第3章 第4节 远距离输电-【金版教程】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册创新导学案教用Word（粤教版2019）

物理 选择性必修 第二册(粤教) 第四节　远距离输电 1．知道影响远距离输电中电功率和电压损耗的因素，会计算电功率损耗和电压损耗．2．知道高压交流输电的优点，能利用变压器、电路知识对远距离输电线路进行定量计算．3．了解高压直流输电． 一　远距离输电中的电功率和电压损耗 1．远距离输电中的电功率损耗 P损＝P总－P用＝I2r．(其中r为输电线电阻) 2．远距离输电中的电压损耗 U损＝U－U用＝Ir．(其中r为输电线电阻) 二　高压交流输电 1．降低输电损耗的两个途径 根据P损＝I2r，减少电能损耗的方法有两种： (1)减小输电线的电阻：在输电导线长度一定的情况下，为了减小电阻，应当选用电阻率小、横截面积大的导线． (2)减小输电导线中的电流：在保证输送功率不变的前提下，可通过提高输电电压以减小输电电流． 2．高压交流输电 (1)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)输电方案：采用电能输配电网． 三　直流输电 1．优点：避免输电线路因电感导致的电能损耗，不存在需要发电机同步运行的问题． 2．直流输电示意图 1．判一判 (1)由P＝可知，输电电压越小，输电线上电功率的损失就越小．(　　) (2)输电线上电功率的损失，与输电线的电阻成正比，与输电电流的平方成正比．(　　) (3)减少输电损耗可通过减小输电线的电阻和降低输电电流来实现．(　　) (4)现在世界各国普遍采用一个电厂与一批用户“一对一”的供电方式．(　　) (5)采用高压直流输电可以降低输电损耗．(　　) 提示：(1)×　(2)√　(3)√　(4)×　(5)√ 2．想一想 如图为一高压危险标志，随着电压的增加，用电危险性也会跟着增加，为什么要高压输电？ 提示：在保证输送功率不变的前提下，可通过提高输电电压以减小输电电流，从而减小电能损耗． 课堂任务　远距离输电 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”． 活动1：如图甲，为了合理高效地利用自然资源，发电厂一般离用户很远，需要远距离传输电能．输送电能的基本要求应该是什么？ 提示：安全、保质地输送电能，同时减少电能损耗． 活动2：远距离输电时，线路很长，所以线路电阻很大，考虑输送电能的基本要求，会出现什么损失？ 提示：由于输电线长，电阻大，当电流通过输电线时，产生热量Q，损失一部分电能，同时损失一部分电压． 活动3：如图乙，设输电线电阻为r，流过的电流为I，试写出上述损失的表达式． 提示：功率损失P损＝I2r，电压损失ΔU＝Ir． 活动4：由表达式可知，有哪些途径能减少输电损耗？ 提示：由表达式P损＝I2r、ΔU＝Ir可知，要减少功率损失和电压损失，有两个途径：(1)减小输电线的电阻．因为输电距离一定，由R＝ρ知，只能采用电阻率小的材料或增加导线的横截面积．(2)减小输电线中的电流． 活动5：通过计算输电线路损耗的功率，你认为哪个途径对于降低输电线路的损耗更有效？ 提示：根据P损＝I2r，输电电流I一定时，电阻r减小为原来的，P损也减小为原来的；电阻r一定时，电流I减小为原来的，P损则减小为原来的，可见减小输电电流效果更好． 活动6：对于如图乙所示的输电电路，怎样计算用户消耗的功率？ 提示：P用＝U用I＝P－P损＝P－r． 活动7：在用户的用电功率一定的前提下，图乙电路中怎样才能减小输电电流？ 提示：保证P用＝P－P损＝P－r不变，要减小输电电流I＝，应该提高输电电压，所以输电电路图中要在发电厂添加一个升压变压器． 活动8：用户得到的电压应保持一定值，在活动7中得到的输电线路是否符合要求？如果不符合怎么办？ 提示：已知输电电压U，线路的损失电压ΔU＝Ir，输电电流I＝，所以用户得到的电压U用＝U－r，输电电压U经过升压变压器升压，U用变大，不符合要求．所以应在输电线路末端添加一个降压变压器来减小U用，使之达到用电器的额定电压． 1．输电损耗 (1)输电线上的电压损失 输电线路始端电压U跟末端电压U′的差值，称为输电线路上的电压损失，ΔU＝U－U′，如图所示． ①造成电压损失的因素 a．