第3章 第4节 电能的输送（Word教参）-【状元桥·优质课堂】2024-2025学年高中物理选择性必修 第二册（人教版2019）

第4节　电能的输送 [学习目标] 1.了解提高输电压是降低远距离输电损耗的有效途径；知道电网供电是远距离输电的重要发展(物理观念).2.会用相关知识解释实际的输电问题；经历建立远距离输电模型的过程(科学思维).3.探究电压损失、功率损失的关系(科学探究).4.理解工程技术要兼顾科学技术，经济等多种因素，体会建立模型的思维方法(科学态度与责任)． 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 输送电能的基本要求 1．可靠：指保证__供电线路__可靠地工作，故障少． 2．保质：保证电能的质量——__电压__和__频率__稳定． 3．经济：指输电线路建造和运行的费用__低__，电能损耗__少__. 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 降低输电损耗的两个途径 1．输电线上的功率损失：ΔP＝__I2r__，I为输电电流，r为输电线的电阻． 2．降低输电损耗的两个途径 (1)减小输电线的电阻：在输电距离一定的情况下，为了减小电阻，应当选用电阻率__小__的金属材料，还要尽可能__增加__导线的横截面积． (2)减小输电线中的电流：为了减小输电电流，同时又要保证向用户提供一定的电功率，就要__提高__输电电压． 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 电网供电 1．远距离输电的基本原理：在发电站内用__升压__变压器升压，然后进行远距离输电，在用电区域通过__降压__变压器降到所需的电压． 2．电网：通过网状的输电线和__变压器__，将许多电厂和广大用户连接起来，形成全国性或地区性的输电__网络__. 3．电网输电的优点 (1)降低一次能源的运输成本，获得最大的__经济效益__. (2)减小断电的风险，调剂不同地区__电力供需__的平衡． (3)合理调度电力，使__电力__的供应更加可靠，质量更高． 1．判断下列说法的正误． (1)一般情况下高压输电的导线是铜铝合金而不是银，原因是同种情况下，使用银材料，输电线损失的功率大．(　×　) (2)使用升压变压器和降压变压器进行远距离输电时，用户得到的电压可以高于发电机输出的电压．(　√　) (3)采用高压输电的优点是可加快输电的速度．(　×　) (4)当输送功率和输电电压一定，且使用同种材料的导线时，越粗的导线损失的电压越小．(　√　) 2．下列关于电能输送的分析，正确的是(　　) A．由公式P＝知，输电电压越高，输电线上功率损失越少 B．由公式P＝知，输电导线电阻越大，输电线上功率损失越少 C．由公式P＝I2R知，输电电流越大，输电导线上功率损失越大 D．由公式P＝UI知，输电导线上的功率损失与电流成正比 答案　C 解析　输电线上损失的功率P损＝I2R线＝，U损指输电线上的分压，而不是输电电压，选项C正确. 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 输电线上的电压和功率损失 【情境导学】 如图所示，假定发电厂输出的电压为U，输送功率为P，输电线路中的电流为I，两条导线的总电阻为r(在图中把导线电阻集中画为r)．那么，用户得到的电能与发电厂输出的电能相等吗？为什么？ 答案　不相等．由于输电线有电阻，有一部分电能转化为电热损耗掉了． 1．输电线路的电压损失 输电线始端电压U与输电线末端电压U′的差值．ΔU＝U－U′＝Ir＝r，其中I为输电线上的电流，r为输电线的总电阻． 2．输电线路的功率损失 (1)远距离输电时，输电线有电阻，电流的热效应引起功率损失，损失的电功率ΔP＝I2r. (2)若输电线上损失的电压为ΔU，则功率损失还可以表示为ΔP＝，ΔP＝ΔU·I. 3．减小电压、功率损失的方法 (1)减小输电线的电阻 由R＝ρ可知，距离l一定时，使用电阻率小的材料，增大导体横截面积可减小电阻． (2)减小输电电流I 根据I＝，在输送功率P一定，输电线电阻r一定的条件下，输电电压提高到原来的n倍，输送电流可减为原来的，输电线上的功率损耗将降为原来的. 【例题1】 某小河水流量为4 m3/s，水流下落的高度为5 m．