高中物理選修第二節(jié) 電力和電信的發(fā)展和應用-教學建議

第二節(jié)電力和電信的發(fā)展和應用教學建議l.發(fā)電機和電動機的出現(xiàn)是人類能源利用史上又一次重要的轉折，電力的應用是繼蒸汽機后的第二次技術革命。19世紀，電力技術和電工業(yè)的發(fā)展，是把電磁學實驗和科學理論所取得的驚人成果迅速運用到工業(yè)生產上的結果。電的應用包括電動力的應用及電通信、電照明和電器用電的應用等方面。教材從電動機和發(fā)電機的物理學原理入手，介紹了從理論模型到實際制造出電機的歷程，以及怎樣解決發(fā)電站建設、電的遠距離輸送等技術問題。教材還介紹了電能應用的其他方面，即電照明與電通信，關于電力技術應用所產生的影響，教材概括了三個方面。一個是，第二次技術革命開辟了電力時代，創(chuàng)造了第一次技術革命望塵莫及的社會生產力；第二是，在第二次技術革命中，產業(yè)技術與科學出現(xiàn)了新的關系，即科學引領生產技術；第三是，第二次技術革命不僅解決生產的動力問題，而且給人類的生活，特別是家庭生活帶來了更大的變化。本節(jié)教材的內容結構概括如下：“電力和電信的發(fā)展與應用”教材結構框圖2．與蒸汽機的發(fā)明不同，無論是電動機進是發(fā)電機都首先是在實驗室里出現(xiàn)的。電動機和發(fā)電機的最初的實驗模型，都出自于同一個人，即法拉第。學生對奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應和法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象是了解的，需要讓學生清楚的是，電動機和發(fā)電機的模型不是生產經驗的總結，也不是簡單的技術發(fā)明，而是實驗室的研究成果。奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應的那種裝置，實際上也是一種最初始的電動機實驗裝置。只是他的實驗裝置過于簡陋，因此還算不上真正的電動機模型。但是，它已實實在在地向人們揭示了把電能轉化為機械能的可能性。法拉第對奧斯特的實驗裝置進行了一些改進，1821年，法拉第就試制出了一種帶電導體圍繞直立磁鐵旋轉的電動機模型。但是，他沒有進一步進行電動機的研制，而是致力于發(fā)電機的探索。1831年．法拉第在發(fā)現(xiàn)感應電流的基礎上曾試制出一種最初的發(fā)電機的實驗模型，見教材圖4.2-2。3．電動機與發(fā)電機總稱為電機，在電機發(fā)展史上，電動機的誕生要比發(fā)電機早。教材中設置了個思考與討論的題目：從理論模型到制造出實際電機，你認為需要解決哪些技術問題。設置這個題目的初衷是希望同學在了解了電動機和發(fā)電機基本原理的基礎上，結合教材中圖4.2-1和圖4.2-2給出的電動機和發(fā)電機的最初模型，進行思考，并從而明確模型只是解決了原理問題，或者說證明了技術實現(xiàn)的可能性，還需要技術進一步發(fā)展和完善解決一些相關的問題，才能真正在實際中得到應用。但是，由于學生對電機發(fā)展的歷史不熟悉，對這個題目一下子難以把握。處理這一問題的途徑有兩條：一是，將思考與討論的題目進一步具體化；二是，提供一些歷史資料，讓學生去分析。在參考資料部分，給出了電機發(fā)展史的一些資料。4．電機自身的問題得到解決的同時，電力的廣泛應用還需要解決發(fā)電站建設、電的遠距離輸送等技術問題。最終，電能的生產、輸送、分配和消費都在同時進行，因此，必須把發(fā)電、輸電、變電、配電和用電有機地聯(lián)成一個整體，形成電力系統(tǒng)?？梢越M織學生參觀發(fā)電廠、變電站等，增加學生的感性認識。5．與熱能相比，電能具有突出的優(yōu)點：首先，電能可以集中生產，分散使用，便于傳輸和分配；而蒸汽動力無法遠距離傳輸，而且近距離傳輸也要通過曲柄、飛輪、皮帶等復雜的傳動系統(tǒng)，能量損耗多。其次，電能便于和其他形式的能量轉換，很容易轉化為熱、光、機械、化學等多種形態(tài)的能量，可以滿足生產和生活多方面的需要，其他多種形態(tài)的能量也易于轉變?yōu)殡娔埽阌陔娔艿纳a；蒸汽機只能將熱能轉化為機械能。第三，電能易于實現(xiàn)快速、精確的控制，能有效地促進生產過程的機械化與自動化；而蒸汽機與傳動裝置之間有相當固定的體系，這樣就使蒸汽機作為動力裝置與工作機的排列被限制在比較狹窄的范圍內。這還可以讓學生結合自己日常觀察和生活經驗去分析和體會。6．電能的直接應用主要有三個大的方面。一是，電能的應用在工業(yè)生產中取代蒸汽動力而成為一種新的動力。二是，電通信成為人們信息傳遞的一種手段。三是，電照明以及家用電器改變了人們的生活方式。后兩個方面，因為與人們的生活聯(lián)系十分緊密，學生可以通過自己的生活經驗與日常的接觸，認識到電能的使用對社會發(fā)展起到的促進作用。7．本節(jié)的重點之一是圍繞電能作為一種能源形式所產生的社會影響。通過介紹電力技術帶動相關技術的發(fā)展，主要是讓學生了解，科學技術的進展具有連鎖反應。像電力技術就比較突出地體現(xiàn)了這一點。進入20世紀后，電力很快取代了蒸汽動力。不僅通過帶動相關技術的發(fā)展而帶動一系列新興產業(yè)部門的崛起，而且由于電力作為新的動力供給，使紡織、機器制造、冶金、食品、化工等傳統(tǒng)工業(yè)部門煥然一新。20世紀初，由于美國和德國在發(fā)展電力工業(yè)方面走在各國的前面，使美國和德國在競爭中處于優(yōu)越地位，從而造成一些發(fā)達國家經濟實力的排序發(fā)生了變化。經濟實力排序發(fā)生變化年份第一位第二位第三位第四位英國法國美國德國1870英國美國法國德國1880英國美國德國法國1900美國德國英國法國(資料來源：轉引自錢時惕《科技進步與世界經濟發(fā)展》，河北大學出版社，2000年，第38頁)據(jù)統(tǒng)計，20世紀前60年世界發(fā)電總量增長了152倍，到20世紀80年代，電能在世界能源消耗中所占的比例已經超過了30％。電力工業(yè)的發(fā)達程度已經成為衡量一個國家經濟實力的重要標志?？梢宰寣W生通過查閱資料，收集更豐富、更新的資料進行交流。8．生產、技術、科學三者之間的關系，在兩次工業(yè)革命中有不同的表現(xiàn)。在第一次工業(yè)革命中，從工具機到蒸汽機的發(fā)明、制造和改進，主要是靠工匠積累起來的經驗和工藝技能。18世紀下半葉出現(xiàn)了具有實用價值的蒸汽機，但有關蒸汽機和熱力學的科學理論卻是在相隔半個世紀后才陸續(xù)建立起來。它們之間呈現(xiàn)出“生產技術科學”的發(fā)展順序。而在第二次技術革命中，從奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應到發(fā)明電動機，從法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應定律到發(fā)明發(fā)電機，從麥克斯韋創(chuàng)立電磁場理論到發(fā)明無線電技術，新技術都是在新的自然科學理論直接指導下創(chuàng)造出來，然后再運