输电线电阻造成电压损失，ΔU＝Ir． b．输电线的感抗和容抗造成电压损失． 注：高中阶段在计算时只考虑输电线电阻所造成的电压损失． ②减小输电线路上电压损失的方法 a．减小输电线的电阻r．增大输电导线的横截面积或选用电阻率小的材料来减小电阻． b．减小输电电流I． (2)输电线上的功率损失 发电厂的输送功率P与用户端的功率P′的差值，称为输电线上的功率损失，ΔP＝P－P′． ①原因：任何输电线都有电阻，因此当电流通过输电线向远方输送时，输电线因有电阻而发热． ②功率损失的计算 ΔP＝I2r＝＝ΔUI＝r． ③减少功率损失的方法 根据公式ΔP＝I2r可知，减少输电线路上功率损失的方法主要有两种： a．减小输电线的电阻r．根据r＝ρ判断：由于输电距离一定，所以在实际中不可能用减小l来减小r；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；增大导线的横截面积S，但这会多耗费金属材料，增加成本，同时给输电线的铺设带来很大的困难． b．减小输电电流I．根据I＝判断：在实际中要保证向用户提供的电功率P一定，所以只能提高输电电压U． 2．高压交流输电 (1)输电线路的构成 由发电机、升压变压器、输电导线、降压变压器、用电器构成，即“三个回路两个变压器”，如图所示： 由于发电机本身的输出电压不可能很高，所以采用高压输电时，在发电厂内需用升压变压器升压后再由输电线输出，到用电区再用降压变压器降到用户所需的电压． (2)对高压输电中几个电压的理解 ①输送电压：输电线始端电压，如上图中的U2． ②用户电压：最终用户得到的电压，如上图中的U4． ③损失电压：输电线始端电压与末端电压的差值(ΔU)，形成的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要低． (3)远距离输电的基本关系 ①功率关系 P1＝P2，P3＝P4，P2＝ΔP＋P3→能量守恒． ②电压、电流关系 ＝＝，＝＝→理想变压器 U2＝ΔU＋U3，I2＝I3＝I线． ③输电电流 I线＝＝＝． ④输电线上损耗的电功率 ΔP＝I线ΔU＝Ir＝r． ⑤输电线上损失的电压 ΔU＝I线r＝U2－U3． 例　如图所示，某小型水电站的发电机输出电压为220 V，正常情况下输出的总功率P0＝8．8×104 W，为了减少远距离输电过程中的电能损失，往往采用高压输电．输送电压为u＝1100sin120πt(V)，输电导线的总电阻为r＝5 Ω，恰能使额定电压为220 V的用电器正常工作，求： (1)输电线上损失的电压； (2)降压变压器的匝数比和用电器的额定功率． (1)如何求高压远距离输电过程中的输电电流？ 提示：I线＝＝＝． (2)高压远距离输电过程中，各部分的电压关系是什么？ 提示：＝，＝，U2＝U损＋U3． (3)高压远距离输电过程中，各部分的功率关系是什么？ 提示：P1＝P2，P3＝P4，P2＝P损＋P3． [规范解答]　(1)由输送电压为 u＝1100sin120πt(V) 可知输送电压的有效值为U2＝1100 V 输电线上的电流： I＝＝ A＝80 A 输电线上损失的电压： U损＝Ir＝80×5 V＝400 V． (2)降压变压器原线圈两端的电压： U3＝U2－U损＝1100 V－400 V＝700 V 所以降压变压器的匝数比： ＝＝＝ 输电线损耗的电功率： P损＝I2r＝802×5 W＝3．2×104 W 到达降压变压器的电功率： P3＝P0－P损＝8．8×104 W－3．2×104 W＝5．6×104 W 理想变压器的输出功率等于输入功率，所以用电器的额定功率也是5．6×104 W． [答案]　(1)400 V　(2)　5．6×104 W 　远距离输电线路分析与计算的关键 (1)输电导线的电阻是功率损失和电压损失的原因所在． (2)输电电流是联系各物理量的枢纽． (3)电路被划分为三个独立的回路，每个回路均可以应用闭合电路欧姆定律和串、并联电路规律，而变压器的电压、电流、功率关系是联系不同回路的桥梁． [变式训练]　某水电站，用总电阻为2．5 Ω的输电线输电给500 km外的用户，其输出电功率是3×106 kW．现用500 kV电压输电，则下列说法正确的是(　　) A．输电线上的电流大小为2．