高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册电能的输送教学设计

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册电能的输送教学设计，共6页。教案主要包含了引入新课，新课内容，案例体验，理论推导，知识拓展，课堂小结，板书设计等内容，欢迎下载使用。
3.3 电能的输送
教学目标
1.物理观念：了解电网供电技术，知道电网供电是远距离的重要发展，理解输电工程技术是一个理论性和技术性很强的复杂的系统工程。
2.科学思维：理解降低输电损耗的两个途径；建构高压输电线路模型，体会建立模型的思维方法，并拓展了解电网供电的整体网络；理论推导远距离输电各物理量间的关系。
3.科学探究：体验输电时导致电能损耗的原因；探究远距离输电通常采用高压输电。
4.科学态度与责任：了解我国高压输电科技已经进人世界最先进的行列，也成为了我国尖端科技的硬核，增强荣誉感，且具有节约资源、保护环境、促进可持续发展的责任感。
教学重点：
1.建构远距离高压输电线路模型。
2.推导远距离高压输电各物理量间的关系。
教学难点：
1.理解降低输电损耗的两个途径。
2.推导远距离高压输电各物理量间的关系。
教学过程
【引入新课】创设情境，提出问题
师：电能给我们的生活带来了很大的便利，那教室里的电能来自哪里？
生：发电站。
师：我们知道有火力、水力、风力、核电发电站等，发电站一般建设在哪里呢？
生：一般在发电资源丰富的地方，而且大多发电厂离用电电区较远。
师：我们该怎样将电能输送到用户呢？能否直接将电能从发电站输送到用电地区？如何减少输送过程中电能的损失？为了减少损耗，在实际的输送过程中需要综合考虑哪些因素？
带着这些问题，今天我们就去一探究竟，一起学习——3.3电能的输送
【新课内容】科学探究，提出方案
【探究1】实验1（视频）
如图1所示：
~×
×
×
A1
S1
×
×
A2
S2
图1
①A1、A2规格完全相同；
②A1、A2并联，A2离供电距离较远。
生：观察到A1比A2亮。
师：闭合开关S1、S2，A1、A2亮度一样吗？A1、A2是并联，为什么亮暗程度差了那么多？
生：灯泡的亮度是由其实际电功率决定。灯泡A2暗，说明灯泡的实际电功率小。灯泡A1与A2电阻几乎相等，由于A2与“长长的导线”串联，再与A1并联，A2两端的电压小于A1两端的电压，由公式P=eq \f(U2,R)知，A1实际电功率大于A2，所以A1比A2亮。
师：问题原来是这两根“长长的导线上”。电能直接输送到用户，电流通过长长的输电线时，输电线上的电压损耗和功率损耗不能忽略。这点距离的导线就能产生如此大的影响，那试想：遥远的三峡输送电能到沿海城市，影响之大、损耗之多是可想而知的。
发
电
用
电
r
U输
U用
I
图2
为了更进一步研究，首先建立简单的输电线路模型，我们一起画出示意图，如图2所示。
师：那么，我们怎么减少在输电线的能量损耗呢？
生：我们知道：输电线电阻越小，损耗的电压和功率越小；输电电流越小，损耗的电压和功率也越小。由损耗电压和损耗功率的表达式：Ur＝I r和Pr＝I 2 r可知，要想减小在输电线上的损耗，只有两个途径：减小电阻或减小电流。
师：方案（1）减小输电线电阻。由电阻定律r=ρeq \f(l,S)可知，发电厂与用户距离改变不大；当输电距离不变时，输电线横截面积越大，其体积与质量越大，对输电塔的压力也越大，而输电塔的承受能力是有限的，太粗的输电线会压垮输电塔，存在很大隐患，改变横截面积造成架设困难，且浪费材料；电阻率小的金、银与铜材料价格昂贵，造价高，很难普遍使用，一般都是铝质输电线（钢芯铝绞线）最为经济实惠。
师：方案（2）：减小输电电流。要减小输电电流I，由I=eq \f(U,R)知，需升高输电电压；由I=eq \f(P,U)知，需降低输电电压。到底是提高输电电压，还是降低输电电压，可以减小输电电流呢？其理论依据又是什么？
生：因为输送的电能并没有全部转化为内能，整个电路不是纯电阻电路，此时欧姆定律就不适用了。只能用I=eq \f(P,U)分析，发电厂输电总功率不变，升高输电电压，可以降低输电电流，再由公式Ur＝I r和Pr＝I 2 r计算可知电损大大减小了。
师：方案（1）减小输电线的电阻不符合实际，作用十分有限，且代价较高。只能采用方案（2），在保证功率不变的情况下，可以通过提高输电电压的方式来减小输电电流。
师：那么远距离输电，如何降低输电线路产生的影响呢？发电厂输电总功率不变，提高输电电压，是减小电压损耗和电能损耗最有效的方法！
生：为了减小输电线路上的损耗，在发电站附近修建升压变压器来提高电压。
师：到达目的地的电压不符合用户的要求，又该怎么办？
生：在用户附近修建降压变压器，将电压降低，以满足用户的需求。
为了能更深入研究问题，我们对设计的简单输电线路模型进行修改，如图3所示。
U输
U用
r
图3
发
电
用
电
I
升压变压器
降压变压器
师：在保证功率不变的情况下，既然通过提高输电电压的方式可以减小能量损耗，我们现在通过实验观察，灯泡是否会变亮？
【探究2】实验2（视频）
