5 电能的输送教学设计高中物理苏教版选修3-2-苏教版2014

5电能的输送教学设计高中物理苏教版选修3-2-苏教版2014备课组Xx主备人授课教师魏老师授教学科Xx授课班级Xx年级课题名称Xx教学内容分析1.本节课的主要教学内容。包括电能输送过程中的能量损耗（焦耳热）、减小损耗的方法（提高输电电压）、远距离输电的基本原理（升压变压器、降压变压器的应用及输电电路结构）。

2.教学内容与学生已有知识的联系。基于学生已学的焦耳定律（Q=I²Rt）、变压器的工作原理（电压比、电流比、功率关系），引导学生将原有知识应用于分析输电实际问题，建立“电压升高-电流减小-损耗降低”的逻辑链条，深化对能量传输的理解。核心素养目标二、核心素养目标通过电能输送过程的分析，形成能量转化与守恒、电功率等物理观念；运用逻辑推理和模型建构，分析输电电压与能量损耗的关系，提升科学思维能力；结合远距离输电电路设计，培养探究解决实际问题的意识；体会电能输送技术在生产生活中的应用，增强科学态度与社会责任。教学难点与重点1.教学重点：电能输送中的能量损耗计算（P损=I²Rt）、高压输电的原理（根据P=UI，提高输电电压可减小输电电流，从而降低损耗）及远距离输电电路结构（升压变压器、输电线、降压变压器的连接关系及功率、电压、电流传递规律）。例如，通过具体数据计算输电电压为10kV和110kV时的损耗对比，明确高压输电的优势。

2.教学难点：理解高压输电中“电压升高-电流减小-损耗降低”的逻辑链条（需结合P=UI和P损=I²R推导），以及输电电路中各部分电压、电流的具体计算（如升压后输电线上的电流I=P/U，输电线电压损失ΔU=IR，降压变压器输入电压U'=U-ΔU）。例如，学生易混淆输电电压与输电线电压损失的关系，需通过实例计算突破。教学方法与策略四、教学方法与策略采用讲授法讲解输电原理，结合案例研究分析实际输电系统。设计角色扮演活动模拟升压降压变压器过程，组织计算竞赛游戏促进参与。使用PPT展示输电电路图，视频演示输电过程，增强直观理解。教学流程1.导入新课（5分钟）

结合学生已学的焦耳定律（Q=I²Rt）和变压器原理（U1/U2=n1/n2，I1/I2=n2/n1），创设实际问题情境：“我国三峡电站向华东地区输电，距离约1000km，若直接用家庭电压220V输送，输电线上损耗的功率会远超输送功率。为什么实际输电要用高达500kV的电压？”引导学生思考输电过程中的能量损耗问题，明确本节课核心——探究电能输送的高效性，衔接课本“电能输送”章节的现实意义。

2.新课讲授（15分钟）

（1）电能输送中的能量损耗分析（5分钟）

讲解输电线上损耗的本质是焦耳热，推导P损=I²R线（R线为输电线总电阻）。举例：某电站输送功率P=2×107W，输电线电阻R线=10Ω，若输电电流I=200A，则P损=200²×10=4×106W，占输送功率的20%；若I=20A，P损=4×104W，仅占0.2%。通过数据对比，明确“电流是影响损耗的关键因素”，突出重点“损耗计算公式及影响因素”。

（2）高压输电的原理与电路结构（6分钟）

结合P=UI，强调在输送功率P一定时，提高输电电压U可减小输电电流I，从而降低P损。引入升压变压器和降压变压器的作用：发电机输出电压U1经升压变压器升为U2（U2>U1），输电线电流I2=P/U2，经降压变压器降为用户电压U3。举例：U1=10kV，升压比1:20，U2=200kV，P=2×107W，I2=100A，R线=10Ω时，P损=100²×10=105W，损耗率0.05%。通过电路图分析（发电机→升压变压器→输电线→降压变压器→用户），明确“升压-降压”结构及各部分功率关系（理想变压器P入=P出），突破“电压升高-电流减小-损耗降低”的逻辑难点。

