第4节 远距离输电（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第二册（粤教版2019）

第四节　远距离输电 核心素养导学 物理观念 (1)了解提高输电电压是降低远距离输电损耗的有效途径。 (2)了解高压交流输电、高压直流输电的概念。 科学思维 (1)会用相关知识解释实际的输电问题。 (2)通过建立远距离输电模型的过程，体会建立模型的思维方法。 科学探究 利用模型解决远距离输电问题。 科学态度与责任 理解工程技术要兼顾科学、技术、经济等多种因素，知道电网供电是远距离输电的重要发展。 U送·I I2r Ir 电阻 横截面积 电阻率 电流 输电电压 [微点拨]　前一种方法的作用十分有限，一般采用后一种方法。 2．远距离输电的基本过程示意图 三、直流输电 1．高压交流输电的局限性 输电导线中的交变电流会因电磁感应产生自感和互感损耗电能；为同一电网供电的所有发电机都必须同步运行。 2．直流输电示意图 说明：现代的直流输电，只有输电环节使用高压直流，发电、用电、升压、降压仍然使用交变电流。 1．为了检验输送电压高低对电能输送的影响，采用实验比较法，在低压交流电源上并联两个回路。一个回路只含电阻、灯泡和电流表，电阻模拟远距离输电线路上导线的电阻，灯泡模拟用户使用的效果；另一个回路先通过一个升压变压器提高电压，再通过一个降压变压器降低电压，其余线路与第一个回路相同。实验电路如图所示。 进行实验，并观察实验现象，可以得到什么结论？ 提示：L1灯泡比L2灯泡亮，电流表A1的示数小于电流表A2的示数，这说明提高电压后，输电线上电流减小，电压损失、功率损失都减小。 2．如图是远距离输电示意图，判断下列说法正误。 (1)从发电厂发出的电输送到用户均需要采用高压输电。 ( ) (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)远距离输电时，若升压变压器匝数比为1∶n，降压变压器匝数比为n∶1，则升压变压器的输入电压和降压变压器的输出电压相等。 ( ) × √ × 新知学习(一)|输电线电压损失和功率损失 [任务驱动] 如图所示，假定发电厂输出的电压为U，输送功率为P，输电线路中的电流是I，两条导线的总电阻是r(在图中把导线电阻集中画为r)。那么： (1)用户两端的电压是多大？ (2)用户得到的电能与发电厂输出的电能相等吗？ (3)输电线上功率损失的原因是什么？ [答案]　AD [针对训练] 1．远距离输送交变电流都采用高压输电。我国的交变电流高压输电技术处于世界领先地位。采用高压输电的优点是 (　 ) A．可节省输电线的金属材料 B．可根据需要调节交流电的频率 C．可减少输电线上的能量损耗 D．可加快输电的速度 答案：C 2．小明分别按图1和图2电路探究远距离输电的输电损耗，将长导线卷成相同的两卷A、B来模拟输电线路，忽略导线的自感作用。其中T1为理想升压变压器，T2为理想降压变压器，两次实验中使用的灯泡相同，灯泡的电压相等。两次实验中 (　 ) A．都接直流电源 B．A两端的电压相等 C．A损耗的功率相等 D．图1中A的电流较大 答案：D　 新知学习(二)|远距离输电问题 [重点释解] 1．输电过程示意图 2．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。 [典例体验] [典例]　有一台内阻为1 Ω的发电机，为一个学校提供照明用电，如图所示，升压变压器的匝数比为1∶4，降压变压器的匝数比为4∶1，输电线的总电阻R＝4 Ω。全校共22个班，每班有“220 V　40 W”的灯6盏，若保证全部电灯正常发光，则： (1)发电机的输出功率为多大？ (2)发电机的电动势为多大？ (3)输电线损耗的电功率为多大？ (4)输电效率是多少？ [答案]　(1)5 424 W　(2)250 V　(3)144 W (4)97.3% [变式拓展]　对应[典例]的情境，若使电灯数减半并正常发光，发电机的输出功率是否减半？ /方法技巧/ 远距离输电问题分析要点 1．分析远距离输电的思路 对远距离输电问题应按“发电机→升压变压器→远距离输电线→降压变压器→用电器”，或从用电器到发电机一步一步地进行分析。 2．远距离输电问题的四个关键 (1)画出一个模型——远距离输电模型。 (2)抓住输电的两端——发电机和用电器。 (3)分析一条线——输电线。 (4)研究两次电压变换——升压和降压。 3．注意各物理量的对应，防止张冠李戴而出错。 [针对训练] 1．(多选)快速铁路的电力机车供电系统如图所示，发电厂利用升压变压器将低压交流电的电压升至110 kV，牵引变电所利用降压变压器将电力系统输送来的高压交流电降至27.5 kV，升压变压器和降压变压器均为理想变压器，发电厂的输出电压不变，输电线的电阻R不能忽略。