沙盘式数显型“远距离输电”实验器，本文主要内容关键词为：沙盘论文,数显论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、教学实验现状与不足 远距离输电是电磁学在社会生产生活中的重要实践应用之一。目前高中物理课堂教学的常见方式是通过阅读教材提供的图片资料或多媒体观看相关视频资讯，引发学生的联想；接着通过理论建模、分析电路，进行习题应用。虽然课本和教师用书中都配有远距离输电模型实验的插图，但实验室并没有配备这套器材，只能是动手能力强的教师自制。 受制作材料和技术所限，目前已有的实验装置大多是示教板式的[1]。在竖立起来的面板两侧，分别设置电源（学生电源交流挡）和用电器（灯泡），中间通过几十米长的铜导线或者几十厘米长的镍铬合金线作为远距离输电的线电阻，架设起直接输电和高压输电的两套电路，高压输电电路途经升压变压器和降压变压器，可以定性比较相同的电源电压通过两种输电方式后用电器灯泡的亮暗，说明输电效率的优劣。更有创意的教师会考虑在输电线路上设计反映线路热损耗的装置，如使气体温度计示数上升[2]、导线涂黄油冒烟等[3]。 自制实验器材用于课堂演示，能够帮助学生认识物理现象、降低规律的理解难度，有助于提高课堂教学质量。但现有的示教板式实验器仍然只能展示出理论电路模型及定性对比效果，学生能够认可高压输电的优势并把它作为结论牢牢记住。但是，示教板式实验器对于建模的过程和高压输电中几个易混淆的电压、电流参数的理解没有帮助，学生仍然被动地被引导为通过理论解题来分析输电损耗和输电效率。因而笔者思考，能否改进制作实验器，让它从现象到理论、从定性到定量；既可直观的把握电路全貌，便于比较建模；又能测量显示电路中几个易混淆的电压、电流参数，更简单清楚地说明电路上的损耗和效率问题。 二、实验器构成与制作 1.发电沙盘（电源部分） 发电端用学生电源交流8V挡（允许最大电流3 A），模拟发电站输出的民用电压，输出后分为三个支路。一支路并联4只“6V 0.3 A”的灯泡作为未经过远距离输电的本地用电器；一支路直接连接到下一级输电面板即直接输电端；一支路接入6～220V升压变压器
=36:1，再输出到输电面板即高压输电端。电源直流8V驱动水力发电站的水轮机和装饰蓝光LED灯带。电路如图1所示。
制作材料选取废旧泡沫塑料盒、瓦楞纸板、硬卡纸、面纸与白乳胶调和纸浆、塑料片、硬木棒木片、彩色颜料等。切割泡沫塑料盒搭建山体地势，用纸浆定型、颜料上色；纸板卡纸用于制作水域范围和水坝等建筑；水坝设有可以开关的拦水闸门、安装水轮机模型；剖面可以便于观察泄洪时水流驱动水轮机的过程。通过开关控制变电站工作，本地建筑灯泡亮起；两路输出导线从手工制作的输电塔上通过。 2.输电面板（数显测量） 输电部分用白色面板，尺寸为50 cm×40 cm，支架竖立。采用相当于60 m铜导线电阻值的镍铬合金线，组成远距离输电回路，制作两组完全相同的输电回路，分别接入高压输电端和直接输电端，每组线路电阻2R=5.6 Ω。镍铬线部分裸露，便于在其附近安装温度传感器探头。输送前和输送后各并联数显电压表头（型号D85-222、AC0～600 V、测量精度0.5%）测量输送前电压
和输送后电压
，回路中串联数显电流表头（型号D85-240 T，AC0～1.999 A、测量精度0.5%），温度传感器探头连接数显温度计（5135型、-50～150℃、分辨率0.1℃、每秒采样2次）。各仪表统一用市电供电，线路走线设置在面板背面并做好绝缘隔离保护。各接口处用香蕉头接线柱便于快速导线连接。如图2所示。
3.城市沙盘（用电部分） 经过两路远距离输电后到达城市的电能接入城市用电回路，用一个两挡拨动开关（250 V，3 A）来控制选择。高压输电电路需通过220～6 V降压变压器
=36，实现比较两种输电方式的最终效果。城市用电回路由4只“6 V 0.3 A”的灯泡和2组白色、彩色LED灯带并联组成，各支路均由开关控制实现灯泡逐个亮起的比较效果，LED灯带需串联限流电阻
=100 Ω，如图3所示。
城市沙盘是福州市东部新城的缩影，用纸板、草皮、水波纹塑料等材料制作出闽江、东江滨大道、花海公园、鼓山大桥、东部办公区，以及海峡国际会展中心等福州市民熟悉而引以为傲的建筑群体。变压器等电路主要元件清晰直观，4只灯泡分布在主要建筑的显著位置便于观察比较，LED彩灯则环绕周围、点亮闪烁的闽江，宛如华彩的夜景。 三、定量数据分析 以电能的远距离传输为例。把发电沙盘和用电沙盘各放置于教室的前后，中间使用4m长铜导线连接（用铁架台支起），演示“发电—升压—输电—降压—用电”的全过程。对比高压输电和直接输电的定性结果。 从输电面板上读取
、
、I数据，处理得到电压损耗△U、功率损耗△P，以及输电效率η，随着并联用电器的增多，可动态得到五组分析数据，定量探究结果与理论对照。观察两种输电方式下数显温度计的示数变化，看到线路的热损耗。 直接输电时，用一条铜导线代替输电回路中的一条镍铬线，即减小线路电阻，可以看到灯泡立刻变亮，线路损耗数值减小；或者根据滑动变阻器原理，将铜导线一头夹在接线柱上，另一头金属部分在镍铬线上滑动，逐渐改变线路电阻观察现象。 在输电面板的数显仪表上读取输送前电压
、输送后电压
、输电线电流I，可求得 输电线上电压损失：
输电线上功率损失：
输送总功率：
输电效率：
所得数据如下页表1、表2所示。
分析表1、表2数据可知，在其他条件不变的情况下，并联用电器数量增加，两种输电方式的输电总功率P都随之增大。直接输电中由于输电回路中电流增大，导致输电线路上的功率损耗增大，输电效率大幅度下降，用电器电压过低而无法工作，同时温度计显示线路附近空气温度在1 min内从正常室温上升8℃。改用高压输电后，输电总功率提高，线路消耗很小，输电效率维持在99%以上，温度计示数不发生变化，但用电器电压仍因为并联电阻的减小而减小，并联用电器数量增多时灯泡变暗。 四、多功能使用方法 实验器可以整体使用如图4，其中发电沙盘和用电沙盘还可以分离独立使用，与中学物理多个知识点结合的多功能创新应用。
1.合理利用机械能 单独使用发电沙盘模拟演示水力发电时能量转化的过程。 2.串联和并联电路 单独使用城市用电沙盘，演示用电器的并联效果。在依次接通用电沙盘上的4只照明灯泡时，观察到并联的灯泡越多灯泡越暗这一现象。从而理论建模、分析电阻的分压分流原理。 3.高压触电及其防护 在输电面板上，用多用电表或者灯泡检验高压输电回路上两条导线之间的电压，检验一条导线上两点之间的电压，检验一条导线与大地之间的电压，说明高压触电的原理。
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