（3）远距离输电中的电压损失与功率损失计算（4分钟）

讲解输电线上的电压损失ΔU=I线R线（I线为输电线电流），用户端电压U3=U2-ΔU。举例：U2=220kV，I线=100A，R线=20Ω，ΔU=2×103V=2kV，U3=218kV；若I线=200A，ΔU=4kV，U3=216kV。强调“电压损失随电流增大而增大”，结合降压变压器匝数比（U3/U4=n3/n4），计算用户端电压，突破“电压损失与输入电压的关系”难点。

3.实践活动（10分钟）

（1）数据对比计算活动（3分钟）

提供数据：输送功率P=5×106W，输电线电阻R线=5Ω，输电电压分别为U1=10kV、U2=50kV、U3=100kV，计算各情况下的输电电流I、P损、损耗率η=P损/P。学生分组计算并填表（实际教学中可口头汇报），验证“电压越高，损耗越低”，巩固重点“高压输电的优势”。

（2）输电电路模型绘制活动（4分钟）

学生根据课本图示（苏教版选修3-2图5-3），绘制远距离输电电路结构图，标注发电机、升压变压器（原副线圈匝数比n1:n2）、输电线（电阻R线）、降压变压器（原副线圈匝数比n3:n4）、用户负载，并标出各部分电压、电流符号（如U1、U2、U3、U4，I1、I2、I3、I4）。教师巡视指导，纠正错误（如混淆输电线电流与变压器副线圈电流），强化“电路结构”重点。

（3）实际输电方案设计活动（3分钟）

给出任务：某小型水电站输出功率P=1×106W，输出电压U1=250V，输电线电阻R线=10Ω，要求用户电压U4=220V。学生设计输电方案：①计算升压变压器匝数比n1:n2（使U2=10kV）；②计算输电线电流I2=P/U2=100A；③计算降压变压器输入电压U3=U2-I2R线=10kV-1kV=9kV；④计算降压比n3:n4=U3:U4=9kV:220V≈41:1。通过方案设计，综合应用“变压器原理、损耗计算、电压损失”等知识点，突破“实际应用”难点。

4.学生小组讨论（10分钟）

（1）讨论1：“为什么实际输电电压不是无限提高？”（3分钟）

引导学生结合课本“高压输电的技术限制”，举例：绝缘材料耐压能力（如500kV变压器需特殊绝缘材料）、输电线成本（电压越高，对杆架、绝缘子的要求越高）、设备安全性（电压过高易导致电晕放电）。明确“技术成本与效益的平衡”，深化“科学态度与社会责任”素养。

（2）讨论2：“若输电线电阻无法减小（如距离过长），如何进一步降低损耗？”（3分钟）

学生结合P损=I²R线，提出“提高输电电压”或“采用直流输电”（课本拓展内容）。举例：三峡电站至上海采用±500kV直流输电，比交流输电损耗降低约30%。明确“多途径解决实际问题”，培养“科学思维”中的“创新意识”。

（3）讨论3：“输电线电压损失过大时，对用户电器有何影响？”（4分钟）

举例：若ΔU=5%U2，U2=220kV时ΔU=11kV，U3=209kV；若用户额定电压为220V，降压后U4=209V×（1/10）=20.9V（假设降压比10:1），远低于电器工作电压，导致电器无法启动。明确“控制电压损失的重要性”，联系生活实际，体现“物理观念”中的“能量守恒与应用”。

