Конспект урока физики в 9 классе "Получение и передача электроэнергии"

Автор: Янсон Юлия Николаевна

ГБОУ "Школа № 342 Невского района Санкт-Петербурга"

 

Обучающие цели урока: Усвоить следующие элементы неполного опыта учащихся в рамках отдельного урока: 

- физические основы производства электрической энергии;

- понятие о необходимости передачи электрической энергии на большие расстояния;

- ознакомление учащихся с решением научно-технических и экономических проблем при осуществлении передачи;

- схемы передачи энергии, распространенные в современной технике.

Развивающие цели урока:

- формирование научного мировоззрения на основе знаний о производстве, передаче электроэнергии;

- развитие аналитико-синтетического и образного мышления учащихся, побуждение учащихся к осмыслению и нахождению причинно-следственных связей.

Воспитательные цели урока:

- развитие эстетического восприятия материала, используя в презентации оригинальный дизайн и эффекты анимации;

- воспитание культуры восприятия теоретического материала с помощью компьютера и приборов для показа получения и передачи электрической энергии;

- воспитание патриотизма, любви к своей Родине.

Оборудование: Ноутбук, мультимедийный проектор, письменные и чертежные принадлежности, модель генератора переменного тока, электрическая лампочка на подставке, соединительные провода, два изолирующих штатива на подставке, макет трансформатора понижающего, трансформатора повышающего( или схема), карты районов Северо-Запада.

План урока:

1. Повторение материала прошлых уроков:

- явление электромагнитной индукции (определение, когда наблюдается, где встречали, от чего зависит величина индукционного тока)

- трансформатор: устройство и принцип действия, повышающий и понижающий трансформатор, назначение.

2. Новый материал: знакомство с назначением и основами работы электростанций различного типа.

3. Технологии критического мышления: работа в группах.

Изучение теории отдельных этапов получения и передачи электроэнергии, выполнение практических заданий каждой группой.

4. Создание макета обеспечения электроэнергией региона России (на примере Кольского полуострова).

Этапы урока:

1. Повторение: пределение явления электромагнитной индукции: когда наблюдается,  где встречали, от чего зависит величина индукционного тока, устройство и принцип действия трансформатора, повышающий и понижающий трансформатор, назначение.

2.  Знакомство с назначением и основами работы электростанций различного типа.

Показ презентации «Электростанции»

3. Работа в группах. (Роль и действия учителя: координация  процесса разбора и понимания материала, контроль времени работы, помощь при затруднениях).

Пояснения:

Работа планируется как веб-квест. В случае отсутствия в классе выхода в интернет с нескольких компьютеров - как квест с привлечением печатных материалов.

Планируется, что обучающиеся научатся работать в команде; помогать друг другу; смогут освоить работу с очередным прибором; попробуют свои силы в выявлении закономерностей; научатся критически подходить к своей работе. Планируется, что ученики продолжат получать навыки работы с текстом. Также в планы обучения в данной игре входит практическая  работа с генератором электрического тока.

Класс делится на 5 групп: Практики, Проектировщики, Электрики, Теоретики, Экологи ( по 3-5 человек в каждой группе) Учитель должен координировать этот процесс, зная детей в классе.

Группы получают задание в конвертах.

1 Группа Теоретиков:

Задание: Обосновать выбор переменного тока для передачи электроэнергии.

Потребители электроэнергии имеются повсюду. Производит­ся же она в сравнительно немногих местах, близких к источникам топливных и гидроресурсов. Поэтому возникает необходимость передачи электроэнергии на расстояния, достигающие иногда сотен километров.