师：用交流电源代表发电厂，通过升压变压器和降压变压器输送电能，让灯泡发光。调节升压变压器，使升压变压器的输出电压升高，请大家仔细观察灯泡亮度的变化情况。
生：因为提高升压变压器的输出电压升高时，输电线损耗减小，灯泡获得的功率增大，所以灯泡越来越亮，和我们前面理论分析的结论完全相同。
结论：提高输电电压，输电线损耗减小，用户获得的能量增大。
现在我们还可以通过案例体验一下。
【案例体验】把功率P=2×107W的电能输送到5km以外的地方
案例体验
输电线的总电阻r/Ω
输电电压U/×104V
损失的功率∆P占总功率P的比例
eq \f(∆P,P)×100%
1
10
2
2
5
2
3
10
4
4
10
20
小组讨论，分析对比，展示成果：
①对比案例体验1、2：
相同输电电压，输电线电阻减半，该比例为原来的1/2。
②对比案例体验1、3：
相同输电线电阻，输电电压加倍，该比例为原来的1/4。
③对比案例体验1、4：
相同输电线电阻，输电电压增加为10倍，该比例为原来的1/100。
④改变电阻r和电压U，哪个效果更好？
结论：确实是改变输电电压的效果更好。Ur＝∝eq \f(1,U) ，Pr∝eq \f(1,U2) 。
为了寻找输电线路模型中物理量的定量关系，我们进一步完善模型，如图4所示。
~×
用
电
图4
r
I
U输
【理论推导】建构模型，定量研究
师：该输电线路模型有几个回路？回路中元件是由什么连接关系？从发电到用电需要经过哪些环节？请小组交流讨论。
生：该模型有三个回路，各回路的元件串联，而三个回路由两个理想变压器连接。
师：首先设出模型中涉及的各物理量。我们根据理想变压器的原理，就可以写出远距离高压输电线路模型中各物理量间的关系：
生：分别写出升压变压器和降压变压器的功率、电压和电流的定量关系。
升压变压器：P1=P2，eq \f(U1,U2)=eq \f(n1,n2)，eq \f(I1,I2)=eq \f(n2,n1)
降压变压器：P3=P4，eq \f(U3,U4)=eq \f(n3,n4)，eq \f(I3,I4)=eq \f(n4,n3)
输电线：P2=P3+Pr，Ir=I2=I3
师：物理量和联系公式虽然多，但输电电流I2是联系几个环节的重要物理量，输电线上的电流（输电电流）往往是解决问题的突破口！输电电流：I2=eq \f(Ur,r)=eq \f(U2-U3,r)=eq \r(\f(Pr,r))=eq \r(\f(P2-P3,r))。
【知识拓展】联系实际，提高认识
师：我们看到提高输电电压可以减小输电线路的损耗，是不是输电电压越高越好呢？
生：远距离输电时，为了降低输电线路中的损耗，就要减小输电电流；为了减小输电电流，同时又要保证向用户提供一定的电功率，就要提高输电电压。现代远距离输电的电压都很高。
师：目前我国远距离输电采用的电压有110 kV、220 kV、330 kV，输电干线已经采用500 kV和750 kV 的超高压，西北电网甚至达到1 100 kV的特高压。
师：输电电压也不是越高越好。电压越高，对输电线路绝缘性能的要求就越高，线路修建费用就会增多。输电电压越高，变压器上的电压也越高，对变压器的要求也相应提高。
生：实际输送电能时，要综合考虑各种因素，如输送功率的大小、距离的远近、技术和经济要求等，依照不同情况选择合适的输电电压，所以我们面对问题应该全面分析。
【课堂小结】升华主体，提升思维
师：其实，发电厂中发电机组进行发电，先由升压变压器提高输电电压，电流经过长长的输电线，输送到用电区附近，再由降压变压器降低电压，根据不同的用电要求进行分配，将电输送到生产和生活等用电区。所以，远距离高压输电主要有五个环节：发电、输电、变电、配电、用电，当然高压输电的五个环节发、输、变、配、用是同时完成的。
今天，我们一起研究了电能的输送，主要构建了远距离高压输电输送线路模型，定量研究了模型中涉及的物理量之间的关系。输电工程技术是一个理论性和技术性很强的复杂的系统工程。我们一起看一下咱们国家的输电工程技术：“中国特高压输电工程（视频）”。
在电能的输送中，国家电网成为连接电厂和用户的纽带，它就像是电力系统中的“血管”，“血管”中流淌的是源源不断的电流。电流跨过千山万水，才能走进千家万户！今天的课到此结束。
【板书设计】
3.3 电能的输送
【主板书】
U输
U用
r
图2
发
电
用
电
I
升压变压器
降压变压器
~×
用
电
图3
r
I2
U2
发
电
用
电
图1
【副板书】
P一定时：由Pr=Ir和P损＝I 2 r：I=eq \f(U,R)？I=eq \f(P,U)？→最有效的方法：提高输电电压（U2）！
输电线路模型：
①主要环节：发电、输电、变电、配电、用电
②定量关系：（功率、电压、电流）
升压变压器：P1=P2，eq \f(U1,U2)=eq \f(n1,n2)，eq \f(I1,I2)=eq \f(n2,n1)
降压变压器：P3=P4，eq \f(U3,U4)=eq \f(n3,n4)，eq \f(I3,I4)=eq \f(n4,n3)
输电线：Pr=P3-P2，Ir=I2=I3
突破的关键——输电电流（I2）：I2=eq \f(Ur,r)=eq \f(U2-U3,r)=eq \r(\f(Pr,r))=eq \r(\f(P2-P3,r))