现在利用它来发电，设所用发电机的总效率为50% (g取9.8 m/s2)，求： (1)发电机的输出功率； (2)若输电导线的总电阻为4 Ω，输电导线上损失的电功率为发电机输出功率的5%，则输电导线上的电压损失是多少？ 思维导引：(1)水的重力势能转变为发电机的电能，能量的转化为50%；(2)电压损失ΔU＝IR，需要求解输电电流，可根据I＝求解． 解析　(1)水由高处流下，重力势能转化为动能，推动水轮机做功，设水的流量为Q，则发电机的输入功率为P1＝ρQgh， 所以输出功率为P2＝ηP1＝ηρQgh＝50%×1.0×103×4×9.8×5 W＝9.8×104 W. (2)设输电电压为U，输电线上的电流为I，电阻为R，损失的电功率为ΔP.由ΔP＝I2R得 I＝＝＝ A＝35 A， 输电导线上损失的电压为 ΔU＝IR＝35×4 V＝140 V. 答案　(1)9.8×104 W　(2)140 V 【变式1】 “西电东送”工程中，为了减少输电损耗，必须提高输电电压．从西部某电站向华东某地区输送的电功率为106 kW，输电电压为1 000 kV，输电线电阻为100 Ω.若改用超导材料作为输电线，则可减少输电损耗的功率为(　　) A．105 kW B．104 kW C．106 kW D．103 kW 答案　A 解析　输电电流I＝，输电线路损失的电功率P损＝I2r＝2r＝1×105 kW；当改用超导输电时，就不损失电能，因此减少的输电损耗就等于P损，选项A正确． 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 远距离输电问题 【情境导学】 我们日常生活离不开电，电是由发电厂产生的．为了合理地利用自然资源，火力发电厂通常建在煤矿附近，水电站建在水力资源丰富的河流上，但用电的地方可能距离很远，需要将电能安全、保质地由发电厂送往远方，同时又不能浪费太多的电能．火力发电厂或水电站发电的电压一定很高吗？怎样才能提高输送电压？ 答案　电厂发电的电压最大值由公式Em＝NBSω决定，因机械制造等因素，电压不会很高，通常借助变压器将低电压变为高电压． 1．输电过程示意图 2．理清三个回路 回路1：P1＝U1I1. 回路2：U2＝ΔU＋U3，P2＝ΔP＋P3＝IR线＋P3，I2＝I3. 回路3：P4＝U4I4. 3．高压输电过程的几个电压的区别 (1)输送电压：输电线始端电压，如图中的U2. (2)用户电压：最终用户得到的电压，如图中的U4. (3)损失电压：输电线始端电压与末端电压的差值，即ΔU＝U2－U3＝I2R线． 4．输电过程的基本关系 (1)功率关系：P1＝P2，P2＝P线＋P3，P3＝P4. (2)电压关系：＝，U2＝U线＋U3，＝. (3)电流关系：＝，I2＝I线＝I3，＝. (4)输电电流：I线＝＝＝. (5)输电导线上损耗的电功率：P线＝I线U线＝IR线＝2R线． 5．处理远距离输电的方法技巧 (1)画好一张图——远距离输电示意图 (2)抓住电两端——发电站和用户 (3)分析一条线——输电线 (4)研究两次变——升压变压器升压和降压变压器降压 (5)区分三个量——输送电压(功率)、损失电压(功率)、用户电压(功率) 【例题2】 如图所示，某小型水电站发电机的输出功率为10 kW，输出电压为400 V，向距离较远的用户供电，为了减少电能损耗，使用2 kV高压输电，最后用户得到“220 V　9.5 kW”的电能，求： (1)水电站升压变压器原、副线圈匝数比； (2)输电线路导线电阻R； (3)用户降压变压器原、副线圈匝数比. 思维导引：(1)升压变压器的匝数比＝；(2)由I2＝求输送电流，由P损＝P2－P3＝IR求输电线的电阻；(3)由U2＝U线＋U3求降压变压器的输入电压，由＝求解降压变压器原、副线圈匝数比． 解析　(1)水电站升压变压器原、副线圈匝数比为＝＝＝. (2)由P损＝IR，输送电流取决于输出电压及输送功率，有I2＝， 所以R＝＝＝ Ω＝20 Ω. (3)设降压变压器原线圈上电压为U3，则有 U3＝U2－I2R＝(2 000－5×20) V＝1 900 V， 所以降压变压器原、副线圈匝数比 ＝＝＝. 答案　(1)　(2)20 Ω　(3) 【变式2】 (多选)风力发电将风的动能转化为电能，某风力发电机的输出功率为10 kW，输出电压为250 V，用户得到的电压是220 V，输电线的电阻为20 Ω，输电线路的示意图如图所示．