3.4 远距离输电 教学设计-2026-2027学年高二下学期物理粤教版选择性必修第二册

该高中物理教学设计聚焦远距离输电损耗原理、高压降损方法、多级输配电网络及现代直流输电技术。以爱迪生直流输电历史缺陷切入，承接变压器知识，推导损耗公式引出高压方案，搭建知识支架。 特色在于历史情境与工程实践结合，通过高低压对照模拟实验（科学探究）直观验证高压降损，多层公式联立推导（科学思维）强化规律理解，结合国产直流输电实例（科学态度与责任）渗透思政。帮助学生构建完整物理观念，提升探究能力，为教师提供结构化教学流程和丰富资源，便于高效教学。

教学设计 课程名称 远距离输电 选用教材 高中物理粤教版选修二 教学章节 第三章第四节 授课对象 高二学生 授课类型 新授课 授课学时 1课时（45分钟） 一、教学内容分析 本节承接变压器匝数电压、电流规律，以爱迪生早期直流输电缺陷为切入点，围绕远距离输电损耗、高压交流输电、完整输配电网络、模拟对比实验、现代高压直流输电五层逻辑展开教学。首先介绍 1882 年直流电站局限，依托焦耳热公式推导导线功率、电压损耗两大来源；从电阻定律、功率公式两条路径分析降损耗方案，得出高压输电为最优方案；梳理国内多等级高压、超高压输电标准，说明电压不能无限拔高的绝缘约束；展示完整输配电流程示意图，讲解电厂升压、多级降压、工业与居民分供的电网体系；搭建高低压对比模拟实验电路，直观验证高压输电损耗更小；最后剖析交流输电自感、互感、分布电容带来的附加损耗，引入现代高压直流输电模式，梳理 “交流发电→换流直流高压输送→逆变换交流降压供用户” 完整流程，结合我国直流输电国产化工程实例渗透行业发展。本节课综合焦耳定律、电阻定律、变压器全套公式，是交变电流章节工程应用的收官内容，完整解释全国电网运行底层物理逻辑。 二、学情分析 1. 知识储备 学生熟练掌握焦耳热功率P=I2r、电阻定律r=ρl/S、功率定义P=UI、理想变压器电压与电流匝数比例关系；能够看懂远距离输电流程示意图、对比实验电路图；清楚变压器升降压原理，但缺少长距离输电线等效电阻模型思维，无法联立多层公式推导电流、损耗的关联关系，不了解交流线路电感电容附加损耗，对国内电网多级电压配置、直流输电换流技术完全陌生。 2. 能力现状 学生可独立完成单一焦耳热、变压器基础计算题，但多层联立推导输电损耗时数理链条断裂；小组操作对比模拟实验能观察灯泡明暗差异，却无法定量分析损耗大小；区分交流、直流输电优缺点的归纳能力薄弱；结合工程场景综合计算输电电流、线路损耗的综合解题能力不足。 3. 思维认知痛点 学生存在多处直观思维误区：认为加粗导线是降低输电损耗唯一办法；误以为输电电压越高，输送功率越大；忽略长输电线存在分压，用户端电压会下降；不理解交流线路额外存在电感电容损耗；分不清现代直流输电全程只有输送段为直流，发电、用电依旧使用交流电。 三、教学目标 1. 物理观念 学生建立远距离输电完整工程物理观念：远距离输电线存在等效电阻，会产生焦耳热功率损耗与电压降落；降低损耗两条途径：减小导线电阻、减小输电电流，输送功率不变时提升电压可减小电流，实现大幅降损；国内电网采用多级升降压架构，电厂升压至高压远距离输送，经过多级降压分别供给工厂、居民；高压交流输电存在自感、互感、分布电容附加损耗；现代高压直流输电仅输电线路使用直流，两端依靠换流设备完成交直流转换；电压不能无限提高，存在绝缘、放电工程限制。可选取五张以内教材配图：爱迪生直流发电机实物图、远距离输电基本过程示意图、高低压对比实验电路图、现代直流输电示意图，完整覆盖输电发展、电网流程、对比验证、新型输电技术四大模块。 