歐陽(yáng)琪　李榮霞　謝煥杰　李德安

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院,廣東　廣州　510006)

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遠(yuǎn)距離輸電演示儀的設(shè)計(jì)與制作

歐陽(yáng)琪李榮霞謝煥杰李德安

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院,廣東廣州510006)

摘要：通過(guò)設(shè)計(jì)遠(yuǎn)距離輸電演示儀,演示交流輸電時(shí)采用高、低壓輸電的損耗差異,使學(xué)生形象直觀地理解提高輸電電壓對(duì)減少輸電損耗的意義,同時(shí)向?qū)W生展示高壓直流輸電這一現(xiàn)代輸電技術(shù)的優(yōu)勢(shì).

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)距離輸電;高壓;直流

1引言

遠(yuǎn)距離輸電是將物理學(xué)運(yùn)用到工程技術(shù)的成功案例,是現(xiàn)行高中教材中既具有較高知識(shí)價(jià)值,又具有重要的實(shí)用價(jià)值并且符合STS理念的教學(xué)內(nèi)容[1].該節(jié)內(nèi)容的教學(xué)重、難點(diǎn)為理解高壓輸電是減少輸電過(guò)程功率和電壓損失的切實(shí)可行的措施[2].當(dāng)前大部分教師采用理論推導(dǎo)這一教學(xué)手段,由于缺少形象直觀的演示,學(xué)生不能很好地理解采用高壓輸電的本質(zhì)原因.

針對(duì)遠(yuǎn)距離輸電的教學(xué)難點(diǎn),筆者設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)距離輸電演示儀.通過(guò)小燈泡的亮暗直觀表現(xiàn)了交流輸電時(shí)采用高、低壓輸電的電能損耗,使學(xué)生看到高壓輸電對(duì)減少輸電損耗的意義.此外還設(shè)計(jì)了直流高壓輸電裝置,使學(xué)生對(duì)現(xiàn)代輸電技術(shù)有所了解[3].

2實(shí)驗(yàn)裝置

圖1

如圖1所示,遠(yuǎn)距離輸電演示儀由低壓輸電、高壓輸電及直流輸電三部分組成.均采用交流6V作為輸入電壓,其中高壓輸電有三個(gè)變壓檔位,分別是交流12V、36V、72V,采用電爐絲模擬輸電導(dǎo)線,采用燈泡模擬用戶端；直流輸電采用直流36V作為傳輸電壓,由整流設(shè)備、逆變?cè)O(shè)備等組成.

3實(shí)驗(yàn)原理

3.1實(shí)驗(yàn)原理圖

實(shí)驗(yàn)原理如圖2所示.

圖2

3.2高低壓輸電原理

參照實(shí)際遠(yuǎn)距離輸電的主要過(guò)程,模擬發(fā)電廠產(chǎn)生一定大小的交流電壓,通過(guò)升壓系統(tǒng),把電路中的電壓升高到某一數(shù)值,經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離電線的傳輸后,再經(jīng)過(guò)降壓,把傳輸過(guò)來(lái)的高壓電降低至用戶所需的正常電壓,最后供用戶使用[4].

為說(shuō)明遠(yuǎn)距離輸電過(guò)程中升降壓的必要性和優(yōu)越性,本教具中設(shè)置了對(duì)比實(shí)驗(yàn),通過(guò)低壓傳輸?shù)姆绞綄l(fā)電廠產(chǎn)生的低壓電直接通過(guò)遠(yuǎn)距離的導(dǎo)線傳輸?shù)接脩?在此過(guò)程由于導(dǎo)線具有較大的阻值,在傳輸過(guò)程中發(fā)熱而損耗大部分的電能.

3.3直流輸電原理

由于導(dǎo)線也具有電容和電感,當(dāng)交流輸電功率很大時(shí),電容和電感引起的電能損失較大,此時(shí)采用直流高壓輸電損耗較少.直流輸電是將發(fā)電廠電壓升壓后輸送到整流設(shè)備進(jìn)行高壓交流轉(zhuǎn)換成高壓直流后進(jìn)行傳輸,逆變?cè)O(shè)備再將直流逆變?yōu)榻涣?通過(guò)變壓器將高壓交流電降壓成低壓交流電供給用戶使用.

4裝置制作

4.1制作材料

木板2塊(75cm×95cm、40cm×115cm)、10V交流電壓表4個(gè)、10V直流電壓表1個(gè)、自定制變壓器三個(gè)(220V轉(zhuǎn)6V、6V轉(zhuǎn)36V、6V轉(zhuǎn)72V)、1000W電爐絲1根、燈座燈泡9個(gè)、交直轉(zhuǎn)換模塊芯片、印刷銅板、杜邦線、電容若干、開關(guān)電源、香蕉桿若干、開關(guān)、螺絲釘、油性筆、玻璃膠、AB膠等.

4.2制作過(guò)程

(1) 根據(jù)原理設(shè)計(jì)遠(yuǎn)距離輸電演示儀電路,排布各元件.

(2) 選擇兩塊大小合適的木板,在元件相應(yīng)排布位置打孔后將元件放在相應(yīng)位置并鎖緊.用導(dǎo)線連接各元器件間電路,用絕緣膠布封好裸露電線，做好絕緣安全工作.

(3) 標(biāo)注各個(gè)模塊名稱.

