高中物理选修第二节 电力和电信的发展和应用-教学建议

第二节电力和电信的发展和应用教学建议l.发电机和电动机的出现是人类能源利用史上又一次重要的转折，电力的应用是继蒸汽机后的第二次技术革命。19世纪，电力技术和电工业的发展，是把电磁学实验和科学理论所取得的惊人成果迅速运用到工业生产上的结果。电的应用包括电动力的应用及电通信、电照明和电器用电的应用等方面。教材从电动机和发电机的物理学原理入手，介绍了从理论模型到实际制造出电机的历程，以及怎样解决发电站建设、电的远距离输送等技术问题。教材还介绍了电能应用的其他方面，即电照明与电通信，关于电力技术应用所产生的影响，教材概括了三个方面。一个是，第二次技术革命开辟了电力时代，创造了第一次技术革命望尘莫及的社会生产力；第二是，在第二次技术革命中，产业技术与科学出现了新的关系，即科学引领生产技术；第三是，第二次技术革命不仅解决生产的动力问题，而且给人类的生活，特别是家庭生活带来了更大的变化。本节教材的内容结构概括如下：“电力和电信的发展与应用”教材结构框图2．与蒸汽机的发明不同，无论是电动机进是发电机都首先是在实验室里出现的。电动机和发电机的最初的实验模型，都出自于同一个人，即法拉第。学生对奥斯特发现电流的磁效应和法拉第发现电磁感应现象是了解的，需要让学生清楚的是，电动机和发电机的模型不是生产经验的总结，也不是简单的技术发明，而是实验室的研究成果。奥斯特发现电流磁效应的那种装置，实际上也是一种最初始的电动机实验装置。只是他的实验装置过于简陋，因此还算不上真正的电动机模型。但是，它已实实在在地向人们揭示了把电能转化为机械能的可能性。法拉第对奥斯特的实验装置进行了一些改进，1821年，法拉第就试制出了一种带电导体围绕直立磁铁旋转的电动机模型。但是，他没有进一步进行电动机的研制，而是致力于发电机的探索。1831年．法拉第在发现感应电流的基础上曾试制出一种最初的发电机的实验模型，见教材图4.2-2。3．电动机与发电机总称为电机，在电机发展史上，电动机的诞生要比发电机早。教材中设置了个思考与讨论的题目：从理论模型到制造出实际电机，你认为需要解决哪些技术问题。设置这个题目的初衷是希望同学在了解了电动机和发电机基本原理的基础上，结合教材中图4.2-1和图4.2-2给出的电动机和发电机的最初模型，进行思考，并从而明确模型只是解决了原理问题，或者说证明了技术实现的可能性，还需要技术进一步发展和完善解决一些相关的问题，才能真正在实际中得到应用。但是，由于学生对电机发展的历史不熟悉，对这个题目一下子难以把握。处理这一问题的途径有两条：一是，将思考与讨论的题目进一步具体化；二是，提供一些历史资料，让学生去分析。在参考资料部分，给出了电机发展史的一些资料。4．电机自身的问题得到解决的同时，电力的广泛应用还需要解决发电站建设、电的远距离输送等技术问题。最终，电能的生产、输送、分配和消费都在同时进行，因此，必须把发电、输电、变电、配电和用电有机地联成一个整体，形成电力系统。可以组织学生参观发电厂、变电站等，增加学生的感性认识。5．与热能相比，电能具有突出的优点：首先，电能可以集中生产，分散使用，便于传输和分配；而蒸汽动力无法远距离传输，而且近距离传输也要通过曲柄、飞轮、皮带等复杂的传动系统，能量损耗多。其次，电能便于和其他形式的能量转换，很容易转化为热、光、机械、化学等多种形态的能量，可以满足生产和生活多方面的需要，其他多种形态的能量也易于转变为电能，便于电能的生产；蒸汽机只能将热能转化为机械能。第三，电能易于实现快速、精确的控制，能有效地促进生产过程的机械化与自动化；而蒸汽机与传动装置之间有相当固定的体系，这样就使蒸汽机作为动力装置与工作机的排列被限制在比较狭窄的范围内。这还可以让学生结合自己日常观察和生活经验去分析和体会。6．电能的直接应用主要有三个大的方面。一是，电能的应用在工业生产中取代蒸汽动力而成为一种新的动力。二是，电通信成为人们信息传递的一种手段。三是，电照明以及家用电器改变了人们的生活方式。后两个方面，因为与人们的生活联系十分紧密，学生可以通过自己的生活经验与日常的接触，认识到电能的使用对社会发展起到的促进作用。7．本节的重点之一是围绕电能作为一种能源形式所产生的社会影响。通过介绍电力技术带动相关技术的发展，主要是让学生了解，科学技术的进展具有连锁反应。像电力技术就比较突出地体现了这一点。进入20世纪后，电力很快取代了蒸汽动力。不仅通过带动相关技术的发展而带动一系列新兴产业部门的崛起，而且由于电力作为新的动力供给，使纺织、机器制造、冶金、食品、化工等传统工业部门焕然一新。20世纪初，由于美国和德国在发展电力工业方面走在各国的前面，使美国和德国在竞争中处于优越地位，从而造成一些发达国家经济实力的排序发生了变化。经济实力排序发生变化年份第一位第二位第三位第四位英国法国美国德国1870英国美国法国德国1880英国美国德国法国1900美国德国英国法国(资料来源：转引自钱时惕《科技进步与世界经济发展》，河北大学出版社，2000年，第38页)据统计，20世纪前60年世界发电总量增长了152倍，到20世纪80年代，电能在世界能源消耗中所占的比例已经超过了30％。电力工业的发达程度已经成为衡量一个国家经济实力的重要标志。可以让学生通过查阅资料，收集更丰富、更新的资料进行交流。8．生产、技术、科学三者之间的关系，在两次工业革命中有不同的表现。在第一次工业革命中，从工具机到蒸汽机的发明、制造和改进，主要是靠工匠积累起来的经验和工艺技能。18世纪下半叶出现了具有实用价值的蒸汽机，但有关蒸汽机和热力学的科学理论却是在相隔半个世纪后才陆续建立起来。它们之间呈现出“生产技术科学”的发展顺序。而在第二次技术革命中，从奥斯特发现电流磁效应到发明电动机，从法拉第发现电磁感应定律到发明发电机，从麦克斯韦创立电磁场理论到发明无线电技术，新技术都是在新的自然科学理论直接指导下创造出来，然后再运