IX-X классы

Изучая электродинамику, учащиеся знакомятся с широким внедрением в народное хозяйство и быт электрической энергии, вырабатываемой централизованно на мощных электростанциях, объединенных высоковольтными сетями в электрические системы. В IX классе в основном изучаются явления и законы, составляющие физические основы электрификации, и разнообразные применения электроэнергии в промышленности и сельском хозяйстве (электротермия, электропривод, электролиз, электроосвещение). В X классе основное внимание уделяется изучению устройств, применяемых для производства, передачи и использования электрической энергии, действие которых основано на закономерностях, изучаемых в IX классе. Изучение этих вопросов завершается рассмотрением успехов и перспектив электрификации народного хозяйства СССР.

Большие возможности для политехнического обучения, для рассмотрения физических основ электрификации содержатся в изучении законов электрического тока. Чтобы использовать их наиболее эффективно, необходимо наряду с тренировочными задачами, которые предназначены для усвоения самих законов, формул, физических величин и единиц их измерения, решать и другие задачи, позволяющие показать учащимся применение знаний законов для решения конкретных технические проблем. Приведем пример такой задачи.

Использование электроэнергии связано с передачей ее от источника тока - генератора-к потребителю. В линиях передачи происходят потери энергии. Чтобы уменьшить эти потери, необходимо знать, от чего и как они зависят, т. е. уметь их рассчитать. Анализ решения задачи в общем виде позволяет показать, что доля мощности, которая теряется в проводах, зависит от удельного сопротивления материала проводов, площади их сечения и напряжения. Передаваемая мощность и длина проводов для данной линии являются определенными величинами. Материалом для проводов обычно служат медь и алюминий, т. е. материалы с малым удельным сопротивлением.

В цехе электролиза комбината 'Уралэлектромедь'

Возможности снижения потерь за счет увеличения площади сечения проводов ограничены, поэтому в основном потери уменьшают путем повышения напряжения. В мощных линиях передач допустимыми считают потери, составляющие 8-10% от передаваемой мощности. С учетом этого учащимся предлагается рассчитать площадь сечения проводов линии электропередачи (одного элемента этой линии). Желательно именно в такой форме поставить перед учениками эту задачу, ознакомив их при этом с тем, что в настоящее время уже действуют линии электропередач с напряжением 750 кВ, а в десятой пятилетке намечено строительство линий с напряжением 1150 кВ.

Решение указанной выше задачи, с одной стороны, заставляет учащихся применять знания, полученные при изучении темы "Постоянный электрический ток", для решения конкретных задач, а с другой стороны, этим закладываются основы для усвоения вопросов, связанных с передачей электроэнергии, которые будут рассматриваться, в X классе. Такой подход помогает, таким образом, усилить внутрипредметные связи курса физики IX и X классов.

Изучение сверхпроводимости позволяет ознакомить учащихся с применением этого явления в науке и технике и с перспективой его использования в ближайшем будущем. В настоящее время сверхпроводники широко используются для создания очень сильных магнитных полей. Одна из важных проблем энергетики связана с предполагаемым применением сверхпроводимости для предотвращения потерь в линиях передачи электроэнергии.

Аппарат электроннолучевой сварки

Закономерности, изучаемые в теме "Электрический ток в различных средах", представляют собой физические основы электроники - одного из наиболее эффективных и перспективных направлений научно-технического прогресса. На базе электроники бурно развиваются радиотехника, автоматика, вычислительная техника и энергетика. Из всего многообразия технических применений электроники для изучения в этой теме отобраны основные и наиболее простые, знание которых позволяет понять главные направления развития технической электроники (см. табл. 24 приложения).

В то же время построение темы на основе рассмотрения механизма явлений в каждой среде позволяет не только изучать электронные приборы как технические применения изучаемых явлений, но и использовать их как упражнения для углубления полученных знаний. Это, в частности, относится к изучению таких приборов, как вакуумные диод и электроннолучевая трубка, термистор, фоторезистор, полупроводниковый диод, транзистор.

