山窮水盡疑無路柳暗花明又一村

摘要：為了迎接初三期末模擬調(diào)研檢測，在最后復(fù)習過程中安排了幾節(jié)物理生活題課，通過“物理與生活、社會”的緊密聯(lián)系，培養(yǎng)學生關(guān)注身邊中的物理，會用物理知識解決冬季輸配電線路由于冰凍造成倒塔（桿）斷線的方法，增強學生沖刺一模調(diào)研檢測的信心.

關(guān)鍵詞：冰凍；除冰；掌聲；短路熔冰

作者簡介：侯中柱（1981-），男，江蘇寶應(yīng)，碩士研究生在讀，中學一級教師，注重初中物理課堂教學與實踐，關(guān)注動態(tài)性物理習題在初中物理教學中的作用等.課題：“動態(tài)性物理習題在初中物理教學中的作用”（縣級）研究過程中.筆者為了迎接本屆初三期末模擬調(diào)研檢測，在復(fù)習過程中專門安排了一節(jié)物理生活題課，通過“物理與生活、社會”的緊密聯(lián)系，培養(yǎng)學生解決物理實際問題的能力，增強學生沖刺期末調(diào)研檢測的信心.

下面是其中一節(jié)物理生活題課的具體內(nèi)容，以2012年全國競賽中最后一題為例，通過投影將試題展示給學生，下面是本節(jié)課師生共談的具體展示：

【典例】如圖甲所示，冰凍是造成高山地區(qū)冬季輸配電線路倒塔（桿）斷線的重要原因.為了避免這類事故的發(fā)生，一方面電力工人要及時對輸電線路進行除冰作業(yè)，另一方面要加強輸電線的抗拉能力. 一般高壓輸電線每根都是由一股位于中間的鋼質(zhì)線芯和六股相同粗細的鋁質(zhì)線芯絞在一起組成的，其橫截面如圖乙所示.這種輸電線通常被稱為鋼芯鋁絞線（代號LGJ）.已知該鋼芯鋁絞線所能承受的最大安全拉力為其正常工作情況下拉力的5倍.下表是該種鋼芯鋁絞線的相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù).

鋁線

（股數(shù)×直徑）mm鋼線

（股數(shù)×直徑）mm導線

外直徑（mm）電阻

（Ω/km）安全載流值70℃80℃90℃6×3.801×3.8011.40.5194A228A255A1.該電力線路采用鋼芯鋁絞線而不采用與之同樣結(jié)構(gòu)尺寸的鋁絞線，其主要目的是什么？

2.輸電線路結(jié)冰后，輸電線（連同上面的冰）變粗、變重.為了保證輸電線路的安全，防止輸電線被拉斷，在冰凍的鋼芯鋁絞線（連同上面的冰，其橫截面可以看作圓）的直徑D增大到一定值時就必須進行除冰作業(yè)，試估算需要進行除冰作業(yè)時冰凍的鋼芯鋁絞線的直徑D.（ρ鋁=2 .7×103kg/m3，ρ鋼=7 .9×103kg/m3，ρ冰=0.9×103kg/m3，取1141=107）

3.有種輸電線路除冰作業(yè)的方法叫“短路熔冰”.所謂“短路熔冰”，就是在短時間內(nèi)，輸電線不經(jīng)過用電器而直接接通，輸電線中通過比平時大許多的電流，利用導線本身發(fā)熱熔冰以完成除冰作業(yè)的方法.短路熔冰時，若根這種鋼芯鋁絞線每米的發(fā)熱功率為200W，剛短路熔冰時通過一根鋼芯鋁絞線的電流大約是多大？（取1032）

教師：這是一道“從生活走向物理、從物理走向社會”的物理生活題，主要是解決高山地區(qū)冬季輸配電線路由于冰凍造成倒塔（桿）斷線的方法，下面我們一起邊閱讀試題、邊分析問題，同時教師在引領(lǐng)學生分析試題時思考本題考查我們什么樣的知識點.

學生：邊閱讀試題、邊分析問題，如輸配電線上的冰凍是怎么來的？為什么采用高壓輸電？有什么好處？高壓電力線路采用鋼芯鋁絞線的目的是什么？“短路熔冰”為什么可以熔冰？……

教師：上面部分同學在分析問題時提出的問題，你們可以小組合作交流并解決：高壓輸電可以減小電能在輸電線上的損失，提高電能的利用率，“短路熔冰”可以在短時間內(nèi)提高輸電線的電流，根據(jù)焦耳定律Q=I2Rt，產(chǎn)生較多的熱量，從而對輸電線上的冰進行熔化，……

教師：本題屬于一道物理生活題，充分體現(xiàn)“從生活走向物理、從物理走向社會”的緊密聯(lián)系，綜合考查了熱學、力學、電學等學科間多部分知識，屬于學科間綜合題，在近幾年中考中經(jīng)常出現(xiàn)這樣的試題[1].為了驗證上面所提到的考查知識點，下面就針對本題涉及問題進行分析：

奮進組中學生1：立即站了起來，我可以解答第一問：高山地區(qū)需要架設(shè)高壓輸電線，同時冬天溫度較低，空氣中的水蒸氣會在電線上凝華成冰凍，導致輸配電線變重，達到一定程度會導致輸配電線斷線，所以采用鋼芯鋁絞線可以增強輸配電線間的拉力.

