恒定輸送功率下高低壓輸電定量對比實驗改進

李亭亭

(張家港市樂余高級中學 江蘇 蘇州 215621)

高壓輸電和低壓輸電時輸電線上的功率損耗對比分析，是高中物理中一個較為重要的教學知識點．雖然高壓輸電在生活很常見，但學生難于在生活中體驗到高壓輸電相對低壓輸電的優越性，因此創設生動的物理情境，在課堂上做好高低壓輸電的線路損耗對比實驗，讓學生深刻體驗并進行理論分析，是非常有必要的．

1 已有同類作品的不足之處

圖1是高中物理教學中典型的高壓輸電原理圖，現有的同類教具基本都依據該電路而制作．筆者檢索分析了一些同類教具和實驗設計[1]，發現現有同類器材普遍存在以下3個不足之處.

圖1 高壓輸電原理

(1)無法在保持輸送功率相同的前提下進行高低壓輸電定量對比演示

高中物理課堂教學中和習題練習中，學生遇見的情景大多是電廠的輸送功率保持一定，但現有的同類實驗器材基本都采用固定負載，當進行低壓輸電和高壓輸電切換時，因為整個電路發生了改變，用戶獲得的電壓和線路上的損耗都隨之變化，這會造成輸送功率的明顯變化，從而讓定量對比分析缺乏說服力[2]．

(2)高壓接線部位安全性較低

以圖2為例[3]，該作品和一些同類自制實驗器材一樣，都采用中學電學實驗中常見的低壓接線裝置，例如鱷魚夾、香蕉插頭、U形夾片接頭、雙刀雙擲開關等．這些接插件不僅有容易被手觸碰的裸露金屬部分，且其絕緣性較差，只能用于36 V以下的安全電壓．而這些高低壓輸電演示實驗器材中的低壓一般為12 V以下，但其經過變壓器升壓后的“高壓”往往在100 V以上，因此采用這些低壓接線裝置，在操作中存在一定的安全問題．

圖2 某款同類教具

(3)器材缺乏生動形象的外觀

創設生動的物理情境，是中學物理課堂教學的一個重要環節，但現有同類實驗器材大都缺乏生動的外觀設計．以圖3為例，這是中學實驗室配備器材，但在學生眼里該器材和生活中見到的高壓輸電線路在外觀上毫無相似之處，基本不能創設生動的物理情境，不利于促進學生對物理知識的理解．

圖3 實驗室配備器材

2 改進設計與制作

2.1 作品外觀結構和電路原理

外觀結構如圖4所示．在一個木底板上安裝了4個木盒，內部分別放置“模擬電廠”“升壓模塊”“降壓模塊”“可調負載(用戶)”．豎立兩根PVC管表示電線桿，輸電線通過電線桿架設，具有生動的生活情景．為了安全，所有的接線都采用了220 V安全標準的電工插頭和插孔．

圖4 作品外觀結構

作品的電路原理如圖5所示．電廠、升壓模塊、降壓模塊采用的變壓器完全相同，都是220 V轉6 V功率為5 W的收錄機用小型降壓變壓器．只要把它輸入和輸出進行交換使用，就變成了升壓變壓器．

圖5 作品電路原理

為了接線安全，3個變壓器的輸入端和輸出端均采用220 V安全標準的插頭和二孔插座連接，如圖6所示．

圖6 采用220 V安全標準的插頭和插座

演示低壓輸電時，直接把輸電線的兩端插頭插入電廠和可調負載(用戶)的插孔即可．演示高壓輸電時，用兩根雙插頭線分別連接電廠和升壓模塊、降壓模塊和用戶，再用輸電線把升壓模塊和降壓模塊連接即可．

2.2 保持“電廠”恒定輸出功率的設計原理

如何保持高壓和低壓輸電切換后電廠的輸出功率(即線路輸送功率)恒定呢？此處電廠用一個220 V轉6 V變壓器來模擬，該小功率變壓器內阻較大，實測中發現輸出電流從0.1 A 增大到1 A時，其輸出交流電壓會從7.0 V 降低到 4.8 V．這個缺點在本實驗中反而成為了一個優點，即在進行高低壓對比實驗時，只要調節負載電位器使得兩次電廠的輸出電壓相同(對應輸出電流也相同)，就能確保兩次對比實驗中的模擬電廠輸出功率相同．

圖5中，除了通過4個數字電壓表的示數進行定量對比外，作品還添加了兩個LED指示燈來形象定性對比分析．在模擬電廠和可調負載模塊中都加入了白光LED發光二極管來模擬室內的一盞白熾燈，對應的限流電阻為普通的500 Ω/0.25 W小型電阻．因為白光LED指示燈的工作電流很小，不到20 mA，故對實驗中的4個關鍵電壓的影響可忽略不計．