0×105 A B．输电线上由电阻造成的电压损失为15 kV C．若改用5 kV电压输电，则输电线上损失的功率为9×108 kW D．输电线上损失的功率为ΔP＝，U为输电电压，r为输电线的电阻 答案　B 解析　输电线上的电流为I输＝＝＝6000 A，故A错误；输电线上由电阻造成的电压损失为U损＝I输R线＝6000 A×2．5 Ω＝1．5×104 V＝15 kV，故B正确；若输电电压为5 kV，则输电线上损失的功率不可能大于输电总功率3×106 kW，故C错误；ΔP＝中，U应当为输电线上损失的电压，故D错误． 1．(降低输电损耗的途径)以下关于电能输送的说法，正确的是(　　) A．由公式P＝知，输电电压越低，输电线上的功率损失越少 B．由公式P＝知，输电线电阻越大，输电线上的功率损失越少 C．由公式P＝I2R知，输电电流越大，输电线上的功率损失越大 D．由公式P＝UI知，输电线上的功率损失与电流成正比 答案　C 解析　输电线损失的功率ΔP＝I2R，故当R一定时，ΔP与I2成正比，C正确，D错误；由ΔP＝I2R＝R知，输电电压U越高，ΔP越小，故A错误；由ΔP＝I2R知，R越小，ΔP越小，B错误． 2．(远距离输电分析)(多选)如图为模拟远距离输电电路，两理想变压器的线圈匝数n1＝n4<n2＝n3，A1、A2、A3为相同的理想交流电流表．当a、b端接入低压交流电源时，则(　　) A．A1、A3的示数相等 B．A1、A2、A3的示数相等 C．A1的示数大于A2的示数 D．A2的示数大于A3的示数 答案　AC 解析　因为＝，＝，n1＝n4<n2＝n3，故I1>I2，I4>I3，即A1的示数大于A2的示数，A2的示数小于A3的示数；又I2＝I3，所以I1＝I4，即A1、A3的示数相等．A、C正确，B、D错误． 3．(降低输电损耗的途径)远距离输电时，在输送电功率不变的条件下(　　) A．只有增大导线的电阻，才能减小电流，提高输电效率 B．提高输电电压，能减小电流，提高输电效率 C．提高输电电压，势必增大输电导线上能量损耗 D．提高输电电压，势必增大输电导线上的电流 答案　B 解析　根据P＝UI知，输送电功率一定，输电电压不变，则输电电流一定，而ΔP＝I2r，导线电阻增大，则损失功率增大，输电效率减小，故A错误；输出功率一定，由P＝UI知，当U增大时，I减小，根据ΔU＝Ir、ΔP＝I2r知电压损失和能量损耗都减小，输电效率增大，故B正确，C、D错误． 4．(输电功率损失)(多选)陕西神木750 kV输变电工程投入运行后，对同一输电线路，相比原来的250 kV输电，下列说法正确的是(　　) A．输电线上的电流频率将变为原来的三分之一 B．输电线上的电流将变为原来的三分之一 C．输电线上损失的电功率将变为原来的三分之一 D．输电线上损失的电功率将变为原来的九分之一 答案　BD 解析　高压输电不改变交流电的频率，A错误；根据I＝可知，输电线上的电流变为原来的三分之一，B正确；输电线上损失的电功率ΔP＝I2r，变为原来的九分之一，C错误，D正确． 5．(远距离输电分析)远距离输电的原理图如图所示，升压变压器原、副线圈的匝数分别为n1、n2，电压分别为U1、U2，电流分别为I1、I2，输电线上的电阻为R，变压器为理想变压器，则下列关系式中正确的是(　　) A．＝ B．I2＝ C．I1U1＝IR D．I1U1＝I2U2 答案　D 解析　对只有一组副线圈的理想变压器来说，通过原、副线圈的电流之比等于原、副线圈的匝数之比的倒数，故A错误；设用户端的降压变压器的原线圈两端电压为U3，由闭合电路欧姆定律有U2＝I2R＋U3，则I2＝，故B错误；由能量守恒定律得U1I1＝U2I2＝IR＋U3I2，故C错误，D正确． 6．(远距离输电的计算)如图所示为某一输电示意图，发电厂的发电机输出功率为100 kW，输出电压U1＝500 V，升压变压器原、副线圈的匝数比为n1∶n2＝1∶20，输电线电阻为40 Ω，用户需要的电压U4＝220 V，变压器均为理想变压器．则(　　) A．输电线上的输送电流为250 A B．输电线上损失的电压为280 V C．输电线上损失的电功率为4 kW D．