鐘 勇

(紹興市高級中學 浙江 紹興 312000)

1 學習目標

“電能的輸送”一節(jié)的學習目標如表1所示.

表1 “電能的輸送”學習目標

2 教材分析

本節(jié)教材要求學生會運用所學過的電磁學方面的知識解決一個實際問題——電能的輸送．通過本節(jié)學習，要注意培養(yǎng)和提高學生運用物理知識分析、解決實際問題的能力．教材寫得比較詳細、通俗，可讓學生課前自學課本，然后提出一些問題引導學生思考、討論．但課本中沒有出現(xiàn)遠距離輸電的設(shè)計思路，只是灌輸式地介紹了減小電能輸送過程中應(yīng)該注意的問題，所以學生不能自覺地去設(shè)計電路，不利于學生思維能力的提高和物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)．本節(jié)課教學過程可以按照創(chuàng)設(shè)情境-猜想-實驗的順序進行知識建構(gòu)，重點是讓學生自主設(shè)計出遠距離輸電的示意圖，并真正搞清遠距離輸電的原理．因此，教師在教材提供的實驗基礎(chǔ)上補充、完善和改進實驗裝置，提升實驗效果，引導學生通過理論探究和實驗探究，逐步培養(yǎng)和提升學生的物理核心素養(yǎng)：物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任．

3 教學思路

教學思路如圖1所示.

圖1 教學思路

4 教學過程

任務(wù)1：知道“便于遠距離輸送”是電能的優(yōu)點之一．知道輸電的過程．

情景1：請學生欣賞一組發(fā)電站的圖片和觀看一段有關(guān)“西電東輸”的新聞視頻后思考下列問題．

問題1：發(fā)電站一般建在哪些地方？

問題2：哪些地方最需要用電？

問題3：如何輸送電能？

教學建議：

(1)請學生欣賞一組發(fā)電站的圖片后，教師通過積極引導，盡量讓學生自己思考得出發(fā)電站的一般選址，教師不要替代學生回答問題．

(2)在播放新聞視頻前，教師要積極引導，使學生充分體會到“便于遠距離輸送”是電能的優(yōu)點之一，鼓勵學生學以致用，多關(guān)注生產(chǎn)和生活實際．旨在滲透“從生活走進物理，從物理走向社會”的新課程理念．

(3)通過觀看新聞視頻讓學生對輸電的過程有一個大致的了解，為遠距離高壓輸電的教學做好鋪墊．

任務(wù)2：知道電能輸送過程中有功率損失和電壓損失，理解降低這兩種損失的途徑．

情景2：用兩個相同的小燈泡(6 V,0.5 A)接在同一交流電源上，一個小燈泡用導線與電源相連，另一個小燈泡接兩根100 m的長導線與電源相連，請學生上來檢查實驗器材和電路連接，并打開電源開關(guān)，其他學生仔細觀察思考．

問題4：兩個相同的小燈泡接在同一交流電源上為什么亮度不同？

問題5：導線的電阻真的是零嗎？

問題6：遠距離輸電時，輸電線上的電阻能忽略嗎？

教學建議：請1～2位學生上來檢查圖2的實驗器材和電路連接，讓學生體驗到實驗的真實性，激發(fā)學生繼續(xù)探究的欲望．通過創(chuàng)設(shè)真實的實驗情境，讓學生形成導線有電阻的認知沖突，不僅培養(yǎng)學生自主發(fā)現(xiàn)問題的能力，而且讓學生深切地體會到遠距離輸電時，輸電線上的電阻不能忽略的事實．

圖2 小燈泡亮度對比實驗

情景3：用6 V交流電源(學生電源)作為電廠，用兩根電阻絲來代替長導線，把小燈泡(6 V,0.5 A)作為用戶來模擬輸電過程，探究怎樣才能更加合理地輸送電能．請學生們根據(jù)實驗提供的器材連接電路，完成遠距離輸電．同時，請學生觀察并思考實驗中可能出現(xiàn)的各種現(xiàn)象的原因．待部分學生連接出正確的電路(圖3)后，提出下列問題.