若机车功率增大，则 (　 ) A．升压变压器的输出电压增大 B．降压变压器的输出电压增大 C．输电线上损耗的功率增大 D．输电线上损耗的功率占总功率的比例增大 答案：CD　 2．如图是所建光伏发电项目。若光伏发电机总输出功率为36 kW，输出电压为500 V，先后经过升压变压器和降压变压器传输到用户。设输电线的总电阻为10 Ω，要求输电线中因发热而损失的功率为输送功率的4%，用户需要的电压为220 V，不计变压器的能量损耗。试求： (1)升压变压器的输出电压。 (2)升压变压器和降压变压器原副线圈的匝数比。 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 科学探究——探究远距离输电 (选自鲁科版新教材课后练习)(多选)某同学在实验室中研究远距离输电。由于输电线太长，他将每100 m导线卷成一卷，共卷成8卷来代替输电线路。第一次直接将输电线与学生电源及用电器相连，第二次采用如图所示的电路输电。其中变压器T1与电源相连，变压器T2与用电器相连。下列说法正确的是 (　 ) A．第二次实验也可研究远距离直流输电 B．T1是升压变压器，T2是降压变压器 C．若输送功率一定，则第二次输电线损失的电功率较小 D．实验可证明，增大输电电流能减少远距离输电的能量损失 答案：BC 答案：AD 答案：A 一、远距离输电中的电功率和电压损耗 1．输送功率P送与输送电压U送、输电线中电流I的关系：P送＝______。 2．电功率损耗P损与输电线中电流I的关系：P损＝____。 3．线路上电压损耗U损与输电线中电流I的关系：U损＝____。 1．减少远距离输电中电能损耗的两种方法 (1)第一种方法是减小输电线的_____。要减小输电线的电阻，从r＝ρ看，在输电导线长度l一定的情况下，应当选用_________小、__________大的导线，但过粗的导线会耗费太多的金属材料，同时也给铺设线路带来困难。 (2)第二种方法是减小输电导线中的______。从公式P＝IU来看，在保证输送功率不变的情况下，可通过提高____________以减小输电电流。 提示：(1)U′＝U－ΔU＝U－ r，或U′＝U－Ir。 (2)不相等，由能量守恒知，发电厂输出的电能等于用户得到的电能与输电线上损失的电能之和。 (3)由于输电线有电阻，当有电流流过输电线时，有一部分电能转化为电热而损失掉了，这是输电线上功率损失的主要原因。　　　　 [重点释解] 1．输电线上的电压损失：ΔU＝U－U′＝Ir＝r。 2．输电线上的功率损失 (1)ΔP＝I2r，其中I为输电线上的电流。 (2)ΔP＝ΔU·I或ΔP＝，其中ΔU为输电线上的电压损失。 3．减少电压损失和功率损失的方法 (1)减小输电线的电阻r，根据r＝ρ，可减小电阻率ρ，目前一般用电阻率较小的铜或铝作为导线材料；也可增大导线的横截面积S，但这要多耗费金属材料，增加成本，同时给输电线的架设带来很大的困难。 (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。 [典例体验] [典例]　(多选)特高压输电可使输送中的电能损耗和电压损失大幅降低。我国已成功掌握并实际应用了特高压输电技术。假设从A处采用550 kV 的超高压向B处输电，输电线上损耗的电功率为ΔP，到达B处时电压下降了ΔU。在保持A处输送的电功率和输电线电阻都不变的条件下，改用1 100 kV 特高压输电，输电线上损耗的电功率变为ΔP′，到达B处时电压下降了ΔU′。不考虑其他因素的影响，则 (　 ) A．ΔP′＝ΔP　　　 B．ΔP′＝ΔP C．ΔU′＝ΔU D．ΔU′＝ΔU [解析]　若采用550 kV的超高压输电，输电线上的功率损耗ΔP＝2·r，输电线路损失的电压ΔU＝·r，若改用1 100 kV的特高压输电，同理有ΔP′＝2·r，ΔU′＝·r，可得ΔP′＝，ΔU′＝，B、C错误，A、D正确。 /方法技巧/ 计算功率损失和电压损失的三点提醒 (1)输电电压是指加在高压输电线起始端的电压U送，损失电压是指降落在输电线路上的电压ΔU＝I线R线。 (2)输送功率是指高压输电线起始端输出的功率，损失功率是输电线上消耗的功率。 (3)输电线上的电流由I线＝计算，而不能由I线＝计算。 解析：在输电的过程中输送的功率一定，根据P＝UI和ΔP＝I2R，有：ΔP＝，故高压输电可以降低功率损耗，不可以节省输电线的金属材料，C正确，A错误；交流电的频率等于发电机转动的频率，是不改变的，B错误；电路中输电的速度与是否为高压输电无关，D错误。 解析：由于变压器只能改变交变电流，因此题图2中不可能接直流电源，A错误；T2是降压变压器，根据＝>1，由于流过两个灯的电流相等，可知题图2中流过A的电流较小，题图2中A两端的电压较低，题图2中A消耗的功率较小，B、C错误，D正确。 (3)损失电压： ①表示形式：输电线始端电压与末端电压的差值，即ΔU＝U2－U3＝I2R。 ②形成原因：输电线上的电压损失原因是输电导线有电阻，电流通过输电线时，会在线路上产生电势降落，致使输电线路末端的电压比起始端电压低。 3．输电过程的几个基本关系 (1)功率关系：P1＝P2，P2＝P线＋P3，P3＝P4。 (2)电压、电流关系： ＝＝，＝＝，U2＝ΔU＋U3， I2＝I3＝I线。 (3)输电电流：I线＝＝＝。 (4)输电导线上损耗的电功率： P线＝I线ΔU＝I线2R线＝2R线。 [解析]　(1)降压变压器输出的功率为P4＝22×6×40 W＝5 280 W，且U3＝×U4＝×220 V＝880 V，所以I2＝I3＝＝ A＝6 A 对升压变压器，发电机的输出功率 P1＝P2＝U2I2＝(U3＋I2R)I2＝U3I2＋I22R＝5 424 W。 (2)因为U2＝U3＋I2R＝880 V＋6×4 V＝904 V，所以U1＝U2＝226 V。而U1I1＝U2I2，则I1＝＝4I2＝24 A。所以发电机的电动势E＝U1＋I1r＝226 V＋24×1 V＝250 V。 (3)输电线损耗的电功率P损＝I22R＝62×4 W＝144 W。 (4)输电效率η＝×100%＝×100%≈97.3%。 提示：电灯减少一半时，n′P灯＝2 640 W I2′＝＝ A＝3 A 所以P出′＝n′P灯＋I2′2R＝2 640 W＋32×4 W＝2 676 W< 发电机的输出功率减少了一半还要多，这是因为输电线上的电流减少了一半，输电线上电功率的损失减少为原来的。 解析：因为发电厂的输出电压不变，升压变压器不变，所以升压变压器的输出电压不变，A错误；升压变压器的输入功率等于输出功率，若机车功率增大，则升压变压器的输出功率增大，由公式P＝UI可知升压变压器的输出电流增大，输电线上的功率损耗ΔP＝I2R增大，输电线上电压损耗ΔU＝IR增大，降压变压器的输入电压减小，则降压变压器的输出电压减小，B错误，C正确；设升压变压器的输出电压为U2，输出电流为I，则输电线上损耗的功率占总功率的比例为＝，因为电流I增大，所以输电线上损耗的功率占总功率的比例增大，D正确。 解析：(1)损失的功率：ΔP＝4%P＝1 440 W 设输电线上的电流为I2， 根据ΔP＝I22r，可得I2＝12 A 升压变压器的输出电压为U2＝＝3 000 V。 (2)升压变压器原副线圈的匝数比为＝＝ 输电线上损失的电压为ΔU＝I2r＝120 V 降压变压器原线圈两端的电压为 U3＝U2－ΔU＝2 880 V 降压变压器原副线圈的匝数比为＝＝。 答案：(1)3 000 V　(2)　 解析：变压器只能改变交变电流的电压，所以第二次实验只能研究远距离交流输电，A错误；采用高压输电时，T1为升压变压器，T2为降压变压器，由I＝可知，输送功率一定时，提高输电电压，可减小输电线中电流I，由P损＝I2R线可知，第二次输电线损失的电功率较小，B、C正确，D错误。 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1．(多选)某地区经常出现低温雨雪冰冻天气，高压输电线因结冰而严重损毁，如图所示。为消除高压输电线上的冰凌，有人设计了这样的融冰思路：利用电流的热效应除冰。在正常供电时，高压线上输电电压为U，电流为I，热耗功率为ΔP；除冰时，需要输电线上热耗功率为9ΔP，若输电功率和输电线的电阻不变，则除冰时 (　 ) A．输电电流为3I　　　 B．输电电流为9I C．输电电压为3U D．输电电压为U 解析：高压线上的热耗功率ΔP＝I2R线，若热耗功率变为9ΔP，则9ΔP＝I′2R线，联立得I′＝3I，A正确；又输送功率不变，P＝UI＝U′I′，得U′＝U，D正确。 2．如图所示，为了减少输电线路中电力损失，发电厂发出的电通常是经过变电所升压后通过远距离输送，再经变电所将高压变为低压。某变电所将电压u0＝11 000sin 100πt V的交流电降为220 V供居民小区用电，则变电所变压器 (　 ) A．原、副线圈匝数比为50∶1 B．副线圈中电流的频率是100 Hz C．原线圈的导线比副线圈的要粗 D．输入原线圈的电流等于居民小区各用电器电流的总和 解析：降压变压器输入电压的最大值为11 000 V，则有效值为11 000 V，则：＝＝＝50∶1，A正确；交流电的频率f＝＝＝50 Hz，经过变压器后，交流电的频率不变，B错误；降压变压器中副线圈的电流大于原线圈的电流，为了使线圈放出的热量尽量少，副线圈导线电阻应小于原线圈导线电阻，则副线圈导线比原线圈导线粗，故C错误；副线圈的电流等于居民小区各用电器电流总和，与原线圈的电流不相等，所以输入原线圈的电流不等于居民小区各用电器电流的总和，D错误。 $$