Следует иметь также в виду, что изучение применения тяжких приборов (выпрямитель, генератор незатухающих колебаний, радиоприемник, телевизор и др.) продолжается в X классе.

Полезно рассказать учащимся об использовании мощных электронных пучков для плавки и резания металлов. Источники этих пучков представляют собой устройство, аналогичное "электронной пушке" в электроннолучевой трубке. Электронный пучок направляется на металлический стержень, который надо разрезать или расплавить. Процесс плавления происходит в вакууме, что обеспечивает высокую степень чистоты металла. Второе достоинство этого метода состоит в том, что "электронный луч" может резать и обрабатывать металл любой твердости. На производстве уже применяются плазмотроны, в которых для нужд технологии используется плазма электрической дуги. С помощью плазмотронов, например, получают ряд тугоплавких порошков, которые практически нельзя получить другими способами.

Плазменный факел плазмотрона

Электромагнитные явления изучаются в основном в IX классе, а тема "Производство, передача и использование электрической энергии", изучение которой основано на закономерностях этих явлений,- в X классе. Таким образом, основные применения электромагнитных явлений рассматриваются с большим перерывом во времени после изучения самих явлений. Это требует осуществления политехнической направленности учебного материала IX класса на других примерах.

Важные применения электромагнитных явлений целесообразно рассмотреть в связи с изучением токов в массивных проводниках (токи Фуко) и явления самоиндукции. Массивные проводники имеют очень малое сопротивление. Если они окажутся в переменном магнитном поле, то возникшая в них электродвижущая сила индукции создает значительные токи, которые могут быть использованы для плавки металлов. Желательно ознакомить учащихся с применением токов Фуко в спидометрах, поскольку в настоящее время на всех автомашинах и мотоциклах установлены индукционные спидометры.

Следует рассмотреть и способы ослабления токов Фуко в тех случаях, когда это приводит к бесполезному выделению тепла, что необходимо для понимания устройства генераторов, трансформаторов и двигателей, изучаемых в X классе. После изучения самоиндукций необходимо рассмотреть способы ослабления вредных последствий этого явления, а также его применение. Наблюдения разрядов, возникающих при размыкании цепей, могут быть использованы для обоснования необходимости специальных масляных выключателей или других устройств, в которых предотвращаются опасные последствия большой ЭДС самоиндукции - дуговые разряды. Учащиеся должны понять, что такие выключатели особенно важны при выключении цепей электроснабжения заводов с большим числом электродвигателей, трамвайной сети, промышленных районов и т. д.

Использование явления самоиндукции можно показать на примере лампы дневного света. В ней нашли применение многие явления, изучаемые в курсе физики, поэтому рассмотрение ее позволяет решить ряд педагогических задач: углубить в новой ситуации ранее изученный материал; подготовить изучение последующих вопросов; продемонстрировать использование в одном техническом устройстве нескольких физических явлений.

Рис. 16

Электроэнергия находит самые разнообразные применения во всех отраслях промышленности и сельского хозяйства и обеспечивает высокие темпы их развития. Общая схема изучения вопросов электроэнергетики в старших классах показана на рисунке 16. Соответственно этой схеме ниже рассмотрены пути освещения вопросов электроэнергетики в связи с изучением отдельных тем курса физики.

Производство электроэнергии. Вопросы производства электроэнергии изучаются в VIII классе (гидроэнергетика), IX классе (теплоэнергетика) и X классе (атомная энергетика).

Рассмотрение вопросов гидроэнергетики следует начать с объяснения физических принципов действия гидроэлектростанции. Для работы ГЭС необходимо иметь сосредоточенный перепад уровней. Под действием образовавшегося напора воды вращается рабочее колесо гидравлической турбины. Мощность гидроэлектростанции определяется двумя основными величинами - напором воды (h) и ее расходом в единицу времени . Она рассчитывается по формуле:

В этом месте изложения полезно предложить учащимся несколько задач:

1. Определите мощность электростанции, имеющей плотину высотой 150 м, если расход воды 2*10^{3 м3}/_с, а КПД равен 0,99.
2. Рассчитайте общую выработку электроэнергии Братской ГЭС им. 50-летия Великого Октября в течение года, если ее мощность 4,5 МВт, а КПД равен 0,99.