圖3 遠距離輸電模擬實驗

問題7：你能根據(jù)圖3畫出一個等效電路圖嗎？

問題8：如何計算輸電線上的功率損失和電壓損失？

問題9：如何減少輸電線上的功率損失和電壓損失？

教學建議：

(1)做模擬遠距離輸電實驗時，條件好的學校最好能讓學生做分組實驗．盡管有情景2演示實驗作為鋪墊，但學生在實際連接電路時仍有可能會出現(xiàn)兩種情況：

1)燈泡和電源通過電阻絲連接(大部分正確連接)；

2)燈泡和電源通過導線直接連接(小部分學生連接)．

若兩種情況同時出現(xiàn)，教師可以引導學生通過對比發(fā)現(xiàn)：第2種連接燈泡較亮，第1種連接燈泡較暗．即近處的燈泡較亮，遠處的燈泡較暗．經(jīng)過一起探討后，學生會基本認同，遠距離輸電應(yīng)該如圖3所示的連接，接著可以讓學生獨立思考、親自動手按圖3畫一個等效電路圖(圖4)．并請1～2兩位學生進行板演，其他學生紙上畫等效電路圖，旨在培養(yǎng)學生的動手能力和建模能力．

圖4 等效電路圖

(2)通過引導，學生自己回憶：功率損失P損=I2R線和電壓損失ΔU=IR線，再和學生一起進行理論探究，使學生明白減少輸電線上的功率損失和電壓損失一般有兩條途徑：

1)減小輸電線上的電流I；

2)減小輸電線的電阻R線.

并對損失原因作適當分析．旨在讓學生形成正確物理觀念的同時，培養(yǎng)和提高學生的科學思維能力．

任務(wù)3：理解遠距離輸電采用高壓輸電的原因,認識高壓輸電的局限性．

情景4：展示選修3-2《教師用書》P94～95的3個案例體驗，讓學生談做題體會或感受．

案例體驗1：把功率為200 kW的電能輸送到40 km以外的地方，輸電線上的總電阻為0.1 Ω，用200 V的電壓輸電，損失的功率占總功率的百分之幾？

案例體驗2：把功率為200 kW的電能用鋁線輸送到40 km以外的地方，用200 V的電壓輸電，要使功率損耗降為輸電功率的25%，導線的橫截面積需提高為0.1 Ω時的幾倍？

案例體驗3：把功率為200 kW的電能輸送到40 km以外的地方，輸電線上的總電阻為0.1 Ω，用2 kV的電壓輸電，損失的功率占總功率的百分之幾？

問題10：減少輸電線上的功率損失和電壓損失有幾條途徑？

問題11：結(jié)合已做過的3個預(yù)習題，簡單談一下，哪條途徑對減少輸電線上的功率損失和電壓損失更為有效？(說明理由或原理)

教學建議：

(1)《教師用書》中的3個案例體驗題，在上新課的前一天，以預(yù)習題的形式印發(fā)給每位學生，讓學生提前預(yù)習新課內(nèi)容，完成好預(yù)習題作業(yè)．同時告知學生，上新課時會讓大家談做題體會或感受，旨在讓學生引起足夠的重視，盡可能在課前做好充分的準備．

(2)學生通過課前自學以及對3個案例體驗題的分析和運算，能很自然地得出減小輸電電流對減小輸電線上的損耗更為有效，以及怎樣才能減小輸電電流的方法．旨在讓學生進一步形成正確的物理觀念，培養(yǎng)和提高學生的科學思維能力和科學探究能力，從而有效提升學生的物理核心素養(yǎng)．

(3)通過再次讓學生回憶減少輸電線上功率損失和電壓損失的兩條途徑，并要求學生結(jié)合3個預(yù)習題，談一下哪條途徑對減少輸電線上的功率損失和電壓損失更為有效．旨在培養(yǎng)學生學以致用的意識和理論聯(lián)系實際的能力，同時為下一步實驗驗證做好充分的準備．

情景5：在原先提供的實驗器材的基礎(chǔ)上，教師再給每組學生提供一對變壓器(匝數(shù)比3∶110)，讓學生分組做遠距離高壓輸電模擬實驗． 教師巡視指導，對又快又好的實驗小組，讓他們派代表到上面來展示實驗成果，如圖5所示，讓學生體驗和分享成功的喜悅．

圖5 派學生代表展示實驗成果

問題12：如何獲得較高的輸電電壓？

問題13：輸送到用戶處時，如何使用電器正常工作？

問題14：輸電電壓是不是越高越好？

問題15：能根據(jù)提供的實驗器材，設(shè)計遠距離高壓輸電的實驗來證明你的猜想嗎？

教學建議：

(1)設(shè)置問題12和13的目的是讓學生回憶和復(fù)習有關(guān)變壓器的知識，為學生自主設(shè)計遠距離高壓輸電實驗做好理論準備．

(2)設(shè)置問題14的目的是讓學生知道電壓過高的弊端和局限性，同時讓學生了解我國超高壓輸電的研究成果．旨在讓學生了解一些科普知識的同時，讓學生知道在高壓輸電方面還有很多未知領(lǐng)域可以去探究，從而喚醒學生的好奇心，培養(yǎng)學生的科學態(tài)度與責任．