全班熱烈掌聲，學生1對這個問題分析較為到位，他高興地坐了下來.

夢想組中學生3：他也積極站了起來，他說需要對上面的學生1進行補充，因為鋼承受拉力的能力比鋁強，所以采用鋼芯鋁絞線可以提高輸電線的抗拉能力，所以相鄰兩根電線桿的距離會增大，節(jié)約成本，同時這種電線也會增強導電能力，美觀.

全部同學給予點贊、掌聲，肯定上述兩位同學的分析，全班氣氛熱烈.

教師：對上述兩位同學的分析也給了較好的點贊，誰可以對這個問題進行總結(jié)歸納.

智慧組中物理課代表：這種電力線路采用鋼芯鋁絞線而不采用與之同樣結(jié)構(gòu)尺寸的鋁絞線，主要目的是為了提高輸電線的抗拉能力，從而可以適當?shù)卦龃髼U距，節(jié)省桿材及人工等.

教師：點贊，你總結(jié)的比較全面，能夠從原理上分析出采用鋼芯鋁絞線的原因，全班給予熱烈掌聲，給予較高肯定，謝謝.第1問我們談?wù)摰姆浅：茫Ｍ餍〗M再相互討論，積極思考，完成第2問和第3問.

各小組學生積極分析教師提出的問題，找出達到除冰的臨界條件，解決除冰時問題的突破口，怎樣求除冰作業(yè)時冰凍的鋼芯鋁絞線的直徑D，……，小組交流5min后.

創(chuàng)新組中學生6：他主動舉手站了起來，要求上講臺同學生分析，（教師允許），對于要求除冰作業(yè)時冰凍的鋼芯鋁絞線的直徑D，必須找出這個問題的突破口，我打算采用“逐漸逆推法”，即除冰時鋼芯鋁絞線的直徑D→除冰時的臨界條件→鋼芯鋁絞線承受的拉力達到其正常工作時拉力的5倍→即導線上結(jié)冰質(zhì)量為該段鋼芯鋁絞線質(zhì)量的4倍→m冰=4m導線→m=ρv.所以我打算根據(jù)上面的關(guān)系式對這個問題進行分析.

取一根長為L的結(jié)冰鋼芯鋁絞線作為研究對象，其橫截面積如圖所示.當該鋼芯鋁絞線所承受的拉力達到其正常工作時拉力的5倍時，即該段導線上所結(jié)冰的質(zhì)量達到該段鋼芯鋁絞線質(zhì)量的4倍時，就必須對鋼芯鋁絞線進行除冰作業(yè).

設(shè)單股線芯的橫截面積為S，直徑為d，長為L的結(jié)冰鋼芯鋁絞線中鋁的質(zhì)量為m鋁，鋼的質(zhì)量為m鋼，冰的質(zhì)量為m冰，冰的橫截面積為S冰；則有：

冰的質(zhì)量：m冰=4（m鋁+m鋼）

又因為m冰=ρ冰S冰Lm鋁+m鋼=（6ρ鋁+ρ鋼）SL

所以有：S冰=4×（6ρ鋁+ρ鋼）Sρ冰=

4×（627×103+79×103）S09×103=1071S

該鋼芯鋁絞線連同上面的冰，總的橫截面積為：S總=S冰+7S=114.1S

即S總S=1141又因為S總S=D2d2，

所以D=S總S×d=1141×38mm=406mm

即該鋼芯鋁絞線直徑D增大到40.6mm之間必須進行除冰作業(yè).

該同學6對問題分析完成后，全班響起雷鳴般熱烈的點贊掌聲，全班同學都向同學6投向敬佩的眼光、對同學6佩服的五體投地.

教師：同學6對問題分析的比較的全面，比較到位，讓我們再次以熱烈的掌聲給同學6和他所在的創(chuàng)新組所有同學，這也是他們組所有同學相互交流，相互合作的結(jié)果.其實我們班還有一些組，一些同學也是按照上面問題分析的突破口進行分析，最終計算出除冰作業(yè)時冰凍的鋼芯鋁絞線的直徑D，我們也給他們一個大大的點贊表示祝賀.

此時教師和學生交流的氣氛達到最高潮，氣氛活躍、主動學習.

