“电能的输送”教学设计

陈敏

(慈溪市浒山中学 浙江 宁波 315301)

1 对本节内容的解读

“电能的输送”是人教版《物理·选修3-2》“交流电”的最后一节，之前已经学习了正弦交变电的电压、电流变化规律，电感、电容对交流电的作用，变压器原理及应用.《课程标准》对本节的要求是，了解从变电站到用户的输电过程，指导远距离输电时应用高电压的原因.《教师用书》又补充一点，引导学生积极主动探究，发现问题，解决问题，在学习知识的同时获得一定的成就感.显然，本节作为一节知识应用课，主要是应用变压器的知识探究远距离输电的电路结构，在知识上实现对变压器原理规律的深层次理解及内化，在应用能力培养上与生产、生活相联系，体现了学以致用的教学理念.

本节课的重点是通过探究得出远距离输电的电路结构，理解电路中各个量的相互关系.难点是理解电厂端电路、输送电路、用户端电路既相互独立又紧密联系的关系，特别是能量传输的因果关系.

2 一般的教学设计

一般的教学设计是这样的,首先,从输电线损耗入手，根据P损=I2r分析得出，要通过减小电阻和减小电流两方面减小损耗，然后由

(1)

3 “探究远距离输电的电路结构模型”教学环节的设计

问题1：电能是如何从发电厂到用户的？画出电路示意图.

学生可根据所学恒定电流的知识画出图1.此时电厂输出端的电压U1等于用户端的输入电压U2，显然，这是不计输电线电阻的理想情况.

图1

问题2：若电厂与用户距离较远，输电线的电阻不能忽略，电路图应该怎样体现这一点？

补上输电线的电阻，由此得出图2.此时分析输出端的电压U1不等于用户端的电压U2，输电线上有电势的降落.为简化电路，输电线电阻用r表示，用户端电阻用R表示，得到示意图3.

图2

图3

问题3：若U1，R，r确定，根据图3设置3个小问题.

(1)U2的表达式是怎样的？

通过串联电路规律分析可以得到

(2)输电线r的损耗如何表示？用户端的功率如何表示？输电效率如何表达？

(2)

(3)若用户负载支路增加，上述3个量怎样变化？

随着用户负载支路增加，R减小，U2和η将减小，输电效率降低.

总结图3电路特点，由于负载增加的情况下，输电线上的损耗也一定增大，故此电路无法实现提高输电效率，必须重新设计电路.

问题4：既要使输电线上的电流很小,又能使用户端有较大的电流，输电电路应作怎样的设计？

输电线上电流小，而用户端电流大，这意味着输电线与用户端要“隔离”， 但仍能将电能输送.什么器件具有这一功能呢？学生刚学习了变压器，就能想得到用变压器可能可以实现这一点(要想到变压器具有一定的难度，可以在本节课开始时简要复习一下变压器，为此环节做个伏笔).

问题5：此变压器的功能是什么？放置在何处？匝数比应该怎样设计？

画出电路示意图(图4)，在此处，变压器的功能是“变流”， 放置在输电线与用户之间，将输电线与用户端 “隔离”， 而电能依然可以在两者之间传输.从输送端到用户端是“升流”，显然,从变压器的原理可得出同时也实现了“降压”，故匝数比n1:n2>1.

图4

问题6：在图4的情形下，输电效率η′如何表示？

通过分析可得

(3)

图5

问题7：图4的电路结构用户端的电压U2与图3的用户端的电压U2大小有何变化？

分析发现，图4电路结构通过变压器后降压了，用户端电压U2过低可能导致用电器无法正常工作.

问题8：图4电路用户端的电压U2过低，如何改进电路?

学生受到前面变压器使用的启发，不难想到再次使用变压器来实现升压.

问题9：此次所用变压器的功能是什么？放置在何处？匝数比应该怎样设计？

图6

图7

问题10：在图7的情形下，输电效率η″如何表示？

分析此时的输电效率η″，有

显然，第二个变压器的连入对输电效率没有影响，提高效率只与用户端的变压器的匝数比有关.

至此，通过两次变压器的利用，最终实现了远距离高压输电，如图8所示.这个电路结构具有对称性，很好记忆.重新用符号表示电路中的各个物理量，对电路进行盘点.

图8

问题11：图8电路中，有几个回路？每个回路各量的关系如何？回路间的关系如何？输电效率如何表示？

第一回路(电厂回路)：P总=U1I1.

