3.4 电能的输送 教学设计 -2024-2025学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册

电能的输送 【教学目标】 物理观念：理解输电线上电能损失的影响因素，了解远距离高压输电的原理。 科学思维：体会降低输电损耗的两个途径，能分析计算高压输电损耗情况。 科学探究：体验理论分析与实验探究远距离高压输电的过程与方法。 科学态度与责任：体会电网供电的优点。 【教学重点】 理论分析减小输电损耗的途径及远距离输电的原理。 【教学难点】 对远距离输电原理图的理解。 【教学方法】 阅读思考、猜想假设、实验探究、分析推理、归纳总结、讨论交流、练习巩固等。 【教学过程】 教学环节 教学意图 教师活动 学生活动 环节:1：创设情境，引入新课 视频图片引入：新疆远距离高压输电线路、以及学生身边常见的变压器。 这一部分学生通过课前自学以及查找资料可以自行解答。教师利用课件呈现图片内容，直观形象，为学生思考搭建平台。 引导学生擅于观察身边的事物，多问几个为什么，并与自己所学知识相关联，学会分析推理，然后实验探究 问题引入：身边一些常见的变压器及输电线路在生活中起到什么具体作用呢。 提问：为什么要输送电能？ 观看视频、图片思考 变压器在实际生活中 起到的作用。 学生思考交流讨论，根据已有的知识进行汇报。 结论:我国的能源大部分集中在西部地区。本着就地取材的原则，发电厂也多建在这些地方。而东部用电量大的城市，能源缺乏，需求量大。因此就需要输送电能。 环节2：电能的输送 通过自主预习，教师提出问题，引导学生由简单到复杂，层层递进，提高学生的推理能力，优化物理知识的意义建构。 引出下一步的实验探究。 问题1.电能相比其他能源有什么优点？。 问题2.输送电能的基本要求是什么？ 提问：电能损耗的原因是什么呢？ 结论1:电能的突出优点就是它的便利性，用导线把用户与发电厂相连就可以输送电能。 结论2:可靠：保证供电线路可靠地工作,少有故障和停电。 保质：保证电能的质量（电压和频率稳定）。经济：输电线路建造和运行的费用低,电能损耗少。 学生思考回答。 猜想、实验验证。 环节3：探究降低输电损耗的两个途径，并提出解决措施。 通过科学探究模拟实际输电线路实验，验证学生猜想的正确性，增强学生的理性认识。 引导学生思考如何减小输电损耗，并引出“输电线路的基本关系” 通过输电线路的基本关系，分析得出输电线路损耗功率的表达式 引导学生从表达式分析如何减小输电线电阻。并分析提出的措施的可行性。 通过例题计算，让学生体会验证提高输电电压对减小输电损耗的作用。分析得出电网输电的必要性。 1、实验探究输电损耗来源： 实验器材（如图）：学生电源、电阻定律演示仪、小灯座（带灯泡）、鳄鱼夹导线。 提问：大家注意观察小灯泡的亮度变化----你观察到了什么现象？ 为什么会出现这种现象？ 那么，在发电厂和用户之间距离一定的情况下，如何减小输电损耗呢？ 在回答这个问题以前，我们先来了解一下输电线路的基本关系。 2、 输电线路的基本关系： 如图，输电线电流为 I，输电线总电阻为 r，发电厂输出电压为 u,输送功率为 p 由 ∆P=I2 r 知： 途径一：减小输电线的电阻 r 途径二：减小输电导线中的电流 I 分析途径一：减小输电线的电阻 r 措施： 由 R=ρ L/S 知： ：选用电阻率小，又经济的金属材料（如铜或铝） L： 输电距离一定，不能变 S： 适当增大导线的横截面积（耗费材料，架设困难。） 思考与讨论（学案第2页） 1.怎样计算输电线路损失的功率? 2.在输电电流一定的情况下,如果线路的电阻减为原来的一半,线路上损失的功率减为原来的几分之一? 在线路电阻一定的情况下,如果输电电流减为原来的一半,线路上损失的功率减为原来的几分之一? 3.通过第2步的两项计算，你认为哪个途径对于降低输电线路的损耗更为有效？ 4.怎样计算用户消耗的功率P用？ 5.发电机的输出功率 P 通常认为是恒定的。在用户的用电功率P用一定的前提下，怎样才能减小输电电流 I？ 由 得： 在输送功率 P 一定，电阻 R 一定时，可以通过提 高输电电压，减小功率损失。 学以致用： 【例1】把功率为200KW的电能输送到40km以外的 地方，已知输电线上的总电阻为0.1Ω， （1） 用200V的电压输电，损失的功率占总功率的 百分之几？ （2） 用2000V的电压输电，损失的功率占总功率 的百分之几？ 问题：那么直接通过提高输电电压给用户供电，是否可行？ 学生认真观察实验思考回答： 学生通过实验探究，发现问题 通过问题设置和过程推理，提高学生的推理能力。 -随着输电线的逐渐增长，小灯泡逐渐变暗 - 输电线上有电阻，因此有电能损失，线路越长，电能损失越大。 学生思想碰撞，讨论交流。 分析输电线路基本关系，推导得出输电线路功率损耗表达式。 再通过表达式分析结合现实生活中的可行性。得出减小输电线路的两个途径。 结合前面学过的电阻定律可得出分别从三个因素考虑减小输电线路电阻。 但是仅依靠减小输电线路电阻，对降低功率的损耗作用较小。 