2. 科学思维 借助输电线等效电阻模型、高低压对照实验模型构建输电损耗物理模型，锻炼长导线等效、对照实验等效建模思维；对比加粗导线、升压输电两种降损耗方案，训练两类降损路径优劣辨析思维；联立焦耳热、功率公式完整推导输电电流与损耗的关联关系，区分交直流输电损耗差异，提升多层公式联立、工程方案对比逻辑推理能力；单一变压器升降压认知升级，建立 “直流输电有局限→高压交流普及→交流有附加损耗→高压直流新技术补充” 闭环电网工程思维。 3. 科学探究 分组搭建高低压对比模拟实验电路，观察同等负载下，升压输电支路灯泡更亮、线路损耗更小；小组联立多层公式定量推导输电功率损耗；梳理完整电网多级升降压流程；完整走完 “直流输电缺陷引入→输电损耗公式推导与降损方案分析→全国多级电网流程认知→高低压对照模拟实验验证→现代高压直流输电拓展” 探究流程，同步完成对照实验现象观测、多层物理公式联立推导、电网工程流程梳理三重探究能力训练。 4. 科学态度与责任 从爱迪生早期直流输电局限，到高压交流电网普及，再到国产高压直流输电技术突破，展现电力行业依靠物理规律持续迭代升级的发展历程；高低压对比模拟实验需要稳定调节变压器匝数、观察灯泡明暗稳定状态，损耗推导需要联立焦耳热、电阻定律、功率公式多层关系式，培养输电探究实验平稳操作器材、细致对比负载亮度差异、严谨多层数理联立推导、客观对比交直流输电优劣的科学素养；我国实现高压直流输电全套设备国产化，建成覆盖全国的多级交流输配电网，水电、火电、风电、光伏统一并网调度，全面保障工业生产、居民生活稳定用电，直观展现输电相关电磁、热学物理规律助力国内电力工程技术自主创新，激发学生学好远距离输电相关规律投身国产高压输变电、直流换流装备研发的家国情怀；能自主推导输电功率损耗公式，解释高压输电降损原理，梳理完整电网升降压流程，区分交直流输电优缺点，树立输电物理规律服务全国统一电网建设、工农业供电保障产业的实践责任意识。 四、教学重难点 重点 远距离输电线路功率损耗、电压损耗成因，两条降低损耗途径，高压输电核心原理； 全国电网多级升降压完整流程，升压、降压变压器分别布置位置； 高低压对照实验现象与实验结论。 难点 联立多层公式推导：输送功率不变，电压升高电流减小，损耗与电流平方成正比； 区分交流输电附加损耗、现代高压直流输电工作流程； 综合题型联立变压器、焦耳热多层公式计算线路损耗。 五、教学方法 对照模拟实验探究法：高低压输电对比电路，直观观测损耗差异； 多层公式联立推导讲授法：焦耳热、功率公式结合推导输电损耗规律； 流程图像建模教学法：依托电网流程示意图梳理多级升降压架构； 方案对比讨论法：小组对比粗导线、高压输电两种降损方案优缺点； 电力工程发展史情境讲授法：爱迪生直流输电缺陷、交流普及、国产直流输电技术分层拓展。 六、教学资源 爱迪生与他的直流发电机实物图、远距离输电的基本过程示意图、实验对比电路图、现代直流输电示意图；可拆变压器、模拟输电线定值电阻、交流电源、小灯泡、交流电流表；输电损耗综合计算题、电网流程梳理简答题。 七、教学设计 教学环节 教师活动 学生活动 环节一 导入：早期直流输电缺陷，认识输电损耗（10 分钟）  历史情境导入：1882 年爱迪生修建世界首座直流供电电站，仅能近距离供电，输送距离拉长就会出现巨大电能损耗，无法大范围普及，我们今天探究远距离输电损耗的来源与解决办法。展示爱迪生与他的直流发电机实物图 讲解直流输电短板：低压大电流输送，导线发热损耗极高，同时用户端电压大幅下降。  