Но передача электроэнергии на большие расстояния связана с заметными потерями. Дело в том, что, протекая по линиям электропередачи, ток нагревает их. В соответствии с законом Джоуля-Ленца, энергия, расходуемая на нагрев проводов ли­нии, определяется формулой Q=I2Rt, где R — сопротивление линии. При большой длине линии переда­ча энергии может стать вообще экономически невыгодной. Для уменьшения потерь можно, конечно, идти по пути уменьшения сопротивления R линии посредством увеличения площади попе­речного сечения S проводов( R=ρl/S, где ρ- удельное электрическое сопротивление металла, l-длина проводов, S- площадь их поперечного сечения). Но для уменьшения R, к примеру, в 100 раз нужно увеличить массу провода также в 100 раз. Ясно, что нельзя допустить такого большого расходования дорогостоя­щего цветного металла, не говоря уже о трудностях закрепления тяжелых проводов на высоких мачтах и т.п. Поэтому потери энергии в линии снижают другим путем: уменьшением тока в ли­нии. Например, уменьшение тока в 10 раз уменьшает количество выделившегося в проводниках тепла в 100 раз, т. е. достигается тот же эффект, что и от стократного утяжеления провода.

Так как мощность тока пропорциональна произведению силы тока на напряжение

P=I*U, то для сохранения передаваемой мощности нужно повысить напряжение в линии передачи. Причем, чем длиннее линия передачи, тем выгоднее использовать более высо­кое напряжение. Так, например, в высоковольтной линии переда­чи Волжская ГЭС — Москва используют напряжение в 500 кВ. Между тем генераторы переменного тока строят на напряжения, не превышающие 16—20 кВ, так как бо­лее высокое напряжение потребовало бы принятия более слож­ных специальных мер для изоляции обмоток и других частей генераторов.

Поэтому на крупных электростанциях ставят повышающие трансформаторы. Трансформатор увеличивает напряжение в ли­нии во столько же раз, во сколько уменьшает силу тока. Потери мощности при этом невелики.

За счет трансформатора, изменяя витки в катушках, можно регулировать значение электрического тока.

Если мы уменьшим количество витков, то можем изменить и значение электрического тока. Мы можем его уменьшить, и потери электрического тока при передаче тоже уменьшатся.

Если мы все это примем во внимание, то можем сказать следующее. Трансформатор дает возможность уменьшить значение электрического тока и увеличить при этом напряжение электрического тока. Таким образом, удобно передавать переменный электрический ток.

Когда такой электрический ток приходит уже непосредственно к нам в квартиры, то включают другой трансформатор, который называется понижающим. В этом случае напряжение уменьшается до 220 Вт, но сила тока в цепи возрастает.

Этот электрический ток мы используем в бытовых приборах.

Вопросы: 1) можно ли передавать постоянный электрический ток по проводам?

2)  Почему этого не делают?

3) В чём преимущества передачи переменного электрического тока по сравнению с постоянным?

4) Существуют ли потери при передаче переменного тока? Как с этим справляются?

2 Группа Практиков:                                               

Задание: изучить теорию, собрать генератор из частей и показать его действие, объяснить принцип действия.

Выдаётся модель генератора, соединительные провода, амперметр (гальванометр), модель турбины.

Теория:

Устройство, которое дает возможность получить электрический ток, называется генератором.

Идея получения электрического тока таким способом впервые пришла Майклу Фарадею. В его рисунках даже сохранился чертеж первого генератора.

Большинство генераторов – это так называемые  электромеханические генераторы, в них за счет механического движения подвижной части такого генератора создается переменный электрический ток.

Что же такое переменный электрический ток? Переменным электрическим током называют такой ток, который периодически изменяется по своей величине, модулю и направлению.

На сегодняшний день вся промышленность использует именно переменный электрический ток. Объясняется это тем, что очень удобно, во-первых, получить переменный электрический ток, а во-вторых, удобно передавать его на большие расстояния. Вот поэтому в мире везде и всюду используется именно переменный ток. Обозначают его на всех схемах волнистой линией.  

Основные части генератора электрического тока: ...

Принцип действия: параграф 50 учебник А.В. Пёрышкин, Е.М. Гутник. Физика 9 класс. М.,»Дрофа», 2002г.