Производство электроэнергии на гидроэлектростанциях имеет ряд преимуществ. Прежде всего ГЭС используют "возобновляемое топливо" - водную энергию, тем самым рационализируя топливный баланс страны. Кроме того, гидростанции обладают высокими эксплуатационными качествами: малым временем пуска (1-2 мин) и остановки, очень небольшим потреблением электроэнергии на собственные нужды. Но, конечно, главное то, что гидроэлектростанции производят самую дешевую электрическую энергию по сравнению с другими электростанциями.

Реактор на тепловых нейтронах

Однако ГЭС можно построить только там, где есть мощные запасы гидроэнергии. Тепловая же электростанция не привязана столь жестко к источнику энергии. Около 80% электроэнергии в нашей стране производят тепловые электростанции.

На большинстве современных тепловых электростанций теплоносителем является вода. Принцип работы тепловой электростанции достаточно прост: химическая энергия топлива в котельной установке преобразуется во внутреннюю энергию пара, затем в механическую энергию вращающейся турбины и лишь в генераторе, соединенном с турбиной,- в электрическую энергию.

Преимущество тепловых электростанций по сравнению с гидроэлектростанциями связано с тем, что, кроме электроэнергии, они могут производить тепло. В зависимости от этого теплоэлектростанции подразделяются на конденсационные электростанции (КЭС), производящие только электроэнергию, и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), которые отдают отработанный в турбинах нагретый пар для промышленных и бытовых нужд.

Реактор на быстрых нейтронах

Вопросы ядерной энергетики рассматриваются в X классе. При изучении темы "Ядерная энергия, ее получение и использование" необходимо ознакомить учащихся с устройством и действием атомных электростанций, главное внимание при этом следует уделить реактору, так как другие узлы атомной и тепловой электростанций сходны.

Ядерные реакторы классифицируются по уровню энергии нейтронов, участвующих в реакции деления, по целевому назначению, по принципу размещения топлива и т. д. Целесообразно рассмотреть физико-технические принципы устройства и действия реакторов на тепловых (медленных) нейтронах, наиболее освоенных, относительно легко управляемых и получивших самое широкое распространение в энергетике.

Нужно ознакомить учащихся с таким важным направлением технического прогресса в развитии ядерной энергетики, как разработка ядерных реакторов, работающих на быстрых нейтронах. Интерес к ним вызван их возможностью вырабатывать в результате взаимодействия изотопа урана-238, составляющего 97,28% природного урана, с быстрыми нейтронами новое атомное горючее - плутоний-239.

Целесообразно разъяснить учащимся причины резкого увеличения масштабов строительства атомных электростанций. Прежде всего это объясняется экономическими факторами: достижения современной науки и техники позволили значительно снизить себестоимость электроэнергии, вырабатываемой на АЭС. В настоящее время (если говорить о крупных АЭС) она стала примерно одинаковой с себестоимостью электроэнергии, получаемой на угольных электростанциях, и в дальнейшем будет снижаться за счет увеличения единичной мощности реакторов, усовершенствования топливного цикла, улучшения конструкции и качества изготовления тепловыделяющих элементов и др. Следует указать на такие преимущества атомной электроэнергетики, как независимость АЭС от источников сырья (урановых рудников) благодаря компактности ядерного топлива; как разгрузка транспорта от перевозок больших количеств нефти, каменного угля.

Кроме того, атомные электростанции по сравнению с тепловыми меньше загрязняют окружающую среду (они не выбрасывают в атмосферу серу, оксид углерода и другие продукты химических реакций).

Знания, сообщаемые учащимся при изучении темы "Ядерный реактор. Атомная электрическая станция", следует конкретизировать данными о параметрах некоторых действующих и сооружаемых в нашей стране АЭС (см. табл. 23 приложения).

Заканчивая разбор вопросов производства электроэнергии, нужно остановиться на росте общей мощности электростанций страны (данные приведены в табл. 15,16 приложения).

