第五节 远距离输电与电能损失教学设计高中物理粤教版选修2-1-粤教版2005

第五节远距离输电与电能损失教学设计高中物理粤教版选修2-1-粤教版2005课题课型修改日期教具设计意图一、设计意图结合学生已掌握的电功率、电阻知识，通过农村电网改造等实例分析远距离输电电能损失的原因，引导学生推导P损=I²R及高压输电原理，联系课本中输电示意图及功率公式，培养学生解决实际问题的能力，体现物理知识在生活中的应用。核心素养目标二、核心素养目标通过远距离输电能损失的分析，形成“电能输送与转化”的物理观念；推导P损=I²R及高压输电原理，提升模型建构与推理论证的科学思维能力；结合课本输电实例，探究减少电能损失的方法，培养科学探究意识；联系电网改造实际，体会物理技术应用的社会价值，增强科学态度与责任。教学难点与重点1.教学重点，①电能损失计算公式P损=I²R的推导与应用，②高压输电原理在课本输电示意图中的体现。

2.教学难点，①输电线路等效电阻与总电阻的关系辨析，②输送功率、损失功率与用户功率的分配关系，结合课本实例分析实际输电效率。教学方法与策略1.教学方法：采用讲授法结合小组讨论，辅以课本农村电网改造案例研究，引导学生分析电能损失原因。

2.教学活动：设计输电线路模拟实验，小组合作完成高压输电方案设计，强化对P损=I²R公式的应用。

3.教学媒体：利用PPT动态展示课本输电示意图，配合动画演示升压降压过程，突破抽象概念理解难点。教学过程设计：**导入环节（5分钟）**

展示课本中“农村电网改造前后对比图”，提问：“为什么改造后远距离输电的电能损失显著减少？直接用220V电压给远处村庄供电可行吗？”引导学生回忆电功率公式P=UI和焦耳定律Q=I²R，引发对“如何减少远距离输电损失”的思考，激发探究兴趣。

**讲授新课（20分钟）**

1.**电能损失的原因（5分钟）**

结合课本图5-5“远距离输电示意图”，提问：“输电线上能量损失的形式是什么？”学生回答“电流热效应”，教师总结P损=I²R，强调R为输电线总电阻（R=ρL/S），引导学生得出结论：L长、S小导致R大，I大导致P损大。

2.**P损=I²R的推导与应用（8分钟）**

教师引导学生推导：由P输=UI得I=P输/U，代入P损=I²R得P损=(P输/U)²R，提问：“若P输和R不变，如何减小P损？”学生小组讨论后回答“增大U”，教师结合课本例题计算：P输=10kW，R=10Ω，U=10kV时P损=1W；U=200V时P损=2500W，直观验证高压输电必要性。

3.**高压输电原理与设备（7分钟）**

展示课本图5-6“输电系统示意图”，讲解升压变压器（提高U，减小I）、降压变压器（降低U，供用户使用），用模拟实验演示：低压输电（U=2V）时小灯泡暗（I大，P损大），高压输电（U=10V）时灯泡亮（I小，P损小），学生记录数据并分析原因，深化对“高压减损”的理解。

**巩固练习（15分钟）**

1.**基础计算（5分钟）**

完成课本P92“问题与练习”第1题：某电站输出功率100kW，输电线电阻20Ω，用10kV和110kV输电，求P损比。学生独立计算后小组核对，教师强调公式P损=(P输/U)²R的应用。

2.**方案设计（7分钟）**

小组任务：“设计从电站（P=50MW）到300km外工厂的输电方案，要求P损≤2%。”提供输电线电阻率数据，学生讨论横截面积选择，教师巡视指导，小组展示方案并说明依据，师生点评“经济性与安全性平衡”。

3.**拓展讨论（3分钟）**

提问：“特高压输电（1000kV以上）的优势与挑战？”学生结合课本阅读材料回答，教师补充我国特高压技术发展，渗透“科技服务社会”的责任意识。

**小结作业（5分钟）**

学生总结：“远距离输电的关键是高压减损，核心公式P损=I²R和P损=(P输/U)²R”，教师补充强调“升压-输电-降压”流程。作业：调查本地电网输电电压，撰写“高压输电与生活”短文。教学资源拓展：1.拓展资源

（1）物理原理深化资源：教材中P损=I²R的推导可结合非纯电阻电路功率分配进一步拓展，分析输电线电阻随温度变化的规律（R=R₀(1+αΔt)），补充不同材料（铜、铝、钢芯铝绞线）的电阻率对比数据，理解实际工程中导线材料选择的依据。

（2）技术发展史资源：梳理远距离输电技术演进，从爱迪生主张低压直流输电到特斯拉推动交流输电，再到我国特高压输电（1000kV交流±800kV直流）的技术突破，结合课本图5-6输电系统示意图，对比不同电压等级下的输电效率与经济性。

（3）实际工程案例资源：以西电东送工程为例，分析三峡电站至上海输电线路（距离约2000km）的电压等级选择（500kV交流±800kV直流），计算不同方案下的P损占比，理解“高压直流输电”在远距离、大容量场景下的优势，关联课本中“减少电能损失的方法”实际应用。

（4）跨学科联系资源：结合数学函数图像（P损-U²反比关系），用Excel绘制P损随输电电压变化的曲线，直观展示高压减损效果；结合地理知识，分析我国“西电东送”“北电南供”的能源分布与输电线路规划逻辑，深化“物理服务社会”的认识。

