电磁学3-无线输电讲义

小小发明家系列课讲义电磁学模块第三讲：无线输电一、课程目标知识学习目标：1.重点了解传统电的传输：发电厂发出的电，经过变压器升压，然后通过高压线传输，再经过变压器降压，最后送到千家万户；2.重点了解无线输电的原理：通过电磁波传输电能；3.一般了解无线输电的历史故事；4.一般了解无线输电的应用和优缺点。探究学习目标：1.通过对如何使手机更防水的项目式探讨激发学生对问题的思考。2.通过对传统电的传输的认识培养学生有安全用电的意识。3.通过传统电和无线输电对比式探究鼓励学生思考未来电的传输的发展方向。火星盒子制作目标：1.观察和认识无线输电的组成部分2.在教师指导下动手组装完成无线输电制作3.通过收音机的制作，掌握无线输电小灯的原理和使用方法二、课堂组织形式1.组织趣味互动游戏2.问答式课堂互动3.随堂趣味测试题4.融入趣味故事讲解5.设计互动探究实验6.火星盒子制作演示和指导7.课后习题巩固三、课堂准备名称内容来源备注1PPT课件课程全流程演示文稿火星人课件2组装制作说明视频组装制作的说明视频火星人备课视频组装流程视频说明3互动游戏“超级高压电”：小型特斯拉、纸片、荧光灯“触电的感觉”：千人震“水中的无线输电”：无线输电底座、接收线圈、水杯（非金属）、水需教师自己准备（详细方法参考火星人备课视频）4学生组装器材及工具火星盒子——无线输电（每人一套）、螺丝刀火星盒子需按学生数量在商城订购；注意事项：火星盒子提前收好，需要在理论讲解之后，也就是上课流程第6步动手制作（见下文）时再发给学生，如果在课前即摆在学生面前，会极大分散学生的注意力，不利于理论知识讲解和课堂互动。5课后习题考核本科学习知识点，客观题+主观题本讲义附件部分四、详细上课流程本节课括课热和8步具体：（）通过星故介绍本课的背景，复习课的内，时长在5分钟内。（第-5步论讲解时长需在-0分钟过探讨水手入无线电历史名特斯无线输电贡献比认识统输方式，对二行对比思考输电的展方向。（）第6步为动手操组装无线输，需指导、护秩保证安，时制在0分钟。（）第7步为总结，长为0钟。（）第8步为作业布，把内容延到生。上课步骤主要内容注意事项【课堂预热】背景引入【对应PPT】火星来信【时长】2min【情景引入-火星来信】小火星我们火星这边停电啦我特别喜欢的动画片马上就要开始了，晚上我还没办法写作业啦，还要用手机提交作业，能不能从地球上借点电给我们啊。（1）不要在课程开始时发给学生盒子器材，会分散学生注意力。【知识回顾】巩固上节知识【对应PPT】内容复习【提问】带领学生回忆上节课的主要内容【时长】3min【第1步】防水机引入【对应PPT】“作死手机”部分【时长】5in【衔接话术】看来小火星要给地球打电话了，手机可不能坏啊。很多人都会把手机弄坏，同学们猜一下我们手机最大的敌人是谁呢？是把手机放到沙子里，还是把手机放到水里的会坏掉呢？【总结】手机最大的敌人其实是水，只要我们的手机进水了，那么手机就会坏掉，会短路的。在这部分有很多手机，会被奇怪的方式弄坏，可以让同学们猜想总结一下，哪种使我们平时常见的容易把手机弄坏的。【衔接话术】那么手机哪些地方会进水呢？上边有很多孔，我们能不能把它堵上呢？堵上之后手机的功能还能实现吗？【讨论我们看到了这个播放音乐的麦克风用什么呢？用蓝牙音响；那耳机呢？用蓝牙耳机；那么充电呢？探讨如何做一个防水手机，引出无线输电【衔接话术说到这里老师听说苹果有一款手机充电就不需要这个口，老师找到了一张谍照，我们来看一下。