依托焦耳热公式讲解线路功率损耗：输电线存在电阻r，电流通过产生热量，损耗功率(P损​=I2r)；同时导线分压(U损​=Ir)，送到用户的电压低于发电输出电压。抛出思考问题：结合电阻定律r=ρl/S与损耗公式，有哪些办法可以减小输电损耗，请从导线、电流两个角度分析。  汇总学生回答梳理：第一种方案增大导线横截面积、选用铜铝低电阻率材料，但会大幅增加金属耗材、加重架线负担；第二种方案减小输电电流，输送总功率P不变，依据P=UI，提高输电电压就能减小电流；损耗和电流平方成正比，电流缩小百倍，损耗仅为原来万分之一，因此高压输电是远距离输送最优方案。布置同桌交流任务：输电电压是否可以无限制提升，请结合工程实际说明限制因素。 全程观看爱迪生直流发电机实物图，记住早期低压直流输电的两大缺陷：发热损耗大、输送距离受限；跟随教师熟记功率损耗、电压损耗两套公式，区分两类降低损耗方案的利弊。 和同桌充分讨论输电电压上限的工程约束，完整记录绝缘难度、空气放电、架线成本三类限制条件，牢牢掌握高压输电是兼顾成本与损耗的最优方案。 环节二 全国多级输配电网络完整流程（14 分钟）  过渡衔接：依靠变压器实现分级升降压，搭建全国统一输配电网，平衡远距离输送低损耗与居民低压用电的需求。展示远距离输电的基本过程示意图 分步拆解全流程：发电厂发电机输出 10kV 低压→厂区升压变压器提升至 110kV/220kV/500kV 超高压，远距离架空输送→一次高压变电站降压→二次高压变电站降至 10kV，供给工厂工业设备→低压变电站降至 220V，供给居民日常照明。  补充国内输电电压标准：西北电网可达 750kV 超高压；同时再次明确电压不能无限拔高，电压过高会提升线路绝缘成本，还会向空气放电造成额外损耗。组织四人小组讨论问题：发电厂、城乡街边配电变压器分别是升压还是降压变压器，结合用电需求说明理由。 承接教师过渡引导，观看电网完整流程示意图，按顺序梳理升压、多级降压全链条，记住不同电压等级对应的使用场景；四人小组围绕两类变压器用途充分讨论，推选代表汇报结论，完整区分电厂升压、小区降压的功能差异。 环节三 高低压对照模拟实验，验证高压降损原理（16 分钟）  过渡衔接：理论推导得出高压输电损耗更小，我们搭建对照模拟实验直观验证结论。展示实验对比电路图 讲解双回路对照设计：下方回路直接低压输送，电阻模拟输电线；上方回路先升压、末端降压，两条回路模拟输电线总电阻完全一致，灯泡亮度代表用户获取电能多少，电流表读数代表输电电流大小。  组织学生分组接通电路，稳定后对比两只灯泡明暗、两块电流表示数；学生能观察到经过升压降压支路的灯泡更亮、输电回路电流更小，代表线路发热损耗更少。抛出讨论问题：实验中两条模拟输电线电阻相同，为何升压支路损耗更小，请结合损耗公式完整解释。  汇总小组结论梳理：总输送功率一致，升压后输电电流大幅减小，依据(P损​=I2r)，导线发热损耗显著降低，灯泡分得更多功率，发光更亮。出示两道分层课堂计算题，题目具体如下： ① 输送固定总功率，输电电压提升 10 倍，导线电阻不变，线路功率损耗变为原来多少倍； ② 发电厂输出 10kV，升压至 220kV 远距离输送，写出原副线圈匝数比例关系。 观看对照实验电路图，分组操作实验对比灯泡亮度、电流表示数；结合损耗公式解释实验现象，巩固高压减小电流、降低损耗的核心规律。 独立完成两道分层计算题，规范书写推导步骤，区分电压、电流、损耗三者定量关联；完整掌握对照实验的等效模拟思路，能用实验现象佐证理论推导结论。 