思考与讨论（学案第2页） 结论： 可通过减小输电导线中的电流 I减小功率损耗。 在输送功率 P 一 定，电阻 R 一定时， 可以通过提高输电 电压，减小功率损 失。 通过分析，讨论，培养学生的合作能力，分析能力，和逻辑推理能力。 环节4：电网输电 通过分析，让同学完成这个远距离输电的电路图，分析电功率和电压的损耗，验证电路的工作情况。 引导学生从电压和能量的角度来思考问题，掌握远距离输电的基本方法。 电网输电的必要性：   　　师：电能的输送是一个系统工程，为保证电能输送的可靠、保质、经济，人们设计建造了电网，采用电网供电。我们来认识一下电网输电的过程。   展示电网输电示意图（图5）   电厂的发电机发出的交流电先送到升压变电站，将电压升高到220V以上，由高压输电线向远处输送；在用户区，先由第一级变电站，将电压降到110V，再输送到第二级变电站，将电压降到10V，送给工业用户。如果用户使用的是普通照明等生活用的，则还要用变压器进一步降到220V。由各家发电厂、各级变电站和高压输配线路组成的全国性或区域性的输电网络称为电网。   高压输电   师：请大家回顾一下电网输电的全过程，分析高压输电过程都经历了哪些环节？   生：先升压，经输电线后再降压   师：用到什么设备呢？   生：升压变压器和降压变压器   师：大家能否画出高压输电的原理图呢？   引导学生交流讨论，一起画出高压输电的原理简图 演示实验： 教师在讲台上用自制的高压输电演示器进行对比演示，可以明显地并观察到实验现象──经高压输电的灯泡比常压输电时亮的多。从而得出结论：高压输电降低了输电损耗。 实验探究，解决问题 认真观察实验现象 学生交流讨论，画出高压输电原理图。 环节5： 远距离输电线路的基本关系 对高压输电问题，应按“发电机→升压变压器→远距离输电线→降压变压器→用电器”这样的顺序，或从“用电器”倒推到“发电机”一步一步进行分析． 为了能准确的掌握高压输电能减小输电线上的电压损失和功率损失，我们就通过设计的电路图进行功率关系、电压电流关系、输电电流和输电线上的电压损失和功率损失方面的分析。 (1)功率关系：P1＝P2，P3＝P4，P2＝P损＋P3. (2)电压、电流关系：＝＝，＝＝， U2＝ΔU＋U3，I2＝I3＝I线． (3)输电电流：I线＝＝＝. (4)输电线上损耗的电功率：P损＝I线ΔU＝IR线＝()2R线． 当输送功率一定时，输电电压增大到原来的n倍，输电线上损耗的功率就减小到原来的. 下面我们通过例题分析来巩固我们的学习成果。 【例2】风力发电作为新型环保新能源，近几年来得到了快速发展，已知某风力发电机输出功率为100 kW，输出电压是250 V，用户需要的电压是220 V，输电线电阻为10 Ω。若输电线因发热而损失的功率为输送功率的4%，试求： ( 1 )输电线上损失的功率、输电线上的电流。 ( 2 )在输电线路中设置的升、降压变压器原、副线圈的匝数比； ( 3 )用户得到的电功率是多少。 （学生在练习本上面完成：） (1)功率关系： (2)电压、电流关系： (3)输电电流： (4)输电线上损耗的电功率： 不能无限制提高电压，电压越高，对输电线路绝缘的要求越高；线路修建费用越高；变压器的电压也越高，制造变压器是在绝缘、结构等方面的要求也越高。 巩固学生的分析，加强印象。 环节6： 直流高压输电 让同学们了解我国超高压输电的研究成果，并且走出实验，走向生活，为我国的经济发展做好了充分的的准备。 了解一些科普知识。让同学知道还有一些在高压输电方面 还有一些未知的知识，唤醒学生的好奇心。 1.优点：容易制造高压、大功率的发电机，并通过变压实现高压甚至超高压输电。缺点：①输电线路的导线不但有电阻，还有电感、电容产生的感抗和容抗，有时其作用会超过电阻，影响输电。②联网供电的同步技术难实现。 2．过去制造高电压、大功率的直流发电机很困难，且电压不能直接升高，实现高压输电困难。现在解决了制造大功率的整流和逆变设备难题，仅在输电环节使用直流，有一定的发展。 3．许多导体在温度特别低时电阻可降为零，这个现象叫超导现象。利用超导体材料做成的电缆进行输电叫超导电缆输电。在很多场合下，都可在原有的电缆管道内把旧电缆更换为超导电缆，能使供电容量提高三至五倍。 了解我国超高压输电的研究成果，并且走出实验，走向生活，为我国的经济发展做好了充分的的准备。 环节7： 当堂达标 课堂小结 课堂小结： 一、电能的输送 二、降低输电损耗的两个途径 P损 ＝ I 2r 1.减小电阻（受条件制约） 2.减小电流（高电压输电，应用广泛） 三、远距离高压输送电路的计算 1.画出供电图 2.根据回路间线圈匝数比与电压比、电流比的关系，以及功率间的关系求解 作业： 1、课后练习1、3、4 2、课余时间了解家、学校附近的各种不同类型的变压器、变电站（注意安全） 3、了解钳式电流表的工作原理和适用范围 这节课，我们体会了科学探究的一般过程，理解了输电线上电能损失的影响因素，了解远距离高压输电的原理以及电网供电的优点。 ( 1 ) 学科网（北京）股份有限公司 $$