4. 电能的输送（教学设计）物理人教版选择性必修第二册

4电能的输送 一、教学目标 物理观念 · 理解远距离输电中功率损失和电压损失的成因，掌握功率损失的定量计算方法。 · 明确降低输电损耗的两大途径，建立“高压输电”的核心认知，知晓电网供电的组成与优势。 · 熟悉远距离输电的完整流程，理解升压变压器与降压变压器在输电系统中的作用。 科学思维 · 通过推导输电功率损失公式，分析电阻和电流对损耗的影响，培养数理结合与逻辑推理能力。 · 对比不同输电电压下的损耗差异，归纳“提高输电电压是降低损耗最有效的途径”，提升分析与归纳能力。 · 构建远距离输电的物理模型，梳理“功率—电压—电流—电阻”的关联逻辑，培养系统思维。 科学探究 · 参与“输电损耗影响因素”的探究实验，通过改变电阻、电压等变量，观察损耗变化，提升实验操作与数据分析能力。 · 针对“如何平衡输电电压与成本”的问题展开讨论，设计合理的输电方案，激发创新意识与实践探究能力。 · 查阅电网供电的相关资料，分析其在能源调度、供电可靠性等方面的作用，培养信息搜集与归纳能力。 科学态度与责任 · 认识高压输电技术对能源合理利用、环境保护的重要意义，体会物理知识对工程技术的推动作用。 · 了解电网供电的优势，树立能源节约与高效利用的意识，培养可持续发展的责任观念。 · 感受科学家和工程师在解决实际问题中的探索精神，培养严谨务实的科学态度与工程素养。 二、教学重难点 重点 · 输电过程中功率损失的计算的公式，理解的物理意义。 · 降低输电损耗的两大途径，尤其是高压输电的原理与优势。 · 远距离输电的模型构建，明确各环节的功率、电压、电流关系。 难点 · 区分输电电压、输电线损失电压与用户端电压，避免概念混淆。 · 理解“输送功率一定时，电压与电流的反比关系”对损耗的影响。 · 综合考虑技术、经济等因素，分析高压输电的合理性与局限性。 三、教学过程 （一）教学引入 1. 情境导入：展示发电厂与远距离用户的分布示意图，提问：“发电厂产生的电能如何输送到千里之外的用户？输送过程中会有哪些问题？” 2. 引出课题：结合生活中“电器电压不稳定”“输电线路发热”等现象，引出本节课核心——电能的输送，聚焦“如何减少输电损耗”的关键问题。 （二）新课教学 1. 输电的基本要求与损耗成因 【思考】为了合理利用能源，发电厂要建在靠近能源的地方，而用电的地方却分布很广，大部分地方离发电厂很远，故需要把电能输送到很远的地方——远距离输电。而在远距离输电中，面临的就是如何输送电能？如何减少损耗、节约电能？ 引导学生讨论：电能优势、基本要求、损坏原因。 （1）优点：便于远距离输送 （2）基本要求：可靠（少故障）、保质（电压频率稳定）、经济（损耗小、成本低）。 （3）损耗成因： ① 功率损失：输电线有电阻，电流通过时产生焦耳热，。 ② 电压损失：输电线电阻分压，，导致用户端电压低于输电电压。 2. 降低输电损耗的途径 思考与讨论 （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）如果输送的电功率为P，输送电压为U，输电线的总长度为L，横截面积为S，电阻率为ρ。则输电线损耗功率为多少呢？ 则功率损耗为可表示为： 如何减少电能损失? ①减小输电线电阻R ②减小输电电流I （6）结论 途径一：减小输电线电阻R： ①减小材料的电阻率ρ：用铜或铝 ②减小输电线的长度L：不可行 ③可适当增大导线横截面积S. 有一定限度 途径二：提高输电电压，减小输电电流I 提高输电电压U，P一定，R一定，U提高到原来的n倍，P损将为原来的倍。 说明 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。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。 3. 远距离输电模型 （1）完整流程：发电站→升压变压器→高压输电线→降压变压器→用户。 （2）关键关系： 引导学生观察电路原理图，得出各物理量之间的相互关系。 功率关系：P1=P2，P3=P4，P2=P损+P3 电压关系： 电流关系： 输电电流： 损耗功率： 例题1：如图所示，某水电站发电机的输出功率P＝100 kW，发电机的输出电压U1＝250 V，经变压器升压后向远处输电，在用户端用降压变压器将电压降为U4＝220 V。已知输电电流I线＝25 A，两条输电线路总电阻R线＝8 Ω，变压器均视为理想变压器，则(　　) A.用户得到电功率为95 kW B.升压变压器的匝数比n1∶n2＝4∶5 C.降压变压器的匝数比n3∶n4＝190∶11 D.