同学们看看这个手机里面是什么？【讲解】因为手机的背面有一个大线圈，上节课的实验中我们也看到了线圈放到盒子上的时候灯会亮起来，所以我们可以猜测，这个手机可能具备无线输电的功能，也就是说我们把手机放到盒子上就可以给手机充电啦。【第2步】认识无线输电【对应PPT“无线输电的前世今生”部分【时长】10in【衔接话术】手机能够无线充电也是最近几年才有的，那无线传输电的技术也是这几年才有的吗？还是很久之前就有人研究它了呢？大家还记得上节课我们认识了一个人叫法拉第，那个时候他在做实验的时候就已经发现了电可以隔空传递，但是只是一瞬间，真正通过无线技术把电持续的隔空传输的并不是他而是天才科学家尼古拉特斯拉。【讲解】尼古拉·特斯拉是一位超级天才，我们现在使用的插排里的（交流电就是特斯拉发明出来的100年前特斯拉就已经开始研究无线输电了，他开了一系列试验，将电无线传输一个很短的距离。图片中特斯拉成功通过两个线圈使用无线电能，隔空电亮了一个小灯泡。【讲解】当然，现在的技术要比100多年好很多了，其实我们在金属探测测器里已经做过这个实验啦。两个线圈隔空就可传输电能。【提问】这个小灯的电是怎么传输过来的呢？通过电磁波。【衔接话术】上节课的金属探测器靠电磁波去找金属，这节课我们用电磁波来传输电。那我们身边究竟有多少电磁波呢？（学生会说手机信号、ifi等上节课提到的内容）电磁波还能干嘛呢？【讲解】从科学的角度来说，电磁波是能量的一种，不光是我们平时打电话用的无线电，这个世界上所有的东西，都会释出电磁波（因为所有东西都会发出红外线红外线）。就连我们天天晒的太阳光，也是一种电磁波。【讲解】根据PPT问那么电磁波传播的有多快呢？我给美国的朋友打一个电话，他什么时候能接到呢？如果电磁波的速度等于汽车的速度，那美国的朋友恐怕要好几天才能收到我电话；如果电磁波等于声音的速度呢？美国友人也要等上一分钟才行；如果是光速呢？立马就能听到。事实上我们早就讲过啦，刚刚是不是说光也是一种电磁波所以选C所以我们用电磁波传输电能，速度也是非常快的。【第3步】认识传统输电的过程【对应PPT“传统输电部分【时长】15min【衔接提问】既然有了无线输电，那么老师想问问大家，咱们教室的电也是通过电磁波这种无线方式传递的吗？灯为什么固定在墙上不能拿下来？屋里为什么有插座？其实你如果把墙砸开，就发现里边有很多很多电线。这些电线就是为了把电运输过来的。那么电是怎么在电线里的跑的呢？【讲解】我们也许经常会听到一个词叫做电流，其实电流就是我们的电荷沿着电线从一个地方跑到了另外的一个地方，经过我们小灯的时候，就会发现灯亮了起来。就是像水一样，我们在山上看到的小溪，从上游流动到了下游，我们可以给它称为水流；我们在车上，也许会听到广播“某某地区由南向北车流量较大，请绕行。”这就是车从一个方向跑到另外的第一个地方，我们可以称之为车流。电流也是如此，我们正极的电从电线上流动到了负极，我们就可以称他为电流啦。【提问】家里的插排可以把手放进去吗？【讲解】不可以，家里的电有220伏很高如果用手直接碰到会直接电死人。【提问】那这些电又是才能够哪里过来的呢？【讲解】有的同学知道，电是从发电厂过来的。那发电厂发出来的电也是220伏吗？【讲解】那么电就是从发电站沿着电线这样一路跑过来的吗？（学生回答能或不能，并说出自己的原因）。电从发电厂到我们家里可能要几千公里，如果是20伏直接传，那这些电都会消耗在路上了；所以科学家想了一个办法把电升高升到10伏电虽然在路上消耗了很多，但总算能到家啦；那如果继续把电升高呢？