Передача электроэнергии. При объяснении вопросов передачи электроэнергии нужно в первую очередь остановиться на устройстве и назначении трансформатора переменного тока, роль которого в передаче электроэнергии исключительно велика. Ведь только повышая напряжение, можно передавать электрическую энергию на большие расстояния с незначительными потерями. Назначение трансформатора и заключается в том, чтобы при передаче переменного тока от источника энергии на дальнее расстояние повышать напряжение, а при подходе к потребителю понижать его.

Трансформаторная подстанция

Необходимость применения высоких напряжений для передачи электроэнергии можно пояснить при решении следующей задачи. "Какую массу будут иметь медные провода линии электропередачи, идущей от генератора к потребителю, расположенному на расстоянии 100 км, если энергия передается:

• под напряжением 220 В;
• под напряжением 110 кВ?

Генератор вырабатывает напряжение 220 В при мощности 200 кВт Потери мощности составляют 8%".

Решив эту задачу, учащиеся легко могут сделать вывод о значении трансформатора для передачи электроэнергии на расстояние. Увеличивая напряжение в линии при помощи повышающего трансформатора, уменьшают ток в проводах линии, что позволяет выбрать меньшее сечение проводов, а значит, уменьшить их массу.

Рис. 17

В настоящее время большая часть электроэнергии передается по линиям электропередач переменного тока, которые обладают весьма важным преимуществом: понижающий трансформатор, установленный в любом месте линии, позволяет направить электроэнергию любому потребителю. Блок-схема такой линии показана на рисунке 17. Однако нужно указать учащимся и серьезные недостатки линии переменного тока. Один из них связан с наличием индуктивного сопротивления линии, которое значительно ухудшает передачу энергии, так как уменьшает напряжение на пути от источника к потребителю. С целью уменьшения индуктивного сопротивления линии применяют расщепление одного провода на несколько проводов. Индуктивное сопротивление можно также компенсировать включением в линию батареи конденсаторов.

Рис. 18

Школьникам следует объяснить, что линии передач постоянного тока обладают некоторыми преимуществами по сравнению с линиями переменного тока. Прежде всего при прохождении постоянного тока индуктивное сопротивление равно нулю, что снимает многие из указанных выше трудностей. В электропередаче постоянного тока (рис. 18) переменное напряжение, вырабатываемое генератором, сначала повышается трансформатором, а затем выпрямляется. В конце линии передачи имеется специальное устройство обратного преобразования постоянного тока в переменный (инвертор), который трансформируется и поступает к потребителю.

Необходимость создания дальних линий электропередач заставляет значительно повышать напряжение в линиях, что позволяет обеспечить передачу больших электрических мощностей. Из таблицы 4 видно, как связаны напряжение линии и максимальная мощность, передаваемая по ней, а также напряжение и максимальная длина линии, возможная при данном напряжении.

Таблица 4

Очень важной проблемой является уменьшение в линиях электропередач потерь мощности, которые составляют до 10% от передаваемой мощности. Сейчас разрабатываются проекты сверхпроводящих линий электропередач. Сверхпроводимость наблюдается при очень низких температурах - не выше 18-20 К. Принципиально возможно получение материалов со сверхпроводящими свойствами при более высоких температурах. Создание таких высокотемпературных сверхпроводников стало бы крупным шагом в развитии электротехники.

Таким образом, школьники должны усвоить, что общей тенденцией как для линий постоянного тока, так и для линий переменного тока является повышение напряжения. Это и определяет перспективы развития линий электропередач: в десятой пятилетке для дальних передач сооружаются линии электропередач переменного тока напряжением 500, 750 и 1150 кВ. Повышение напряжения линий электропередач непосредственно связано с созданием Единой энергетической системы СССР.

Рис. 19

Реализация политехнического принципа в курсе физики X класса требует особого внимания к изучению преобразования энергии на пути от электростанции к потребителю. На рисунке 19 показана схема такого преобразования. Из схемы следует, что в паровом котле, турбине и электрогенераторе теряется 58% внутренней энергии топлива, на нужды самой тепловой электростанции расходуется 3%, при передаче энергии и в электродвигателе теряется соответственно 7 и 4% энергии. Отсюда видно, что в настоящее время только 28% внутренней энергии превращается в полезную работу электродвигателя.

