走在野外，无论是高山还是平原，都能看到特高压输电的电塔耸立在祖国大地上，就像一个个巨人支撑着祖国工农业蓬勃发展。在科学技术发展日新月异的今天，我国选择特高压输电方式，主要是基于能源分布、技术经济性等因素。值得注意的是，尽管我国在芯片等部分领域仍面临技术追赶压力，但在特高压等特定领域，中国确实实现了技术突破和领先地位，这体现了中国在部分高端装备制造领域的自主可控能力。
1 远距离输电的高压输电原理
1.1 高压输电原理
由中学知识焦耳定律可知，输电线上的功率损耗正比于电流的平方，即Q=I2Rt，故在远距离输电时就要利用大型电力变压器升高电压以减小电流，使导线减少发热，才能有效减少电能在输电线路上的损失。发电厂的最大发电能力由发电机组的装机容量决定，实际输出的功率根据电网负荷需求调整。在输电线路始端输出功率（即输送功率）保持恒定情况下，根据公式P=UI（其中P为输送功率），若提高输电电压U，则线路电流I会相应减小。输电线损耗功率Q=I2Rt（R为线路电阻）随之降低——若电流减小为原来的1/2，损耗功率将减少为原来的（1/2）2=1/4。因此，在输送功率不变时，提高输电电压能有效降低线路损耗。即高压输电的分析思路是：输电→导线（电阻）→发热→损失电能→减小损失。输电要用导线，导线当然有电阻，若导线很短，则电阻可忽略；而远距离输电时，导线很长，电阻大就不能忽略，那如何减小导线发热呢？
由焦耳定律Q=I2Rt可知，减小发热Q有以下三种方法：一是减小输电时间t，二是减小输电线电阻R，三是减小输电电流I。可以看出，第一种方法不行，第二种方法目前室温超导技术还未成熟，也不行。显然，第三种办法是有效的：一方面，电流减小1/2，损失的电能就降为原来的1/4，即要减小输电电能的损失，必须减小输电电流；另一方面，输电就是要输送电能，输送的功率必须足够大，才有实际意义。根据公式P=UI可知，要使输电电流I减小，输送功率P不变（足够大），就必须提高输电电压U。目前来看，高压输送很经济，当用高电压甚至特高压把电能输送到用电区后，还需要逐次把电压降低，恢复到正常电压。
1.2 原理图
功率之间的关系是：；
电压之间的关系是：；
电流之间的关系是：。
由原理图可知，发电机组F发出的电压U1不是很大，电流I1也不是很小，通过升压变压器提升输电电压为高压U2，同时降低了输电电流I2和I3，显著降低了输电导线上的功率损耗Pr和电压损失Ur，最后通过降压变压器把电压降到工农业所需的正常电压。
但在教学中，仅靠文字或图表讲解发电、输电、用户三个回路间的物理量关联（特别是不同回路间电压与电流的决定关系），学生往往印象不深，理解停留在表面，课堂效果有限。学生要么难以真正理解，要么即使记住也难以灵活应用。其中一个重要原因，是缺乏直观的演示手段和实验器材，学生缺少对物理过程的感性认识
［1］。
2 演示仪的特点及用途
考虑到距离及安全性等因素，很多中学实验室并未配备相应演示器材。基于中学物理以实验为先导的教学理论，笔者以实验室用学生电源、升压和降压变压器、小灯泡、原副线圈、电键开关、多用电表、长方形高密度板等常见器材组装了一款演示仪。该演示仪长220 cm、宽20 cm、重3 kg，使用实验室220 V交流电源输出12 V的交流电作为器材电源。通过灯泡的亮度变化，该演示仪能够直观演示远距离输电的过程。另外，若把指针式电表改成数字式电表，可升级为数字式实验装备。
2.1 特点
该演示仪具有真实、方便、简洁、直观等特点，有利于学生理解远距离输电的原理、变压器原副线圈匝数与对应电压之间的定量关系，以及隔空取电等实际应用场景。
2.2 用途
该演示仪可演示以下现象或实验：①模拟远距离输电过程；②探究变压器输出功率的决定因素（尤其是空载时）；③解释用电高峰期电器功率降低的现象；④分析家庭电路电流过大的原因；⑤展示电磁炉、无线充电等隔空取电技术；⑥模拟电焊机工作原理（待开发）；⑦可在升压变压器和降压变压器两端加数字式电压表和电流表来验证电压与匝数、电流与匝数之间的关系；⑧若输入端改用12 V的直流电源，观察输出端的示数变化，可借此理解变压器的工作原理。
3 制作材料与制作方法
3.1 制作材料
截面2 200 mm×200 mm 的高密度板1块、学生用变压器1个、升压变压器1个、降压变压器1个、原副线圈1套、2.5 V和12.0 V小灯泡若干、开关导线及其他若干。
3.2 制作方法
（1） 取装修用高密度板一块，在其上标注电路图。
（2） 在板上依照电路图摆放、连接各个元件并通电调试，如
图2所示。