若输电线因发热而损失的功率为输送功率的5%，变压器均视为理想变压器，则下列说法正确的是(　　) A．用户得到的功率为9.5 kW B．通过输电线的电流为4 A C．升压变压器原、副线圈的匝数之比为1∶8 D．降压变压器原、副线圈的匝数之比为100∶11 答案　AC 解析　用户得到的功率即降压变压器的输出功率P用＝P－P损＝P×(1－5%)＝9.5 kW，选项A正确；输电线损失的功率P损＝P×5%＝0.5 kW，通过输电线的电流I2＝＝5 A，选项B错误；升压变压器的输出电压U2＝＝2 000 V，可得升压变压器原、副线圈的匝数之比＝＝，选项C正确；输电线上的电压损失U线＝I2R线＝100 V，降压变压器原线圈两端的电压U3＝U2－U3＝1 900 V，可得降压变压器原、副线圈的匝数之比＝＝，选项D错误． 1．(对功率损失的理解)(多选)如图所示为远距离交流输电的简化电路图．发电厂的输出电压是U，用等效总电阻是r的两条输电线输电，输电线路中的电流是I1，其末端间的电压为U1.在输电线与用户间连有一理想变压器，流入用户端的电流为I2.则(　　) A．用户端的电压为 B．输电线上的电压降为U C．输电线路上损失的电功率为Ir D．输电线路上损失的电功率为I1U 答案　AC 解析　由理想变压器输入、输出功率相等可知P1＝P2，即U1I1＝U2I2，U2＝，选项A正确；输电线上的电压降为U线＝U－U1，选项B错误；输电线路上损失的电功率为P线＝Ir＝I1U线＝I1U－I1U1，选项C正确，D错误． 2．(对功率损失的理解)用电压U和kU分别输送相同的电功率，且在输电线上损失的功率相同，导线长度和材料也相同，此两种情况下导线的横截面积之比为(　　) A．k∶1 B．1∶k C．k2∶1 D．1∶k2 答案　C 解析　由R＝ρ，P＝UI，ΔP＝I2R，得ΔP＝，可见在其他物理量一定时，S与U2成反比，选项C正确． 3．(远距离输电问题)(多选)如图所示，甲是远距离输电线路的示意图，乙是发电机输出电压随时间变化的图像，则(　　) A．用户用电器上交流电的频率是50 Hz B．发电机输出交流电的电压有效值是500 V C．输电线的电流只由降压变压器原、副线圈的匝数比决定 D．当用户用电器的总电阻增大时，输电线上损失的功率减小 答案　AD 解析　由题图乙可知交流电的周期为0.02 s，频率为50 Hz，选项A正确；发电机输出电压的有效值是 V，选项B错误；输电线上的电流由用户消耗的功率及降压变压器原、副线圈的匝数比共同决定，选项C错误；当用户用电器的总电阻增大时，设降压变压器副线圈两端的电压为U4，则U4没变，由P＝知，用户消耗功率变小，降压变压器输入功率变小，设降压变压器原线圈电压为U3，又P入＝I线U3，U3没变，I线变小，P线＝IR线，R线未变，则输电线上损失的功率减小，选项D正确． 4．(远距离输电问题)发电机的输出电压为220 V，输出功率为44 kW，每条输电线的电阻为0.2 Ω，问： (1)此时用户得到的电压和电功率各为多少？ (2)如果发电站先用变压比为1∶10的升压变压器将电压升高，通过同样的输电线路后经10∶1的降压变压器将电压降低后供给用户，则用户得到的电压和电功率各是多少？ 解析　(1)输电线上的电流IR＝＝ A＝200 A， 损失的电压UR＝IRR＝2×0.2×200 V＝80 V， 损失的功率PR＝URIR＝80×200 W＝16 kW， 故用户得到的电压U用户＝U－UR＝140 V， 用户得到的功率P用户＝P－PR＝28 kW. (2)已知升压变压器的匝数比n1∶n2＝1∶10， 输入电压U1＝220 V， 因此，升压变压器的输出电压 U2＝U1＝2 200 V， 输电线上的电流I′R＝＝ A＝20 A， 损失的电压U′R＝I′RR＝2×0.2×20 V＝8 V， 损失的功率P′R＝U′RI′R＝8×20 W＝160 W， 因此，降压变压器的输入电压 U3＝U2－U′R＝2 192 V， 已知降压变压器的匝数比n3∶n4＝10∶1， 所以用户得到的电压U4＝U3＝219.2 V， 用户得到的功率P′用户＝P－P′R＝43.84 kW. 答案　(1)140 V　28 kW　(2)219.2 V　43.84 kW 学科网（北京）股份有限公司 $$