5.总结回顾（5分钟）

梳理本节课核心内容：①电能输送损耗的本质（P损=I²R线）及影响因素（电流、电阻）；②高压输电的原理（P=UI，U↑→I↓→P损↓）及电路结构（升压-输电线-降压）；③远距离输电中的关键计算（电流、电压损失、功率损失、变压器匝数比）。强调重难点：“损耗计算公式”“电压升高与减小的逻辑链”“实际输电方案设计”。结合导入问题，总结“高压输电是减小损耗、实现远距离传输的关键技术”，呼应课本“电能输送”章节的核心目标，强化“科学态度与社会责任”素养。知识点梳理1.电能输送的意义与挑战

电能输送是将发电厂产生的电能通过输电线路传输到用户的过程，其核心挑战是减少输电过程中的能量损耗。远距离输电时，输电线电阻导致电能以焦耳热形式损耗，损耗功率与输电电流的平方成正比，因此降低输电电流是减小损耗的关键。

2.电能输送中的能量损耗

（1）损耗原因：输电线具有电阻R线，电流通过时产生焦耳热，能量转化为内能。

（2）损耗计算公式：P损=I²R线，其中I为输电线中的电流，R线为输电线总电阻。

（3）损耗影响因素：输电电流I（平方关系）、输电线电阻R线（与长度、横截面积、材料有关）。例如，输送功率一定时，输电电流越大，损耗越显著。

3.高压输电的原理

（1）理论依据：输送功率P=UI，当输送功率P一定时，提高输电电压U可减小输电电流I，从而降低P损=I²R线。

（2）核心逻辑：U↑→I↓→P损↓，实现远距离输电的高效性。

（3）电压选择：根据输送距离和功率，选择合适的输电电压（如110kV、220kV、500kV等），需综合考虑技术成本与损耗效益。

4.远距离输电的电路结构

远距离输电系统由以下部分组成，各部分通过变压器连接，实现电压变换和能量传递：

（1）发电机：产生电能，输出电压U1（通常为发电机额定电压，如10kV）。

（2）升压变压器：将发电机输出电压U1升高至U2（U2>U1），减小输电电流。匝数比n1:n2=U1:U2，电流比I1:I2=n2:n1，功率P1=P2（理想变压器）。

（3）输电线：传输电能，电阻为R线，电流I2=I线，电压损失ΔU=I2R线，功率损失P损=I2²R线。

（4）降压变压器：将输电线电压U3=U2-ΔU降低至用户电压U4，匝数比n3:n4=U3:U4，电流比I3:I4=n4:n3，功率P3=P4。

（5）用户：接收电能，实际功率P用=P4=P总-P损。

5.变压器在输电中的应用

（1）升压变压器作用：提高输电电压，降低输电电流，减小损耗。例如，发电机输出U1=10kV，升压比1:20，则U2=200kV，输送功率P=2×107W时，I2=P/U2=100A，若R线=10Ω，P损=100²×10=105W，损耗率0.5%。

（2）降压变压器作用：将输电电压降至用户所需电压（如220V），确保电器正常工作。需考虑输电线电压损失ΔU，降压变压器原线圈电压U3=U2-ΔU，副线圈电压U4由匝数比决定。

（3）理想变压器关系：电压比U1/U2=n1/n2，电流比I1/I2=n2/n1，功率关系P1=P2，忽略能量损耗，实现高效电压变换。

6.输电中的电压损失与功率损失计算

（1）电压损失：输电线上的电压降落ΔU=I2R线，用户端电压U3=U2-ΔU。例如，U2=220kV，I2=100A，R线=20Ω，ΔU=2×103V=2kV，U3=218kV。