3 Группа Проектировщиков:

Задание: После просмотра презентации о существующих типах электростанций и изучения приложенных карт региона выберите те(ту), которые(которую) наиболее целесообразно построить в данном регионе для обеспечения электроэнергией города.

Виды электростанций:

Тепловая электростанция

Гидроэлектростанция, приливная электростанция

Атомная электростанция

Ветряная электростанция

Солнечная электростанция

Регион: Кольский полуостров, город: Мурманск.

Обоснуйте выбор  с точки зрения:

наличия природных ресурсов, необходимых для работы станции;

удалённости от потребителя (учтите, где и кто будет пользоваться электроэнергией?);

дороговизны/дешевизны сопутствующих материалов( провода, опоры ЛЭП),  доставки электроэнергии.

4 группа Электриков.

Задание: изучить теорию,  выбрать наиболее оптимальные материалы для ЛЭП.

Если мы будем рассматривать отдельно каждую линию электропередач (кратко ее называют ЛЭП), то каждая такая линия отдельно разрабатывается для конкретной электростанции, с которой мы получаем электроэнергию. На пути ее передачи устанавливаются трансформаторные станции, которые меняют напряжение переменного электрического тока.

Электроэнергию не удается консервировать в больших масштабах. Она должна быть потреблена сразу же после получения. Поэтому возникает необходимость в передаче  электроэнергии на большие расстояния. Передача энергии связана с заметными потерями.

Потери можно несколько уменьшить, увеличивая сечения проводов, сокращая тем самым  их сопротивление. Кроме тепловых потерь, в линии возможны потери вследствие излучения радиоволн проводами длинной линии.

Для уменьшения потерь на излучение применяют металлические трубы, называемые волноводами.

Проблему потерь  можно было бы решить, повышая напряжение в линии передач, но с повышением напряжения возникает разряд между  проводами, приводящий к потере электроэнергии, следовательно, к потере мощности тока. 

Вторая проблема передачи электроэнергии на расстояние: 

Возникновения разряда между проводами при очень высоком напряжении, приводящего к потерям энергии, к потере мощности тока. 

На воздушных линиях электропередачи напряжением выше 1000 В применяют голые провода и тросы. Находясь на открытом воздухе, они подвергаются воздействиям атмосферы (ветер, гололед, изменение температуры) и вредных примесей окружающего воздуха (сернистые газы химических заводов, морская соль) и поэтому должны обладать достаточной механической прочностью и быть устойчивыми против коррозии (ржавления).

Раньше на воздушных линиях применялись медные провода, а теперь используют алюминиевые, сталеалюминевые и стальные, а в отдельных случаях и провода из специальных сплавов алюминия – альдрея и др. Грозозащитные тросы выполняются, как правило, из стали.

Медные провода.

Медные провода, изготовленные из твердотянутой медной проволоки, обладают малым удельным сопротивлением (ρ = 18,0 Ом × мм2/км) и хорошей механической прочностью. Успешно противостоят атмосферным воздействиям и коррозии от вредных примесей в воздухе.

Медь в настоящее время является дефицитным дорогостоящим материалом, поэтому в качестве проводов воздушных линий электропередачи практически не используется.

Алюминиевые провода.

Алюминиевые провода отличаются от медных значительно меньшей массой, несколько большим удельным сопротивлением (ρ = 28,7…28,8 Ом × мм2/км) и меньшей механической прочностью. Алюминиевые провода применяют главным образом в местных сетях. 

Чтобы избежать больших стрел провеса и обеспечить требуемый  минимальный габарит линии до земли, приходится уменьшить расстояние между опорами, а это удорожает линию.

Для повышения механической прочности алюминиевых проводов их изготовляют многопроволочными, из твердотянутых проволок.                                                                            

Хорошо перенося атмосферные воздействия, алюминиевые провода плохо противостоят воздействию вредных примесей воздуха. Поэтому для воздушных линий, сооружаемых вблизи морских побережий, соленых озер и химических предприятий, рекомендуются алюминиевые провода, защищенные от коррозии (алюминиевые коррозионно-стойкие, с заполнением межпроволочного пространства нейтральной смазкой).