到110千伏，们【了解当使用10千伏电压传输时：传输导线消耗的功率＝1000安培×1000安培×1欧姆＝1000千瓦当使用110千伏电压传输时：传输导线消耗的功率＝91安培×91安培×1欧姆≈8.3千瓦猜猜看会怎么样？科学家发现电在路上消耗的竟然比10千伏少了00多倍！原来把电升高再传输就可以省电啊。【讲解】所以发电厂的电，先经过变电站把电升到非常高，然后再通过高压线传递到城市里，再经过变压器把电压降低，最后再输送到家里。【话术衔接】这个电到了我们家里还是220伏，依旧很危险，那么我们平时用电子产品时有危险吗？比如手机的充电器，插在插排上边，是不是就不能碰了吗？【讲解】实际上并不是这样的，我们的所以用电器都是一个变压器，家里的用电器很多都不能直接使用220V的压比如手机充电器就是将22V转化为5V的给我们手机充电我们的电脑充电器就是将20V转化为24V使用。【话术衔接】电压升高了虽然很危险，但是也有用处，就在特斯拉去世60周年的纪念日（特斯拉1943年去世该视频拍摄于2003，有人把几十伏的电压升到了几千伏，用它做了这样一件事情，我们一起看一下视频。【讲解】我们看到，高压让我们平时用的灯泡实现了无线输电，这也是特斯拉一直追求的梦想，那我们可以实现这样的操作吗？一起试试吧。【实验】实验一：超级高压电实验材料：小型特斯拉、纸片、荧光灯实验步骤：1.将特斯线圈拉连接到电源上接通电路（注意不要碰到金属线尤其是头部那个单独的电线）2.让同学们观察那个紫色的小小电弧。（这就是高压电）3.将一张纸靠近电弧，会瞬间点燃。（告诉同学们高电压的危险）4.我们将荧光灯靠近特斯拉线圈，荧光灯会被点亮。【实验总结大家可以看到如果电压特别高连空气也挡不住它了，所以高压电线是非常危险的，所以这些电线塔都会建的很高很高，我们平时要远离这些高大的架子。【第4步】输电方式大pk【对应PPT】“输电大PK”部分【时长】20min【提问】同学们你们感觉传统的输电方式好还是无线输电的方式好一点呢？我们来总结一下这两种输电方式把。（可以像辩论赛一样分成两组，无线输电一组，传统输电一组。）把学生的想法分类写在黑板上。【话术】我们先从需要的材料来说一下吧，我们使用传统的输电方式需要什么材料呢？（同学总结）传统输电组：变电站、很长很长的电线、电线塔、变压器；无线输电组：发射线圈、发射端电路、接受线圈；【老师总结传统的高压线一公里就要几万块钱的成本而且相隔200米我们就要做一个高压线电塔而且一个大的电线塔需要几十万一个；而无线输电只需要有一个线圈发射端就可以了中间不需要其他电线。所以在这个环节我们的无线输电完胜。【讲解】再从安全性上来比一比。家里都很多电线，连接各种各样的电器，插座裸露在外，一不小心碰到就可能触电，更别说外边几十万伏的高压电了，触电的一瞬间人就被电死了。加上线路时间长了，我们现在的生活都被电线包围啦，到处都是电线，这其实是一件比较危险的事情。但是无线输电比较安全，人在线圈中间随便穿梭不会受到伤害，即使碰到线圈，线圈上有绝缘层，人也不会触电。所以无线输电更安全，但是电磁波过多对人的生活其实也有一定的影响。【话术衔接】那老师再问一个问题，刚洗完手能不能去碰家用电器的开关？不能，湿手碰电器更容易触电。那么无线输电呢？我们一起试试吧。【实验/游戏】实验二：水中的无线输电实验材料：无线输电底座、接收线圈、水杯（非金属）、水实验过程：1、将水杯倒入水，并且将线圈放到水杯里。