发电机的输出的电流I1＝40 A 答案　AC 解析　线路损耗的功率为ΔP＝IR线＝5 kW，两理想变压器不改变功率，故用户得到的电功率为P用户＝P－ΔP＝95 kW，故A正确；升压变压器的副线圈输出电压为U2＝＝4×103 V，升压变压器的匝数比为n1∶n2＝U1∶U2＝1∶16，故B错误；输电线损耗电压ΔU＝I线R线＝200 V，降压变压器的原线圈电压U3＝U2－ΔU＝3 800 V，故降压变压器的匝数比为＝＝＝，故C正确；发电机输出的电流为I1＝＝400 A，故D错误。 4. 电网供电 学生阅读课本讨论，思考回答问题：什么是电网供电？电网供电有什么好处？ 现在世界各国都不采用一个电厂与一批用户的“一对一”的供电方式，而是通过网状的输电线、变电站，将许多电厂和广大用户连接起来，形成全国性或地区性的输电网络，这就是电网。 （1）定义：通过输电线、变电站将多个电厂与广大用户连接形成的输电网络。 （2）优势：降低一次能源运输成本；调剂电力供需平衡；提高供电可靠性；合理调度不同类型能源。 （三）课堂练习 1.(多选)如图所示为远距离交流输电的简化电路图。发电厂的输出电压是U，用等效总电阻是r的两条输电线输电，输电线路中的电流是I1，其末端间的电压为U1。在输电线与用户间连有一理想变压器，流入用户端的电流为I2。则(　　) A.用户端的电压为 B.输电线上的电压为U C.输电线路上损失的电功率为Ir D.输电线路上损失的电功率为I1U 答案　AC 解析　由理想变压器输入功率等于输出功率可知P1＝P2，即U1I1＝U2I2，则U2＝，A正确；输电线上的电压为U线＝U－U1，B错误；输电线路上损失的电功率为P线＝Ir＝I1U线＝I1U－I1U1，C正确，D错误。 2.(多选)远距离高压输电的示意图如图所示，关于远距离输电，下列表述正确的是(　　) A.增加输电导线的横截面积有利于减少输电过程中的电能损耗 B.高压输电是通过减小输电电流来减小电路的发热损耗 C.在输送电压一定时，输送的电功率越大，输电过程中的电能损耗越小 D.高压输电必须综合考虑各种因素，不一定是电压越高越好 答案　ABD 解析　输电线损失的功率P损＝I2R线，减小I或R线均可减小输电线损失的功率，增大导线的横截面积可减小R线，故A、B正确；由I＝知，当电压一定时，输送功率越大，则电流越大，P损越大，故C错误；输电过程不一定是电压越高越好，故D正确。 3.(多选)风力发电将风的动能转化为电能。某风力发电机的输出功率为10 kW，输出电压为250 V，用户得到的电压是220 V，输电线的电阻为20 Ω，升压变压器原、副线圈匝数比为1∶10，输电线路如图所示。变压器视作理想变压器，则下列说法正确的是(　　) A.用户得到的电功率为9 kW B.降压变压器原、副线圈匝数比为11∶1 C.通过输电线的电流为4 A D.输电线上损耗的功率为320 W 答案　BCD 解析　设升压变压器副线圈的电压为U2，由＝得U2＝U1＝2 500 V，则输电线上电流为I2＝＝ A＝4 A，则输电线上损失的功率为ΔP＝IR＝320 W＝0.32 kW，故用户得到的电功率为P′＝10 kW－0.32 kW＝9.68 kW，故A错误，C、D正确；输电线上损失的电压为ΔU＝I2R＝80 V，则降压变压器原线圈两端的电压为U3＝2 500 V－80 V＝2 420 V，降压变压器原、副线圈匝数比为＝＝＝，故B正确。 四、课题小结 五、板书设计 3.4 电能的输送 1. 输电损耗 功率损失： 电压损失： 2. 降低损耗的途径 减小电阻R：选优材、增横截面积（有限度） 提高电压U：提高输电电压U，P一定，R一定，U提高到原来的n倍，P损将为原来的倍（最有效） 3. 远距离输电模型 流程：发电→升压→输电→降压→用户 关键关系： 功率关系：P1=P2，P3=P4，P2=P损+P3 电压关系： 电流关系： 输电电流： 损耗功率： 4. 电网供电：优势——经济、可靠、高效 六、作业布置 1. 完成课本“练习与应用”相关习题； 2. 完成分层作业。 七、教学反思 本节课通过公式推导、模型构建和实例分析，基本达成教学目标。学生能掌握输电损耗的计算与高压输电的原理，但对“输电电压与损失电压的区别”仍易混淆，对实际输电中电压选择的平衡问题理解不深。后续可增加对比实验，直观展示不同电压下的损耗差异；补充实际输电案例，分析电压选择的工程考量；设计更多变式练习，强化概念区分与公式应用，进一步提升学生的科学思维与应用能力。 学科网（北京）股份有限公司 2 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $