上實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器原理規(guī)律的深層次理解及內(nèi)化，在應(yīng)用能力培養(yǎng)上與生產(chǎn)、生活相聯(lián)系，體現(xiàn)了學(xué)以致用的教學(xué)理念.

本節(jié)課的重點(diǎn)是通過(guò)探究得出遠(yuǎn)距離輸電的電路結(jié)構(gòu)，理解電路中各個(gè)量的相互關(guān)系.難點(diǎn)是理解電廠端電路、輸送電路、用戶端電路既相互獨(dú)立又緊密聯(lián)系的關(guān)系，特別是能量傳輸?shù)囊蚬P(guān)系.

2 一般的教學(xué)設(shè)計(jì)

一般的教學(xué)設(shè)計(jì)是這樣的,首先,從輸電線損耗入手，根據(jù)P損=I2r分析得出，要通過(guò)減小電阻和減小電流兩方面減小損耗，然后由

(1)

3 “探究遠(yuǎn)距離輸電的電路結(jié)構(gòu)模型”教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)

問題1：電能是如何從發(fā)電廠到用戶的？畫出電路示意圖.

學(xué)生可根據(jù)所學(xué)恒定電流的知識(shí)畫出圖1.此時(shí)電廠輸出端的電壓U1等于用戶端的輸入電壓U2，顯然，這是不計(jì)輸電線電阻的理想情況.

圖1

問題2：若電廠與用戶距離較遠(yuǎn)，輸電線的電阻不能忽略，電路圖應(yīng)該怎樣體現(xiàn)這一點(diǎn)？

補(bǔ)上輸電線的電阻，由此得出圖2.此時(shí)分析輸出端的電壓U1不等于用戶端的電壓U2，輸電線上有電勢(shì)的降落.為簡(jiǎn)化電路，輸電線電阻用r表示，用戶端電阻用R表示，得到示意圖3.

圖2

圖3

問題3：若U1，R，r確定，根據(jù)圖3設(shè)置3個(gè)小問題.

(1)U2的表達(dá)式是怎樣的？

通過(guò)串聯(lián)電路規(guī)律分析可以得到

(2)輸電線r的損耗如何表示？用戶端的功率如何表示？輸電效率如何表達(dá)？

(2)

(3)若用戶負(fù)載支路增加，上述3個(gè)量怎樣變化？

隨著用戶負(fù)載支路增加，R減小，U2和η將減小，輸電效率降低.

總結(jié)圖3電路特點(diǎn)，由于負(fù)載增加的情況下，輸電線上的損耗也一定增大，故此電路無(wú)法實(shí)現(xiàn)提高輸電效率，必須重新設(shè)計(jì)電路.

問題4：既要使輸電線上的電流很小,又能使用戶端有較大的電流，輸電電路應(yīng)作怎樣的設(shè)計(jì)？

輸電線上電流小，而用戶端電流大，這意味著輸電線與用戶端要“隔離”， 但仍能將電能輸送.什么器件具有這一功能呢？學(xué)生剛學(xué)習(xí)了變壓器，就能想得到用變壓器可能可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)(要想到變壓器具有一定的難度，可以在本節(jié)課開始時(shí)簡(jiǎn)要復(fù)習(xí)一下變壓器，為此環(huán)節(jié)做個(gè)伏筆).

問題5：此變壓器的功能是什么？放置在何處？匝數(shù)比應(yīng)該怎樣設(shè)計(jì)？

畫出電路示意圖(圖4)，在此處，變壓器的功能是“變流”， 放置在輸電線與用戶之間，將輸電線與用戶端 “隔離”， 而電能依然可以在兩者之間傳輸.從輸送端到用戶端是“升流”，顯然,從變壓器的原理可得出同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了“降壓”，故匝數(shù)比n1:n2>1.

圖4

問題6：在圖4的情形下，輸電效率η′如何表示？

通過(guò)分析可得

(3)

圖5

問題7：圖4的電路結(jié)構(gòu)用戶端的電壓U2與圖3的用戶端的電壓U2大小有何變化？

分析發(fā)現(xiàn)，圖4電路結(jié)構(gòu)通過(guò)變壓器后降壓了，用戶端電壓U2過(guò)低可能導(dǎo)致用電器無(wú)法正常工作.

問題8：圖4電路用戶端的電壓U2過(guò)低，如何改進(jìn)電路?

學(xué)生受到前面變壓器使用的啟發(fā)，不難想到再次使用變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)升壓.

問題9：此次所用變壓器的功能是什么？放置在何處？匝數(shù)比應(yīng)該怎樣設(shè)計(jì)？

圖6

圖7

問題10：在圖7的情形下，輸電效率η″如何表示？

分析此時(shí)的輸電效率η″，有

顯然，第二個(gè)變壓器的連入對(duì)輸電效率沒有影響，提高效率只與用戶端的變壓器的匝數(shù)比有關(guān).

至此，通過(guò)兩次變壓器的利用，最終實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離高壓輸電，如圖8所示.這個(gè)電路結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，很好記憶.重新用符號(hào)表示電路中的各個(gè)物理量，對(duì)電路進(jìn)行盤點(diǎn).

圖8

問題11：圖8電路中，有幾個(gè)回路？每個(gè)回路各量的關(guān)系如何？回路間的關(guān)系如何？輸電效率如何表示？

第一回路(電廠回路)：P總=U1I1.

第二回路(輸送回路)：I2=I3，U2=I2r+U3，

Pr=I22r.

第三回路(用戶端回路)：U4=I4R，P用=U4I4.

