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 тем