5裝置用途

本裝置幾乎覆蓋了遠(yuǎn)距離輸電教學(xué)過(guò)程中的所有知識(shí)點(diǎn)的探究和演示,利用演示儀上的電壓轉(zhuǎn)換插孔、燈泡開關(guān)、輸電線上的導(dǎo)線插槽等,教師可根據(jù)自己課堂需要,自行選擇相應(yīng)模塊向?qū)W生演示,以達(dá)到預(yù)期教學(xué)效果.

5.1定性、定量分析比較高低壓輸電的損耗大小

如圖3所示,選擇高壓輸電任意一個(gè)檔位(如交流36V),閉合電源開關(guān),在高低壓輸電裝置中依次合上燈泡開關(guān),可觀察到,隨著用戶端亮燈盞數(shù)的增加,低壓輸電的燈泡逐漸變暗，其用戶端電壓表示數(shù)以較大幅度不斷減小；高壓輸電的燈泡亮度較亮于低壓輸電的燈泡亮度,隨著亮燈的盞數(shù)的增加,燈泡亮度變化較小,用戶端電壓表示數(shù)以較小幅度下降.說(shuō)明使用任意一種輸電方式,在輸送過(guò)程中均會(huì)發(fā)生電能的損耗,而低壓輸電方式產(chǎn)生的電能損耗更大.

圖3

另外,在閉合燈泡開關(guān)的同時(shí)觀察四個(gè)電壓表示數(shù)變化,可以定量分析出高低壓輸電損耗大小.

5.2驗(yàn)證在遠(yuǎn)距離輸電過(guò)程中距離越遠(yuǎn)損耗越大

如圖4所示,在低壓輸電裝置中,電阻絲上設(shè)置了一系列等間距插槽,依次將燈泡從距發(fā)電站由近及遠(yuǎn)插入插槽中,可以明顯觀察到燈泡由亮變暗,從而論證距離越遠(yuǎn)、輸電損耗越大這一知識(shí)點(diǎn).

圖4

5.3驗(yàn)證在遠(yuǎn)距離輸電過(guò)程中傳輸電壓越高損耗越小

由P=UI可知,當(dāng)輸送功率一定的情況下,輸送電壓U越大,則導(dǎo)線上的電流I越小,則由公式P=I2R得,在導(dǎo)線上的損耗的電能越小(導(dǎo)線電阻不變).

選用高壓輸電模塊,分別將接線柱接入12V、36V、72V,如圖5所示,依次觀察燈泡亮度和電壓表示數(shù)變化,可以看到,選擇輸送電壓越高,燈泡亮度越亮,電壓表示數(shù)也逐漸增大,說(shuō)明隨著輸電電壓的升高,輸送過(guò)程中損耗的電能減少,即實(shí)際到達(dá)用戶端的電能越大.從而可以從定性和定量?jī)蓚€(gè)角度驗(yàn)證輸送電壓越高、損耗越小這一知識(shí)點(diǎn).

低壓6V,高壓12V

低壓6V,高壓36V

低壓6V,高壓72V圖5

5.4演示直流輸電及對(duì)三種輸電方式進(jìn)行比較

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展,直流輸電以其損耗低的優(yōu)勢(shì)受到人們的關(guān)注,因此本裝置特別為學(xué)生科普了該知識(shí).

如圖6所示，高壓輸電采用交流36V電壓檔,直流輸電采用直流36V,低壓輸電為交流6V進(jìn)行傳輸,均閉合一盞燈泡,觀察燈泡亮度可以直觀看出直流輸電的優(yōu)勢(shì).

圖6

另外,直流輸電部分展示了直流輸電的基本原理,結(jié)合課本內(nèi)容向?qū)W生介紹直流輸電的基本原理,將理論知識(shí)運(yùn)用于實(shí)踐,緊跟科技前沿.

6設(shè)計(jì)理念及特點(diǎn)

利用遠(yuǎn)距離輸電演示儀為學(xué)生學(xué)習(xí)該節(jié)教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境,真正實(shí)現(xiàn)了教具輔助課堂教學(xué)的作用,為學(xué)生的物理學(xué)習(xí)提供感性素材.通過(guò)生動(dòng)有趣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.而直流輸電部分的設(shè)計(jì),更是體現(xiàn)了基礎(chǔ)與前沿、理論與應(yīng)用的有機(jī)結(jié)合這一教學(xué)理念.

此外,該教具涵蓋了該節(jié)知識(shí)的所有內(nèi)容,教師可依據(jù)自身課程設(shè)計(jì)選擇演示的先后順序,因此該演示儀還具有交互性強(qiáng)、教學(xué)應(yīng)用性強(qiáng)等特點(diǎn).

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙淑梅,楊會(huì)靜,孫立萍.遠(yuǎn)距離輸電演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究[J].唐山師范學(xué)院學(xué)報(bào),2007,(5):20-22.

[2] 朱茂,岑天慶.模擬遠(yuǎn)距離輸電的直觀教學(xué)設(shè)計(jì)[J].物理教學(xué),2014,(12):14-15.

[3] 保宗悌.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理選修3-2[M].廣東:廣東教育出版社,2007.

[4] 梁旭明,張平,常勇.高壓直流輸電技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].電網(wǎng)技術(shù),2012,(4):1-9.