教師：同學6對問題分析的方法是我們分析問題的一種常見方法（反向推理法），這種方法一般適用于難度稍大的問題，通過從問題開始入手，逐步推理到所給出的已知條件，分析過程清晰，容易理解、易于接受.好的，同學們對剛才的第2問是否全部掌握，還有什么疑惑的地方？

學生：對問題分析的方法基本掌握，分析過程也全部理解，我們相信以后遇到相同的題型也基本會解決了，老師，我們可以一起來分析下面的第3問.

矯健組中學生4：學生4積極而快速地站了起來，對問題進行了分析，“短路熔冰”是輸電線路除冰作業(yè)的另一種有效方法，就是在短時間內(nèi)，輸電線不經(jīng)過用電器而直接接通，此時輸電線中通過的電流比平時大很多，根據(jù)焦耳定律Q=I2Rt可知，此時電流通過輸電線產(chǎn)生較多的熱量，從而使輸電線上的冰凍快速熔化，即達到快速除冰效果，這就是“短路熔冰”的基本原理.下面介紹“短路熔冰”時通過一根鋼芯鋁絞線的大致電流：

取一根長為1m的該種結(jié)冰鋼芯鋁絞線作為研究對象，短路熔冰時通過的電流為I，其發(fā)熱功率為P，對應(yīng)的電阻為R，考慮到該種鋼芯鋁絞線表面為冰所覆蓋，其溫度與常溫偏差不大，故不考慮溫度對電阻的影響，其電阻可以看作為R=0.5Ω/km×1m=0.5×10-3Ω

所以根據(jù)P=I2R可知：I=PR=20005×10-3=640A

即短路熔冰時通過一根鋼芯鋁絞線的電流大約為640A.

教師：學生4對這個問題的分析也是正確的，他分析出了短路熔冰的原理，根據(jù)原理分析并計算出短路熔冰時的大致電流，請同學們對同學4也給予熱烈掌聲，還有同學們是否還有其它分析這個問題的方法呢？

智慧組中同學4：我有另外一種分析問題的方法，大家請看題目中鋼芯鋁絞線的相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)，其中電阻R=0.5Ω/km，所以我打算取1km這種結(jié)冰鋼芯鋁絞線作為研究對象，分析原理、計算方法和上面一樣，只是此時其發(fā)熱功率P=200w/m×103m=2×105w，

也是根據(jù)P=I2R可知：I=PR=2×10505=640A′

即短路熔冰時通過一根鋼芯鋁絞線的電流大約為640A.

此時全班學生相互討論、相互交流上面兩位同學對問題的分析方法，原理一樣，只是對問題計算的途徑，過程略有差別，最終兩位同學對問題分析和計算所達到的效果是一樣的，非常好，讓我們再次以熱烈的掌聲，點贊上面兩位同學，向他們學習.

教師：我們?nèi)嗤瑢W相互學習、互補互助，充分發(fā)揮了全班同學的智慧和能力，讓這道物理生活題在我們同學的分析下逐漸、層層地展現(xiàn)在我們大家面前，使復(fù)雜的生活問題變成簡單的物理問題，真正體現(xiàn)了“從生活走向物理、從物理走向社會”的緊密聯(lián)系，使我們解決物理問題的科學素養(yǎng)得到了一定程度的提高.

此時各個小組同學相互討論，在本節(jié)課學習到的知識？和學習本節(jié)課存在的疑惑？

創(chuàng)新組中班長總結(jié)：通過今天的課的學習，我學到了以下幾點：①高山地區(qū)冬季輸配電線經(jīng)常結(jié)冰，學會怎樣除冰，其中的原理分別是什么？②對于復(fù)雜問題的求解，可以采用“逐漸反推法”，這樣可以使所求問題簡單化；③在非純電阻電路中，歐姆定律不再適用，此時導線的發(fā)熱功率只能用P=I2R進行分析.

存在的疑惑：①短路熔冰可以除去輸電線上的冰塊，短路可以產(chǎn)生較大的電流，那么我們應(yīng)該設(shè)置短路的時間是多長才不至于燒毀整個高壓電路系統(tǒng)？②短路熔冰這項技術(shù)除了在高壓輸電線上除冰外，還可能在哪些領(lǐng)域有所應(yīng)用？或者將來可能用于哪些領(lǐng)域？

教師總結(jié)：班長對本節(jié)課總結(jié)的非常全面，對問題分析的也比較的深刻，請同學們對班長提出的兩點疑惑課后相互討論，或上網(wǎng)查詢進行解答[2].其實冬天路面結(jié)冰是常有的事，為了避免出現(xiàn)“夜凍晝化”的現(xiàn)象，常常在路面撒上大量的工業(yè)用鹽，這樣可以降低冰的熔點，使冰在低溫下也能快速熔化，所以請同學們課后利用身邊器材探究一下“在冰上撒鹽，可以降低冰的熔點？”.

參考文獻：

[1]羅春焱.也談一道初中物理競賽題[J].《物理教師》2002，10：64

[2]趙民.一道初中物理競賽題的剖析[J].《中學物理教學參考》2001，06：30-31