（2）功率损失：P损=I2²R线，或P损=(P/U2)²R线（因I2=P/U2）。输送功率P一定时，U2越大，P损越小。

（3）损耗率：η=P损/P=(I2²R线)/P=(P²R线)/(U2²P)=PR线/U2²，表明损耗率与输送功率、输电线电阻成正比，与输电电压平方成反比。

7.远距离输电的实际问题与优化

（1）输电线电阻优化：采用电阻率小的材料（如铝、铜）、增大横截面积、减小输电距离（如建电站靠近用户），但受地理条件限制。

（2）输电电压限制：电压过高会导致绝缘成本增加、设备制造难度大、安全隐患（如电晕放电），需综合技术经济因素选择合理电压。

（3）直流输电优势：远距离输电时，直流输电无感抗、容抗影响，损耗更低（如三峡至上海±500kV直流输电，损耗比交流输电低30%），但需换流设备，成本较高。

8.电能输送中的能量守恒

整个输电过程中，能量守恒定律成立：发电机输出功率P总=P损+P用。其中P损为输电线损耗，P用为用户实际得到的功率。理想情况下（P损→0），P总≈P用，实际需通过高压输电最大限度减少P损，提高能量传输效率。

9.典型输电电路分析

以“发电机-升压变压器-输电线-降压变压器-用户”为例，分析各物理量关系：

（1）升压变压器：U1/n1=U2/n2，I1n1=I2n2，P1=P2。

（2）输电线：I2=I3，ΔU=I2R线，P损=I2²R线。

（3）降压变压器：U3/n3=U4/n4，I3n3=I4n4，P3=P4。

（4）用户端：P用=U4I4，P总=P1=P2=P3+P损=P4+P损。

例如，P总=1×108W，U1=10kV，n1:n2=1:50，R线=25Ω，计算得U2=500kV，I2=200A，P损=200²×25=1×106W，U3=500kV-200A×25Ω=450kV，若U4=220V，则n3:n4=450000:220≈2045:1。

10.教材核心公式总结

（1）输电功率：P=UI（输送功率=输电电压×输电电流）。

（2）功率损失：P损=I²R线=（P/U）²R线。

（3）电压损失：ΔU=IR线。

（4）变压器电压比：U1/U2=n1/n2。

（5）变压器电流比：I1/I2=n2/n1。

（6）能量守恒：P总=P损+P用。

这些公式是分析电能输送问题的核心工具，需熟练掌握并灵活应用于实际计算。典型例题讲解七、典型例题讲解1.例题：某水电站输出功率为2×10⁷W，输出电压为10kV，输电线电阻为20Ω，求直接输送时的功率损失。解：直接输送电流I=P/U=2×10⁷/10×10³=2000A，P损=I²R=2000²×20=8×10⁸W。答案：8×10⁸W。2.例题：若用1:50的升压变压器升压后输送，求输电电流及功率损失。解：升压后电压U2=10kV×50=500kV，I2=P/U2=2×10⁷/500×10³=40A，P损=40²×20=3.2×10⁴W。答案：40A，3.2×10⁴W。3.例题：输电线电压损失ΔU=IR线，若升压后输电线电压为500kV，求用户端降压变压器输入电压。解：ΔU=40A×20Ω=800V=0.8kV，U3=500kV-0.8kV=499.2kV。答案：499.2kV。4.例题：用户需220V电压，降压变压器匝数比应为多少？解：降压比n3:n4=U3:U4=499.2×10³:220≈2269:1。答案：约2269:1。5.例题：比较直接输送与高压输送的损耗率。解：直接输送损耗率η1=8×10⁸/2×10⁷=400%（不合理，说明直接输送不可行）；高压输送η2=3.2×10⁴/2×10⁷=0.16%。答案：直接输送损耗率400%（不可行），高压输送0.16%。内容逻辑关系①电能输送的核心问题：能量损耗（P损=I²R线），原因输电线电阻，关键影响因素电流平方关系。

②高压输电的原理：提高输电电压（U↑），减小输电电流（I↓），从而降低损耗（P损↓），逻辑链U↑→I↓→P损↓。

③远距离输电的系统结构：发电机输出电压U1，升压变压器匝数比n1:n2=U1:U2，输电线电流I2=P/U2，降压变压器匝数比n3:n4=U3:U4，用户端功率P用=P总-P损。课堂小结，当堂检测九、课堂小结，