第二回路(输送回路)：I2=I3，U2=I2r+U3，

Pr=I22r.

第三回路(用户端回路)：U4=I4R，P用=U4I4.

第一回路与第二回路的联系

P总=U1I1=U2I2(理想变压器)

第二回路与第三回路联系

P用=U3I3=U4I4(理想变压器)

(4)

上述的分析是对整个电路物理量的关系，既看到三个回路的独立性，也看到了三个回路间的联系.但依然是回路的独立性体现较明显，回路间的联系性还不够透彻，这一点也是难点，就需要进入下一环节的学习.

4 能量传输的“供需”动态关系

问题12：电能的输送量是电厂想输送多少，用户就接受多少？还是用户消耗多少，电厂就提供多少？

对理想变压器，当匝数比确定，原线圈两端电压U1决定副线圈两端电压U2，而变压器是能量转化转移器，本身不消耗能量，原、副线圈的功率相等，电流与功率的关系是有输出才有输入，即输出端决定输入端，I2决定I1，P出决定P入(这是上节变压器中的知识点).所以，电厂输出的功率是由终端用户端的消耗功率和输电线消耗的功率之和决定的，即电能不是电厂想送就能送得出去的，而是只有用户消耗了电能，电厂才能送得出去，“需”决定“供”.

对一个确定的输送电路(两个变压器的匝数比确定，输电线的电阻确定)，若电厂能提供最大的功率为Pm，当电厂以U1输出电压时，由分析可得出消耗的总功率

通过这一环节的思考、讨论、剖析，突出变压器的原、副线圈的“能量连通器”功能，培养了学生逻辑思维能力，使学生站得更高，对此类问题能看得更清.以下面两个高考题为例，说明如何用上述观点来更好地把握解题方向.

【例1】(2010年高考江苏卷)在如图9所示的远距离输电电路图中，升压变压器和降压变压器均为理想变压器，发电厂的输出电压和输电线的电阻均不变．随着发电厂输出功率的增大，下列说法中正确的有

A.升压变压器的输出电压增大

B.降压变压器的输出电压增大

C.输电线上损耗的功率增大

D.输电线上损耗的功率占总功率的比例增大

图9

解答此题的关键是要认识到,发电厂输出功率P总的增大必然是由于用户消耗的功率增加，负载电阻R用在减小，所以，输出功率减小，输电线损耗PR=P总(1-η)增大，很快能得出选项C，D正确.这样的分析居高临下，避开了较为复杂的推理过程，提高了正确率.

【例2】(2010年高考浙江卷)某水电站，用总电阻为2.5 Ω的输电线输电给500 km外的用户，其输出电功率是3×106kW.现用500 kV电压输电，则下列说法正确的是

A.输电线上输送的电流大小为2×105A

B.输电线上由电阻造成的损失电压为15 kV

C.若改用5 kV电压输电，则输电线上损失的功率为9×108kW

将P总=3×106kW,U2=5 kV，r=2.5 Ω代入式中，得

图10

这当然是不可能的，这说明输出电功率3×106kW,输送电压5 kV,总电阻为2.5 Ω的输电线三个数据是不自洽的，不可能有这样的传输.当以5 kV电压传输时，由

可知随着R的减小P总增大，当R趋于零时，P总有最大值1×104kW，就是说，当以5 kV输送电压送电时，该输电线路连同用户端的功率最多是1×104kW，根本用不了3×106kW的功率，所以，当以5 kV电压传输时,功率是小于1×104kW的某一个值.

5 本节课的效果评价

本堂课的教学流程充分考虑到了学生的实际认知规律，从学生的认知起点出发，由一个个循序渐进的问题的解决，最终得到远距离输电电路的结构.因为注重了知识学习过程的合理次序，结论的得出便水到渠成，实现了低起点，高落点的教学成效，培养了学生的逻辑思维能力和探究能力.

回顾整堂课，可以发现远距离输电的重、难点均在对变压器的理解上，远距离输电为变压器提供了一个平台，变压器的功能在这个平台上得到了充分的展现.通过这节课的学习，学生对变压器的认识有了一个不小的飞跃，也获得探究的成功体验，比较成功地完成了本节课的教学目标,即了解从变电站到用户的输电过程，指导远距离输电时应用高电压的原因，引导学生积极、主动探究，发现问题，解决问题，在学习知识的同时获得一定的成就感.