Стальные провода.

Стальные провода обладают большой механической прочностью. Стальные провода бывают как однопроволочными, так и многопроволочными.

Удельное электрическое сопротивление стальных проводов значительно выше, чем алюминиевых, и в сетях переменного тока оно зависит от величины тока, протекающего по проводу. Стальные провода применяют в местных сетях напряжением до 10 кВ при передаче сравнительно небольших мощностей, когда сооружение линий с алюминиевыми проводами менее выгодно.

Существенный недостаток стальных проводов и тросов – подверженность коррозии. Для уменьшения коррозии провода оцинковывают. 

Сталеалюминиевые провода

Сталеалюминевые провода имеют то же удельное сопротивление, что и алюминиевые провода равного им сечения, так как в электрических расчетах сталеалюминевых проводов проводимость стальной части не учитывается ввиду ее незначительности по сравнению с проводимостью алюминиевой части проводов.

Конструктивно стальные проволки составляют внутреннюю часть сталеалюминевого провода, а алюминиевые проволки – внешнюю. Сталь предназначена для увеличения механической прочности, алюминий является токопроводящей частью.

Предназначен для прокладки на побережье морей, соленых озер и в промышленных районах с загрязненным воздухом.

Провода из альдрея.

Провода из альдрея обладают примерно тем же электрическим сопротивлением, что и алюминиевые, но имеют большую механическую прочность. Альдрей представляет собой сплав алюминия с незначительными количествами железа (0,2 %), магния (0,7 %) и кремния (0,8 %); по коррозийной стойкости он равен алюминию. Недостаток проводов из альдрея – их малая стойкость при вибрации. 

Группа  Экологов.

Задание: Подготовить мероприятия по охране окружающей среды при использовании электростанций.

В Мурманской области действуют одна атомная, 17 гидравлических и три тепловых электростанции суммарной мощностью 1790 тыс. кВт.

Тепловые станции, расположенные в городах Мурманской области, загрязняют воздух выбросами золы, сернистого ангидрида и других вредных веществ, поскольку мазутные станции не оборудованы системами очистки отходящих газов.

Наиболее "чистыми" в экологическом отношении справедливо считаются гидроэлектростанции, некоторых практически отсутствуют сбросы и выбросы загрязняющих веществ. Тем не менее, вред природе они нанесли и наносят. Наибольший ущерб здесь связан с затоплением огромных площадей искусственными водохранилищами, что вызвало существенные потери леса, преграждение путей и ликвидацию традиционных мест нереста ценных пород рыб. В процессе эксплуатации ГЭС отмечались случаи сброса воды из водохранилищ больше обычного, что вызывало неоднократное обсыхание прибрежной полосы и гибель отложенной икры. Эти потери пока никто не считает и не учитывает, относя их по-прежнему на счет капризов природы.

Кольская атомная электростанция за двадцать лет эксплуатации каких-либо неприятностей для природы не доставила, но ее потенциальная способность проявить себя в этом достаточно велика, особенно если учесть, что первые два реактора вскоре выработают нормативные сроки эксплуатации.

4. Создание макета обеспечения электроэнергией региона России (на примере Кольского полуострова).

Каждая группа рассказывает о своих выводах в работе и заполняет определённую часть макета на доске. (При наличии нескольких компьютеров возможен вариант электронного макета).

Используются заранее заготовленные макеты приборов, устройств и т.д.

Потребности в электроэнергии постоянно растут. Стабильность энергетики и ее современное техническое оснащение необходимо для нормального развития страны. И, возможно, электроэнергетика сыграет не последнюю роль в восстановлении экономики России.

Домашнее задание: параграф 50, рассказ о производстве и передаче электроэнергии в Санкт-Петербурге.

 

Литература:

А.В. Пёрышкин, Е.М. Гутник. Учебник Физики для 9 класса. М.,»Дрофа», 2002г.