（5）前沿科技动态资源：介绍超导材料（如高温超导带材）在输电中的应用原理（零电阻无P损），我国已建成超导电缆示范工程（如云南昆明35kV超导电缆），对比传统输电的能效提升；柔性直流输电技术（如张北柔性直流电网）在新能源并网中的优势，关联课本“电能输送与转化”的物理观念。

2.拓展建议

（1）教材内容深化建议：重读课本P92“问题与练习”第2题（不同输电电压下的P损计算），拓展思考“若输电线横截面积增大一倍，P损如何变化？是否经济？”，结合电阻定律R=ρL/S分析材料成本与电能损失的平衡。

（2）实地观察建议：观察学校附近电线杆上的变压器（注意安全安全），记录铭牌上的“电压比”（如10kV/220V），理解降压变压器在用户端的作用；查阅本地电力公司公开资料，了解城区配电网的电压等级（如220V居民用电、10kV工业用电），关联课本“输电系统示意图”中的环节划分。

（3）模型实验建议：用学生电源（0-24V可调）、不同长度（1m/2m）的镍铬合金丝（模拟输电线）、小灯泡（“220V40W”降压后作为负载）模拟输电电路，测量不同电压（6V/12V/18V）下的输电电流I和灯泡两端电压U负载，计算P损=I²R线和P用户=U负载I，对比数据验证高压输电的减损效果。

（4）政策与科技建议：关注国家能源局《“十四五”现代能源体系规划》中关于特高压输电的内容，如“陕北-湖北”“白鹤滩-江苏”等特高压线路的技术参数（输电容量、距离、电压），分析其对“双碳”目标的贡献（减少火电运输损耗，促进清洁能源消纳）。

（5）跨学科探究建议：小组合作完成“家庭用电节能方案”设计，结合远距离输电原理，分析空调、热水器等大功率电器“错峰用电”对电网负荷的影响，计算若全国10%家庭在23:00后使用大功率电器，可减少的输电P损总量，撰写简短报告体现“科学态度与责任”。课堂小结，当堂检测：**课堂小结**

本节课围绕“远距离输电与电能损失”展开，核心结论包括：①电能损失主要由输电线电阻热效应引起，计算公式为P损=I²R；②由P输=UI推导出P损=(P输/U)²R，说明增大输电电压可显著减少损失；③高压输电需通过升压变压器提高电压，降压变压器降低电压供用户使用，流程为“升压→输电→降压”。以上结论均基于课本图5-5、图5-6的输电系统示意图及功率关系推导得出，强调高压输电是减少远距离电能损失的关键技术。

**当堂检测**

1.计算题：课本P92“问题与练习”第1题变式——某电站输出功率为200kW，输电线总电阻为5Ω，分别以10kV和110kV电压输电，求两种情况下的P损及损失功率占比。（5分钟）

2.应用题：结合课本图5-6，若输电功率P输=100MW，输电距离500km，输电线电阻率ρ=2.7×10⁻⁸Ω·m，横截面积S=400mm²，要求P损≤5%，计算所需的最小输电电压，并说明升压变压器的作用。（8分钟）

3.简答题：课本P93“思考与讨论”——为什么远距离输电不直接采用高电压给家庭供电？结合降压变压器功能说明。（2分钟）课后作业：1.计算题：课本P92“问题与练习”第1题变式——某电站输出功率200kW，输电线总电阻5Ω，分别以10kV和110kV电压输电，求两种情况下的P损及损失功率占比。

答案：10kV时P损=200W，占比0.1%；110kV时P损=0.166W，占比0.00083%。

2.应用题：结合课本图5-6，若输电功率P输=100MW，输电距离500km，输电线电阻率ρ=2.7×10⁻⁸Ω·m，横截面积S=400mm²，要求P损≤5%，计算所需的最小输电电压。

答案：最小输电电压U=√[(P输²ρL)/(S·P损)]≈500kV。

3.简答题：课本P93“思考与讨论”——为什么远距离输电不直接采用高电压给家庭供电？

答案：降压变压器将电压降至安全范围（220V），避免设备损坏和触电风险。

4.分析题：某输电线路长200km，导线电阻率ρ=1.7×10⁻⁸Ω·m，横截面积S=300mm²，输电功率50MW，若输电电压从220kV升至500kV，P损减少多少千瓦？

答案：P损减少≈2.1×10⁶kW。

5.设计题：参考课本“高压输电”内容，设计一条从电站（P=30MW）到100km外工厂的输电方案，要求P损≤1%，选择合适的输电电压并说明依据。

答案：选择220kV电压，依据P损=(P输/U)²R≤1%，计算验证可行性。内容逻辑关系：①问题提出与原因分析：重点词“电能损失”“输电线电阻”“热效应”；重点句“远距离输电中能量损失主要形式为电流热效应，计算公式为P损=I²R”，关联课本图5-5输电示意图，明确损失与电阻R的关系。

②原理推导与解决方案：重点词“高压输电”“升压变压器”“降压变压器”；重点句“由P输=UI得I=P输/U，代入P损=I²R得P损=(P输/U)²R，增大输电电压可显著减少损失”，结合课本图5-6输电系统示意图，说明升压、降压环节的作用。

③知识应用与实际意义：重点词“输电效率”“实际应用”“社会价值”；重点句“高压输电流程为升压→输电→降压，需平衡损失与安全”，关联课本例题计算及西电东送案例，体现物理技术对能源传输的优化作用。反思改进措施：（一）教学特色创新

1.实验可视化：用低压模拟实验动态展示输电损耗，学生直观理解高压减损原理，比纯理论推导更易接受。

2.案例本土化：结合本地电网改造数据（如某县10kV升110kV工程），让学生计算实际损耗变化，增强代入感。

（二）存在主要问题

1.时间管理：小组