环节四 交流输电缺陷与现代高压直流输电拓展（12 分钟） · 过渡衔接：高压交流输电是主流方案，但长距离交流线路存在附加损耗，现代高压直流输电技术作为补充不断普及。讲解交流输电额外损耗成因：交变电流在线路产生自感、导线间互感、线路分布电容，大功率输送时这部分损耗会超过导线电阻发热损耗；同时全网发电机必须同步运行，技术管控难度高。 · 展示现代直流输电示意图 · 完整拆解流程：发电厂交流发电→升压变压器提升电压→换流设备把交变转为高压直流→直流线路远距离输送→逆变换流变回交流电→降压变压器降至民用电压供给用户；强调只有中间输送段使用直流，发电、用电环节依旧使用交流电。 · 结合我国工程实例拓展：我国自 1984 年首个高压直流工程开工，现已实现全套设备国产化，多座 750kV 直流输电线路并网运行。完整复盘本节课四层核心主线：第一层直流输电历史缺陷、输电损耗公式与高压降损原理；第二层全国多级升降压输配电网络完整流程；第三组高低压对照模拟实验验证高压降损；第四层交流输电附加损耗、现代高压直流输电技术流程，全程不再重复多层公式联立、实验操作细节，只用文字叙述远距离输电完整知识框架。 · 逐条梳理本节课典型认知误区并集体纠正：加粗导线是唯一降损方法；输电电压越高输送功率越大；直流输电全程都使用直流电；线圈匝数越多损耗越小；用户端电压等于电厂输出电压。 · 布置分层课后作业：基础作业完整抄写功率损耗公式、高压输电核心逻辑，独立完成两道课堂计算题；提升作业手绘远距离输电完整流程示意图，标注升压、各级降压变压器；拓展实践任务：观察路边配电变压器铭牌电压，判断降压比例，结合居民 220V 电压分析。 观看现代直流输电流程示意图，区分交直流输电各自优缺点，完整梳理直流输电交直流转换全流程；独立完成两道计算题数值推导，记住国内高压直流输电国产化发展现状。 跟随教师复盘本节课全部输电知识点，标记损耗多层联立推导、直流输电流程等模糊知识点；独立动笔完整完成两道分层课堂计算题，规范书写推导、作答步骤。 认真倾听同学作答、教师订正点拨，纠正降损方案、交直流输电概念混淆类答题错误，规范物理专业术语书写，牢牢记住 “提升电压减小电流，损耗随电流平方降低” 两大核心要点；在课本空白页面记录本节课全部典型认知误区，配套写出正确输电规律，规避综合计算、流程识图类题目失误。 根据自身课堂学习基础分层规划课后作业完成顺序，基础层优先识记损耗公式、高压输电原理，提升层手绘电网完整流程示意图，拓展层观察小区配电变压器铭牌解读电压参数。 环节五 课堂小结、器材整理（2 分钟） · 指导小组有序收纳可拆变压器、模拟输电线电阻、交流电源、小灯泡、电流表，导线整齐缠绕，变压器铁芯轻拿防尘。 · 简短整体小结：本节课从早期直流输电缺陷切入，推导线路功率、电压损耗公式，分析两条降损途径，明确高压输电为最优方案；梳理全国多级升压、降压输配电网完整流程；通过对照模拟实验直观验证高压降损效果；拓展交流输电附加损耗与国产高压直流输电新技术，完成交变电流章节工程应用收官，整合焦耳热、电阻定律、变压器全套知识，搭建完整电力输送物理体系。 小组分工收纳全套输电模拟实验器材，保护可拆变压器、精密电流表，养成电学精密实验器材规范收纳习惯。 跟随教师梳理本节课核心输电知识点，自主整理输电损耗公式、高压降损原理、多级电网流程、交直流输电差异要点，记录在课本空白处，课后结合分层作业巩固全部远距离输电核心规律。 