Применение электроэнергии. Говоря о применении электроэнергии в промышленности, нужно прежде всего отметить, что наибольшее количество электроэнергии здесь тратится на электропривод. (Подробно этот вопрос рассматривается в VII классе.) В связи с этим изучается электродвигатель постоянного тока и его применения в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте и в быту.

Плавильная печь в цехе феррохрома Челябинского электрометаллургического комбината

В IX классе необходимо ознакомить учащихся с электротермией, широкое использование которой началось прежде всего в сталеплавильной промышленности. Одновременно с развитием производства электросталей быстрыми темпами развивается выплавка электроферросплавов (феррохрома, ферровольфрама и др.). Значительно увеличивается емкость сталеплавильных печей; сейчас она составляет несколько сотен тонн. Во многих отраслях промышленности получили развитие методы прямого нагрева изделий - контактного и индукционного. Они используются при нагреве металла под обработку давлением, поэтому нагревательные устройства могут работать в одном темпе с кузнечно-прессовым оборудованием. Очень высокими темпами развивается электросварка, все большее применение находят электросварочные аппараты.

Станок с большим количеством электродвигателей

Электрификация отечественной промышленности не только обеспечила бурные темпы ее развития, но и определила технический прогресс во многих отраслях. Широкое применение электрических двигателей позволило создать новые типы станков с многомоторным электроприводом, развитой системой регулирования и автоматизации. На базе электрификации создаются принципиально новые виды оборудования: станки-автоматы, автоматические линии и целые заводы-автоматы. Таким образом, комплексная электрификация промышленности обеспечила развитие автоматизации - основного направления технического прогресса.

Говоря об использовании электроэнергии на транспорте, следует показать, что самое широкое распространение получила электрификация железнодорожного транспорта. В 1975 г. протяженность электрифицированных железных дорог страны составила 38,9 тыс. км, а средняя скорость движения на электрифицированных железных дорогах - 54,6 ^км/_ч.

Комплекс приготовления кормов

Рассматривая электрификацию сельского хозяйства, необходимо отметить, что ее основной задачей является повышение производительности труда. Надо обратить внимание учащихся на трудности электрификации сельскохозяйственного производства, связанные с рассредоточением его на огромных территориях и сезонностью. Тем не менее за годы Советской власти электрификация сельского хозяйства стала важным средством превращения этой отрасли народного хозяйства в современное машинное производство. Применение электрической энергии позволяет осуществлять автоматизацию производственных процессов сельского хозяйства. Сейчас в колхозах и совхозах нашей страны электроэнергия идет в основном на следующие процессы: водоснабжение животноводческих ферм, приготовление кормов, мелиорацию, доение и первичную обработку сельскохозяйственной продукции. Наиболее эффективна электрификация производственных процессов животноводства, так как большинство машин, устанавливаемых на животноводческих фермах, стационарны.

Электрификация сельского хозяйства характеризуется не только чисто количественным увеличением использования электроэнергии, но и качественными изменениями, главное из которых заключается в том, что происходит повсеместное присоединение сельскохозяйственных производств к государственным энергосистемам, а также объединение сельских электростанций в энергосистемы. Этим достигается экономия средств, так как уменьшается стоимость потребляемой электроэнергии.

Вопросы использования электроэнергии целесообразно объяснять на примере производств (промышленных или сельскохозяйственных), расположенных вблизи школы; полезно провести экскурсию на эти производства.

Особое внимание следует уделить успехам и перспективам электрификации СССР, отметив, что основы советской энергетики были заложены реализацией ленинского плана ГОЭЛРО - первого государственного плана развития народного хозяйства страны на основе электрификации. План ГОЭЛРО был выполнен в 1930 г. Его выполнение позволило приступить к широкому развитию промышленности в нашей стране. В 1979 г. электростанции СССР выработали 1239 млрд. кВт*ч электроэнергии. Создаваемая Единая энергетическая система уже сейчас объединяет 700 электростанций общей мощностью около 140 млн. кВт.