“探究电能输送原理”实验的改进

2019-11-11

物理之友 2019年10期

(安徽省滁州市第十中学，安徽滁州 239050)

有关“电能输送”的传统实验存在以下缺陷:(1) 用灯泡显示的明暗来呈现效果,不能直接读出电压和电流的具体数值；(2) 对于远、近距离输电，电路上的损耗无法进行定量比较。

为了让学生在观察中思考、对比，理解采用高压输电的原理,笔者自制了实验教具，较好地突破了教学难点。在实际教学中，可以先让学生猜想并设计实验检验,然后让学生亲自动手操作，观察实验现象,最后让学生寻求理论依据,分析实验现象背后的原因。这样的教学方式提高了学生的实验设计能力、动手能力以及理论分析能力等,为培养学生的核心素养搭建平台。

1 自制实验教具简介

1.1 原理图

如图1所示，利用数显电子仪表直接读数,利用多抽头变压器改变不同匝数比，从而实现不同高压输电。

图1

1.2 实验改进点

(1) 采用立体结构,变压器、导线线圈可以随时更换,便于学生观察。

(2) 电压、电流、频率实现数字化显示,更为直观、定量,便于学生秒读、秒懂。

(3) 导线内串接电阻,减少了导线用量,可改变不同规格导线的电阻，同时线圈可以调换。

(4) 利用多抽头的变压器可以改变匝数,改接不同的接线柱,可实现不同电压的输电。

(5) 发光蜂鸣器和灯泡并用,可改变负载。

(6) 利用同一电路板,可进行多次对比，包括近和远距离输电、不同横截面、有无变压器、不同高电压输电、不同负载、电路损耗、远距离输电各处电压和电流等的对比。

通过远、近距离输电的实验对比,让学生观察思考，找出造成这种实验现象的原因：因为输电线上有减少电能损耗，教师进而引导学生分析减少输电线路损耗的途径。

2 理论分析与实验探究

首先引导学生思考：为减少输电损耗，减小输电线电阻不现实,减少输电线中的电流是否可行？

如何提高输电电压？教师让学生回顾变压器的原理，如电压比、电流比与匝数比的关系等。引导学生分析,设计实验并进行检验,逐步完善实验方案，进行实验探究，完成远距离输电模型的构建，实验方案如下。

把学生分为两个大组,给各大组变压比分别为220-9-18V和220-18-36V的电路板,进行实验,观察、记录输电电压，把数据记录在表格中。教师通过问题引领学生探究:(1) 如何改变电压、电流？(2) 如何计算线路上损失的电压、功率？(3) 线路损失的电压与输送电压的比值大小说明什么?(4) 线路上损失的功率与用户得到的功率之比的大小说明什么？(5) 实验的注意事项有哪些？(6) 要记录哪些数据？

完成远距离输电模型构建后,依据串、并联电路的特点和变压器原理，找出不同物理量之间的关系,如电压、电流、功率等之间的关系，线路上损失的电压、功率,用户得到的功率等等。有了这些理论知识的铺垫,接下来学生进行分组实验,探究远距离输电是如何实现可靠、保质、经济的。

教师通过问题引领,给学生搭建思维平台,让学生体验实验探究的过程。教师准备好方便拆卸和组装的变压器板块、以及不同横截面积的长导线(内部按照比例串接不同的电阻),从最简单的变压器到多抽头变压器、再到更多抽头变压器进行对比,完成多组对比实验,实验移动可拆部分如图2所示,变压器多抽头组装如图3所示。

图2

图3

3 数据处理的改进

教师将实验数据统一输入Excel表格进行处理,利用公式计算数值,节省了时间。但是数据杂乱没有规律可循,教师再利用软件进行排序，让学生观察表格寻找规律，结论为：输电电压越高,相对损失越小。然后让学生解释这种现象的原因,学生可以通过理论分析找出原因。在教学中做到了理论推理与实验探究相结合，不仅培养了学生分析归纳的能力,同时也让学生体验到了科学探究带给他们的成功与快乐。