八、板书设计 c 九、课程思政 本节课依托爱迪生与他的直流发电机实物图、远距离输电的基本过程示意图、实验对比电路图、现代直流输电示意图四张教材素材，沿着直流输电历史缺陷引入、输电损耗公式推导与高压降损方案分析、多级输配电电网流程梳理、高低压对照模拟实验、现代高压直流输电技术拓展完整脉络落实育人目标；电力行业发展经历爱迪生低压直流局限、高压交流电网普及、国产高压直流输电技术突破三个阶段，一代代科研人员依托焦耳热、变压器、电磁感应基础物理规律，持续改良输电架构、研发交直流换流设备，攻克远距离大功率输送损耗难题，搭建覆盖全国的统一电网，让学生体会基础热学、电磁物理规律拥有支撑国家大型电力工程建设的巨大价值，科研与工程人员深耕输电装备迭代、持续降低线路损耗、完善电网调度体系的求真创新科学精神；高低压对照模拟实验需要平稳调节变压器匝数、稳定读取电流表示数、细致对比两只灯泡明暗差异，输电损耗推导需要联立焦耳热、功率定义多层物理关系式，多级电网流程梳理需要按发电到用户顺序分层拆解升降压节点，全程培养远距离输电探究实验平稳操作变压器材、精准读取电流数值、细致对比负载发光状态、严谨多层数理联立推导、分层梳理大型工程流程的科学探究素养；我国实现百万伏级高压交流、高压直流输电全套设备自主研发量产，全国统一多级交直流混合电网同步调度水电、火电、风电、光伏，全面保障全国工厂生产、城乡居民稳定用电，高端输变电、直流换流装备彻底摆脱国外技术垄断，直观展现远距离输电相关热学、电磁物理规律助力国内大型电力输配工程科技自主创新，激发学生学好输电损耗、变压器升降压、交直流转换等规律投身国产高压输电、直流换流核心装备研发的家国情怀；学生可自主结合(P损​=I2r)解释高压输电降低损耗的底层原理，完整梳理从电厂到居民的多级升降压输电流程，区分交流、现代高压直流输电各自优缺点，能看懂高低压对照实验电路图并说明实验结论，树立远距离输电物理规律服务全国统一电网建设、工农业与居民用电保障产业的实践责任意识。 十、教学反思和修改 1. 教学反思 本节课依托四张教材配套配图，完整开展输电损耗推导、高压降损方案分析、多级电网流程讲解、对照模拟实验、高压直流输电拓展，学生能记住基础损耗公式与高压输电结论；课堂存在多处短板：大部分学生无法熟练联立P=UI与P损​=I2r两层公式定量分析电压提升对损耗的影响；很难完整梳理电厂到用户多级升降压的先后顺序，混淆升压、降压变压器布置位置；区分交直流输电优缺点时容易遗漏交流线路电感电容附加损耗；综合计算题同时包含变压器匝数、线路损耗两层逻辑时思路断裂；小组对照实验调节、观察耗时较长，留给学生独立手绘电网流程、完成损耗计算题训练的课堂时间不足；学生固有直观思维根深蒂固，始终认为加粗导线是降低损耗最实用方案，忽略高压输电兼顾成本与损耗的核心优势。 2. 修改措施 课前印发预习单，提前回顾焦耳热功率、理想变压器电压电流公式，标注 “损耗和电流平方成正比、升压减小输电电流” 预习提示，压缩课堂概念铺垫时长；课堂分步动画演示相同输送功率下，低压、高压两条支路电流与发热损耗对比，直观展示高压降损效果；新增两组随堂对比情景题，专门区分粗导线、高压输电两种降损方案的成本与损耗优劣；分步动画拆解完整多级输配电流程，标注每一级变压器功能；压缩小组对照实验操作观察讨论时长，提前设计实验现象记录表格，预留充足课堂时间让学生独立完成损耗计算题、电网流程手绘；课后配套分层习题，分基础损耗公式简答、多级电网流程梳理、输电综合计算三类题型训练，下一节课前预留五分钟输电损耗公式、高压降损原理、交直流输电差异复习，巩固远距离输电整套核心工程规律。 学科网（北京）股份有限公司 $