第一回路與第二回路的聯(lián)系

P總=U1I1=U2I2(理想變壓器)

第二回路與第三回路聯(lián)系

P用=U3I3=U4I4(理想變壓器)

(4)

上述的分析是對(duì)整個(gè)電路物理量的關(guān)系，既看到三個(gè)回路的獨(dú)立性，也看到了三個(gè)回路間的聯(lián)系.但依然是回路的獨(dú)立性體現(xiàn)較明顯，回路間的聯(lián)系性還不夠透徹，這一點(diǎn)也是難點(diǎn)，就需要進(jìn)入下一環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí).

4 能量傳輸?shù)摹肮┬琛眲?dòng)態(tài)關(guān)系

問題12：電能的輸送量是電廠想輸送多少，用戶就接受多少？還是用戶消耗多少，電廠就提供多少？

對(duì)理想變壓器，當(dāng)匝數(shù)比確定，原線圈兩端電壓U1決定副線圈兩端電壓U2，而變壓器是能量轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移器，本身不消耗能量，原、副線圈的功率相等，電流與功率的關(guān)系是有輸出才有輸入，即輸出端決定輸入端，I2決定I1，P出決定P入(這是上節(jié)變壓器中的知識(shí)點(diǎn)).所以，電廠輸出的功率是由終端用戶端的消耗功率和輸電線消耗的功率之和決定的，即電能不是電廠想送就能送得出去的，而是只有用戶消耗了電能，電廠才能送得出去，“需”決定“供”.

對(duì)一個(gè)確定的輸送電路(兩個(gè)變壓器的匝數(shù)比確定，輸電線的電阻確定)，若電廠能提供最大的功率為Pm，當(dāng)電廠以U1輸出電壓時(shí)，由分析可得出消耗的總功率

通過(guò)這一環(huán)節(jié)的思考、討論、剖析，突出變壓器的原、副線圈的“能量連通器”功能，培養(yǎng)了學(xué)生邏輯思維能力，使學(xué)生站得更高，對(duì)此類問題能看得更清.以下面兩個(gè)高考題為例，說(shuō)明如何用上述觀點(diǎn)來(lái)更好地把握解題方向.

【例1】(2010年高考江蘇卷)在如圖9所示的遠(yuǎn)距離輸電電路圖中，升壓變壓器和降壓變壓器均為理想變壓器，發(fā)電廠的輸出電壓和輸電線的電阻均不變．隨著發(fā)電廠輸出功率的增大，下列說(shuō)法中正確的有

A.升壓變壓器的輸出電壓增大

B.降壓變壓器的輸出電壓增大

C.輸電線上損耗的功率增大

D.輸電線上損耗的功率占總功率的比例增大

圖9

解答此題的關(guān)鍵是要認(rèn)識(shí)到,發(fā)電廠輸出功率P總的增大必然是由于用戶消耗的功率增加，負(fù)載電阻R用在減小，所以，輸出功率減小，輸電線損耗PR=P總(1-η)增大，很快能得出選項(xiàng)C，D正確.這樣的分析居高臨下，避開了較為復(fù)雜的推理過(guò)程，提高了正確率.

【例2】(2010年高考浙江卷)某水電站，用總電阻為2.5 Ω的輸電線輸電給500 km外的用戶，其輸出電功率是3×106kW.現(xiàn)用500 kV電壓輸電，則下列說(shuō)法正確的是

A.輸電線上輸送的電流大小為2×105A

B.輸電線上由電阻造成的損失電壓為15 kV

C.若改用5 kV電壓輸電，則輸電線上損失的功率為9×108kW

將P總=3×106kW,U2=5 kV，r=2.5 Ω代入式中，得

圖10

這當(dāng)然是不可能的，這說(shuō)明輸出電功率3×106kW,輸送電壓5 kV,總電阻為2.5 Ω的輸電線三個(gè)數(shù)據(jù)是不自洽的，不可能有這樣的傳輸.當(dāng)以5 kV電壓傳輸時(shí)，由

可知隨著R的減小P總增大，當(dāng)R趨于零時(shí)，P總有最大值1×104kW，就是說(shuō)，當(dāng)以5 kV輸送電壓送電時(shí)，該輸電線路連同用戶端的功率最多是1×104kW，根本用不了3×106kW的功率，所以，當(dāng)以5 kV電壓傳輸時(shí),功率是小于1×104kW的某一個(gè)值.

5 本節(jié)課的效果評(píng)價(jià)

本堂課的教學(xué)流程充分考慮到了學(xué)生的實(shí)際認(rèn)知規(guī)律，從學(xué)生的認(rèn)知起點(diǎn)出發(fā)，由一個(gè)個(gè)循序漸進(jìn)的問題的解決，最終得到遠(yuǎn)距離輸電電路的結(jié)構(gòu).因?yàn)樽⒅亓酥R(shí)學(xué)習(xí)過(guò)程的合理次序，結(jié)論的得出便水到渠成，實(shí)現(xiàn)了低起點(diǎn)，高落點(diǎn)的教學(xué)成效，培養(yǎng)了學(xué)生的邏輯思維能力和探究能力.

回顧整堂課，可以發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸電的重、難點(diǎn)均在對(duì)變壓器的理解上，遠(yuǎn)距離輸電為變壓器提供了一個(gè)平臺(tái)，變壓器的功能在這個(gè)平臺(tái)上得到了充分的展現(xiàn).通過(guò)這節(jié)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)變壓器的認(rèn)識(shí)有了一個(gè)不小的飛躍，也獲得探究的成功體驗(yàn)，比較成功地完成了本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo),即了解從變電站到用戶的輸電過(guò)程，指導(dǎo)遠(yuǎn)距離輸電時(shí)應(yīng)用高電壓的原因，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.