2、将水杯放置到无线输电的底座上，看看灯是否会亮起因为无线输电是通过电磁波来传递能量，而这种电磁波对人们是没有多大伤害的，就算我们把手自己放到水里也不会对人体造成伤害的。【话术衔接】同学们触过电吗？我们做一个实验来看看，来体验一下被电的感觉:【实验】实验三：感受“触电”的感觉实验材料：千人震实验过程：让同学们手拉手围成一个圈，两边的小朋友另一只手抓到千人震的两边，打开开关，让同学们感受千人震。【话术衔接】再来说说传输的距离，大家觉得谁更远呢？我们做实验用的无线输电都只有几厘米，而实际上全世界能通过无线方式传输电最远的也不过500米；但是传统的家用电呢？通过高压线可以传递几千公里。所以显然传统的方式更有优势。【话术衔接】但是有没有同学们会好奇一件事，无线输电的技术已经有100多年了，就没有人想办法让它传的更远一些吗？当然是有的。【故事】最早的人就是特斯拉，他在第一次隔空点亮小灯之后就一直想要建一个全球无线输电的大电塔，后来终于找到了一家巨头公司叫摩根给他投资建塔，就是图上这个，这个大电塔建在纽约的长岛，名字叫做沃登克里弗塔，又叫做特斯拉塔，当时他们用了4年的时间把这个电塔建造了57米高但是后来因为很多人说特斯拉这个大电塔是骗人的不可能实现，摩根公司就不给投资了大电塔就建不下去了，特斯拉给这个摩根公司写了很多信请求继续建造，都没有得到回应。过了两年就被人拆了。当时的人不懂特斯拉，但是后人却发现了无线输电潜在的价值，所以现在各个国家都在研究无线输电技术，大家觉得怎么才能把电传输的更远呢？（学生讨论增大线圈、升高电压等等）。大家说的特别对，无线输电最大的困难在于能量损耗的特别快，所以传递不远，如果我们想要实现全球无线供电，那除了做一个巨大的发电塔外，还需要想办法减少能量的损耗。【小总结】再次总结无线输电和传统输电的优缺点，并提问“为什么无线输电不能传很远呢？你有什么想法？”【讲解】无线输电的电磁波是往四面八方传递的，不像电线里的电非常集中，而且电磁波在空气里的损耗特别快，没有足够的能量把电传输很远。想法学生自由发挥。开放性问题设置，比如增大线圈，提高电压等等。【第5步】认识无线输电应用【对应PPT“无线输电的应用”部分【时长】5min【话术衔接】虽然目前还不能用无线输电实现全球供电。但是无线输电在我们的生活里却也是有很多的应用了。【讲解】手机充电：现在越来越多的手机具备了无线充电的功能啦，以后可能我们可以把手机放到桌子上，放到车里、放到哪里都可以给手机充电啦。电脑充电：戴尔曾经推出电磁感应方式的笔记本无线充电底座，像老师这种需要经常拿着电脑走动的职业来说，用这种充电方式的电脑那实在是太方便了。【讲解还有汽车我们小区附近一般都有充电桩就是左图这样的，需要把线连接到车上给汽车充电；现在很多国家都有了右图这样的无线充电桩，不用连线就可以直接给汽车充电了。而且电动汽车也是一种新能源清洁交通工具，如果越来越多的人使用电动汽车，那比起我们现在的烧柴油，是不是清洁很多呢？【讲解在医疗上无线输电也有着非常大的作用有些人心脏不好，需要装一个小的机械装置帮助心脏跳动，叫做心脏起搏器，但是这个装置需要电，那如果它在人的身体里没有电了怎么办呢？用手术刀把它取出来，充满电再放进去？那人的身上得挨多少刀子啊，现在通过无线充电的方式，透过人体也可以给这个装置充电，是不是方便安全了很多呢？【第6步】动手制作【对应PPT“开始动手制作吧”部分①指导学生打开包装盒，将零件分类摆放整齐在自己前方桌面上。②认识主要元