在可調負載模塊中，采用了一個型號為WX-030的3 W/22 Ω的小型線繞電位器作為可調負載．通過調節其電阻使得高壓輸電和低壓輸電時電廠的輸出電壓相同，也就確保了高壓輸電和低壓輸電時電廠的輸出功率相同，如圖7所示．

圖7 可調負載模塊

2.3 交流數字電壓表的使用

為了定量分析，作品采用了4個數字顯示交流電壓表頭，能直接監測電廠輸出電壓U1、升壓變壓器輸出電壓U2、降壓變壓器輸入電壓U3、降壓變壓器輸出電壓U4．需要注意的是，此處的4個數字電壓表都是四線交流電壓表，和模擬指針電壓表的使用有所不同，其內部的電壓采集處理和數碼管顯示電路，是需要單獨供電的，其背面的4個端口的接線如圖8所示．4個電壓表因為采用220 V供電，可在4個模塊盒子底部打個小孔，把電壓表的供電線(電壓表背面左側第1、2個接線端)從小孔穿到木底板的底部，再和電廠模塊的220 V輸入插頭線并聯．另外還要注意電壓表的量程選擇，電廠和用戶兩處選用20 V量程的數字電壓表，升壓變壓器的輸出端和降壓變壓器的輸入端應選用220 V量程的數字電壓表．

圖8 交流數字電壓表

2.4 設置輸電線模擬電阻

為了讓高低壓輸電對比時線路損耗相差較大(實際生活中因為輸電線很長，其電阻也是比較大的)，此處選用47 Ω/2 W的大功率金屬膜電阻，把它串接在一根輸電線上來作為等效電阻．因為高壓輸電時輸電線上有超過100 V的高電壓，故用了一個微波爐保險絲上的易開啟保護外殼，正好可以把等效電阻封閉在內部，如圖9所示．

圖9 輸電線等效電阻用塑料殼罩住

2.5 作品的制作

作品的制作比較簡單，參考圖4(作品外觀結構)和圖5(作品原理)，底板采用木板，4個模塊的外殼采用木盒，把各模塊對應的部件(變壓器、2孔插座、電壓表、LED指示燈、電位器等)都放置在木盒內．在木盒頂端開孔，讓2孔插座的插孔露出．在木盒的前面開孔，讓LED、電壓表、電位器的調節轉軸露出．再把各模塊內部的電路和電壓表的供電電路連接好，木盒內部的高壓部位(電廠220 V輸入端、升壓變壓器輸出端、降壓變壓器輸入端、電壓表供電端)都做好絕緣和隱藏處理，確保無任何金屬部位裸露．

在底板上豎立兩根PVC管作為電線桿，在其頂端固定一段橫桿，把兩根輸電線分別固定在橫桿的兩端，再把輸電線的兩段分別連接一個標準二腳插頭．最后給作品進行適當的形象美化和文字標注，作品就完成了．

3 作品的使用及實驗數據

3.1 演示低壓輸電

參考圖10所示完成接線，把電位器轉動調節到居中位置，然后通電演示，測出電廠輸出電壓U1和降壓變壓器輸出電壓U4，并觀察兩端LED發光情況．實驗現象和數據如表1所示．

圖10 低壓輸電接線

表1 低壓輸電數據記錄

3.2 演示高壓輸電

參考圖11所示完成接線，然后通電，可發現電廠的輸出電壓明顯比低壓輸電要低一些，表明此時電廠的輸出功率偏大．然后順時針調節電位器使其電阻增大，直至電廠的輸出電壓回復到7.42V，則此時電廠的輸出功率(即線路的輸送功率)就和低壓輸電時相等了．實驗現象和數據如表2所示．

圖11 高壓輸電接線

表2 高壓輸電數據記錄

3.3 實驗分析及結論

先進行定性對比，可發現在保持輸送功率一定的前提下，采用低壓輸電時用戶端LED的亮度極低，即用戶獲得的功率很低，大部分電能都浪費在輸電線上了．而采用高壓輸電時，用戶端的LED亮度接近電廠端，這表明較遠距離輸電時，必須采用較高的輸電電壓才能把線路損耗控制在較小的程度．

再分析實驗數據進行定量對比，可發現采用低壓輸電時，輸電線上的電壓損耗高達5.49V，而采用高壓輸電時U2和U3都顯示為181V(數字電壓表最后1位數字都是四舍五入取整的，故U2和U3的實際電壓值在180.5～181.5V之間)，輸電線上的電壓損失基本可以忽略．再比較用戶端電壓，可發現高壓輸電時用戶獲得電壓為6.53V，也是遠高于低壓輸電時用戶端電壓1.93V．

如果低壓輸電和高壓輸電時切換后不調節負載電位器(即保持負載電阻相同)，同樣可以進行定性和定量對比并發現高壓輸電的優越性．