(3)圖5(b)實驗與圖3實驗相比，小燈泡明顯變亮，說明通過高壓輸電后，輸電線上損耗的功率大大減少，與前面理論探究的結(jié)論一致，實驗效果非常明顯．通過引導學生做遠距離高壓輸電分組實驗，旨在鍛煉和培養(yǎng)學生的動手能力、實驗探究能力、合作與交流的能力，從而有效提升學生的物理核心素養(yǎng)．

(4)該實驗所用的變壓器升壓后副線圈兩端電壓較高，教師在讓學生做分組實驗前務(wù)必要強調(diào)好用電安全和正確操作，并做好全程安全監(jiān)控工作，防止意外事情的發(fā)生．

任務(wù)4：知道輸電過程的幾個環(huán)節(jié)，會設(shè)計電能輸送的示意圖．

情景6：投影圖5(b)所示的遠距離高壓輸電模擬實驗圖片，讓學生思考實際輸電有哪幾個基本環(huán)節(jié)？并設(shè)計電能輸送的示意圖．

問題16：交流高壓輸電有哪幾個基本環(huán)節(jié)？

問題17：根據(jù)圖5(b)，畫一個電能輸送的示意圖.

問題18：該示意圖中存在哪些物理量之間的關(guān)系？

教學建議：

(1)引導學生根據(jù)圖5遠距離高壓輸電模擬實驗，說出交流高壓輸電的5個基本環(huán)節(jié)(發(fā)電站、升壓變壓器、高壓輸電線、降壓變壓器、用電單位)，盡量讓學生自己觀察思考得出結(jié)論，教師不要替代學生回答問題．

(2)引導學生說出高壓輸電的5個基本環(huán)節(jié)后，結(jié)合圖5(b)，讓學生獨立畫出電能輸送的示意圖(圖6)．請1～2兩位學生進行板演，其他學生紙上畫，旨在培養(yǎng)學生的建模能力和動手能力．

圖6 遠距離輸電示意圖

(3)學生設(shè)計出正確的示意圖后，教師通過積極引導，和學生一起分析討論，得出3個重要關(guān)系：功率關(guān)系、電壓關(guān)系、電流關(guān)系．旨在培養(yǎng)和提升學生的科學思維、科學探究、合作與交流的能力．

任務(wù)5：根據(jù)示意圖能進行簡單的計算，會求解輸電導線上的功率損失等問題．

情景7：投影練習題

練習題:一小型發(fā)電站通過升壓、降壓變壓器把電能輸送給用戶．已知發(fā)電機的輸出功率是500 kW，端電壓為500 V，升壓變壓器原、副線圈的匝數(shù)比為1∶5，兩變壓器間輸電線的總電阻為1.5 Ω，降壓變壓器的輸出電壓為220 V，不計變壓器的損耗．求：

(1)升壓變壓器的副線圈兩端的電壓；

(2)輸電導線上的功率損失；

(3)降壓變壓器原、副線圈的匝數(shù)比；

(4)用戶得到的功率．

教學建議：引導學生仔細審題、畫示意圖(或草圖)、總結(jié)解題規(guī)范的重要性，旨在培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力及良好的解題習慣．

5 設(shè)計點評

本教學設(shè)計能從學生的實際出發(fā)，以學情視角進行設(shè)計，教師通過引導，讓學生積極主動地進行理論探究和實驗探究，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、探究問題、解決問題的能力．該教學設(shè)計凸顯了學生的主體地位，開拓學生的思維，鍛煉學生的動手能力，增強學生合作與交流的能力，讓學生主動參與其中而不是被動地接受教師的結(jié)論，從而達到培養(yǎng)和發(fā)展學生物理核心素養(yǎng)的目的．同時，該教學設(shè)計教學方法多樣，情境與問題的設(shè)計符合學習目標，知識的展開也能較好地符合學生思維的發(fā)展規(guī)律，教學建議具有較強的針對性和指導性．這樣的教學設(shè)計達到了預(yù)期效果，不僅能充分體現(xiàn)新課改理念和符合學生物理核心素養(yǎng)培養(yǎng)的要求，而且具有很強的操作性和實效性．

改進之處：

(1)遠距離高壓輸電分組實驗，盡管實驗效果十分明顯，但因本實驗升壓變壓器輸出端電壓較高，存在一定的安全隱患，最好選擇實驗效果明顯、安全隱患小一些的實驗器材進行替代．

(2)可以為學生設(shè)計和提供一份優(yōu)質(zhì)的學案，供學生課前預(yù)習和課堂上使用，使課堂效率變得更加高效．