（3） 调试完毕，在相应位置固定各个元件，再次通电调配各参数。
4 使用方法
（1） 将该演示仪横放或竖直固定在水平桌面上，尽量多角度呈现在学生面前，介绍远距离输电的装置和原理。
（2） 检查无误以后闭合学生电源开关，闭合小灯泡L1的开关K1，观察升压变压器原线圈上灯泡亮度，发现前端灯泡L的亮度增加。
（3） 闭合小灯泡L2开关，观察前端灯泡L及小灯泡L1、L2的亮度变化，发现小灯泡L变亮、L1变暗。此现象直观呈现了远距离输电的能量损耗规律与电路功率决定因素，验证了闭合电路中“串反并同”动态变化规律，即输电线上电流越大，根据焦耳定律Q=I2Rt可知，热量越多电能损失越大。L1变暗意味着，在一个闭合电路中存在“串反并同”动态变化规律（此处因并入L2，该支路电阻从无穷大降为L2的有限阻值）。
（4） 闭合小灯泡L3开关，再次观察各灯泡亮度变化，可据此理解家庭电路电流过大和傍晚电器功率下降的原因。即：家庭电路电流过大的原因是接入的用电器总功率增大（I=P总/U）；傍晚用电高峰时，输电线电流增大导致分压增加，用户端实际电压降低，电器实际功率下降（P=U²/R），灯泡变暗。在分析家庭电路时，用电器总功率决定干路电流，而输电线电阻和电流共同影响用户端电压。
（5） 依次断开开关1、2、3，空载时观察前端灯泡亮度，再次深刻理解变压器功率的决定因素，即“功率是输出端决定输入端”，需要多少输送多少。
（6） 取副线圈逐步靠近原线圈，观察多用电表电流示数变化，解释隔空取电技术原理，即原线圈与副线圈之间存在电磁互感。
（7） 输入端换成12 V的直流电，观察各灯泡的亮度变化，发现只有最前端的灯泡被点亮，说明变压器的工作原理是建立在“电磁互感”的基础之上。
（8） 考虑安全，该演示仪暂不拓展安装与演示电磁炉及电焊机技术相关内容。
5 演示仪使用说明
（1） 为何不在中间输电线上安装灯泡L，而是安装到升压变压器输入端？这是因为，考虑到学生安全，电源使用的是12 V的输入电压，尽管升压以后电压增大，但是输电线上的电流过小，不足以点亮灯泡或者引起灯泡亮度的明显变化。而安装到升压变压器输入端，同样可以体现电流在输电线上的变化规律以及电能损失情况。
（2） 电流与功率的决定关系是“输出端决定输入端”，那么如何解决夜间用电量下降而发电厂仍需持续运行的矛盾呢？这就需要建设各种储能装置，如飞轮储能、重力储能、抽水储能水电站等
［2］。例如，为抽水储能建设的上下水库就是为解决发电富余问题，通过往高处抽水储存水的势能，再在用电高峰时放水发电来实现“调峰填谷”。
（3） 根据远距离输电原理，电能损耗主要源于输电线路的电阻。那么，可否采用低电阻甚至零电阻的材料来实现远距离输电呢？从电阻率数值来看，金、铜、银的电阻率依次降低，但这些金属自身成本高昂，不适宜大规模制成电线。目前，常温超导尚处于探索阶段，实验室制造的材料不足以支撑常温超导，但其发展前景已日趋明朗。
（4） 在实际应用中输送的是交流电，且输电线与大地之间存在不可忽略的容抗，可否摒弃交流电而采用直流电远距离输电呢？直流电固然存在输电线路的造价和运行费用低、经济性能好等优势，但是在功率传输上高压交流电具有绝对的优势。
6 学以致用
【2023年山东省高考试题第七题分析】该题糅合远距离输电和调峰填谷储能站的相关知识。
某节能储能输电网络如
图3所示，发电机输出电压
U1=250 V，输出功率500 kW。降压变压器的匝数比
n3∶
n4=50∶1，输电线总电阻
R=62.5 Ω。其余线路电阻不计，用户端电压
U4=220 V，功率88 kW，所有变压器均为理想变压器。下列说法正确的是（ ）。
【解答】由题知，发电机的输出电压U1=250 V，输出功率500 kW，则有，A错误；用户端电压U4=220 V，功率88 kW，则有，P′=U4I4，联立解得I4=400 A，I3=8 A，U3=11 000 V。则输电线上损失功率为P损=I32R=4 kW，且U2=U3＋I3R=11 500 V。再根据，解得，B、D错误；根据理想变压器无功率损失有P=U2I3＋P储，代入数据有P储=408 kW，C正确。
7 结语
中学物理教学提倡情境式教学方式，以真实的实验为抓手，引导学生进入课堂思维，可引起学生的共鸣，有效提高课堂效率。教师通过自制教具创新实验，可提高自身教学能力和学科素养
［3］。
京公网安备11010202008535号
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