降压变压器的原、副线圈的匝数比为n3∶n4＝48∶11 答案　C 解析　根据理想变压器原、副线圈两端的电压与匝数成正比得＝，所以有U2＝U1＝10000 V，发电机的输出功率为100 kW，所以有P2＝P1＝100 kW，输电线中电流为I2＝＝10 A，故A错误；输电线上的电压损失U′＝I2r＝400 V，故B错误；输电导线上损失的电功率为P′＝Ir＝4000 W＝4 kW，故C正确；降压变压器原线圈两端的电压U3＝U2－U′＝9600 V，降压变压器原、副线圈的匝数比是＝＝，故D错误． 7．(远距离输电的计算)某小型实验水电站输出功率是20 kW，发电机组电压为380 V，输电线路总电阻是6 Ω． (1)若直接采用380 V电压输电，求输电线路损耗的功率和用户得到的电压； (2)若改用5000 V高压输电，用户端利用n3∶n4＝22∶1的变压器降压，求升压变压器的匝数比、用户得到的电压以及输电效率． 答案　(1)16．62 kW　64．22 V　(2)　226．18 V　99．52% 解析　(1)输电线上的电流强度为 I1＝＝ A＝52．63 A 输电线路损耗的功率为 P损1＝Ir＝52．632×6 W＝16620 W＝16．62 kW 用户得到的电压为 U用＝U1－I1r＝380 V－52．63×6 V＝64．22 V． (2)改用高压输电后，升压变压器的匝数比 ＝＝ 输电线上的电流强度变为 I2＝＝ A＝4 A 用户端在变压器降压前获得的电压为 U3＝U2－I2r＝5000 V－4×6 V＝4976 V 根据＝得用户得到的电压为 U4＝U3＝×4976 V＝226．18 V 输电线路损耗的功率P损2＝Ir＝96 W 则输电效率η＝＝99．52%． 8．(远距离输电的动态分析)(多选)昆明石龙坝水电站是中国第一座水电站，距离昆明30 km，最初装机容量为480 kW．如图所示为电站向昆明某片区供电的示意图，若忽略发电机内阻，发电机的输出电压不变，变压器为理想变压器，在装机容量内，傍晚用电高峰时，用户区使用的用电器增多，下列说法正确的是(　　) A．输电电流减小 B．输电线路损失功率增大 C．用户区的电压不变 D．输电效率减小 答案　BD 解析　发电机的输出电压U1＝U不变，升压变压器的匝数比不变，则输电电压U2不变，用户区使用的用电器增多，所以降压变压器及负载的等效电阻R等效减小，而R等效与2r串联在电压为U2的电源上，则输电电流I增大，A错误；根据P损＝I2·2r，输电电流I增大，可知输电线路损失的功率增大，B正确；降压变压器原线圈两端的电压U3＝U2－I·2r，输电电流I增大，可知U3减小，根据理想变压器电压与匝数的关系，可知用户区的电压U4降低，C错误；输电效率η＝×100%＝×100%＝×100%，输电电流I增大，则输电效率减小，D正确． [名师点拨]　与原线圈所在电路中含负载的变压器动态变化问题类似，分析远距离输电的动态变化问题时，可根据所要分析的物理量，将降压变压器及其负载看成一个等效电阻R等效，或者将升压变压器、输电线路、降压变压器及负载整体看成一个等效电阻R等效′，然后根据闭合电路的规律分析各物理量的变化． 9．(综合)如图所示，用一小型交流发电机向远处用户供电，已知发电机线圈abcd匝数N＝100匝，面积S＝0．03 m2，线圈匀速转动的角速度ω＝100π rad/s，匀强磁场的磁感应强度B＝ T，输电时先用升压变压器将电压升高，到达用户区再用降压变压器将电压降下来后供用户使用，输电线路的总电阻为R＝10 Ω，变压器都是理想变压器，降压变压器原、副线圈的匝数比为n3∶n4＝10∶1，若用户区标有“220 V，8．8 kW”的电动机恰能正常工作．发电机线圈电阻r不可忽略． (1)求输电线路上损耗的电功率ΔP； (2)若升压变压器原、副线圈匝数比为n1∶n2＝1∶8，求交流发电机线圈电阻r上的热功率与输电线路上损耗的电功率之比． 答案　(1)160 W　(2)4∶1 解析　(1)设降压变压器原、副线圈的电流分别为I3、I4，电动机恰能正常工作，有I4＝ 可得I4＝40 A 而＝ 可得I3＝4 A 输电线路上损耗的电功率ΔP＝IR 计算可得ΔP＝160 W． (2)根据＝ 可得降压变压器原线圈两端电压U3＝2200 V 升压变压器副线圈两端电压U2＝U3＋I3R 代入数据可得U2＝2240 V 根据原、副线圈电压关系有＝ 可得升压变压器原线圈两端电压U1＝280 V 发电机产生的电动势的峰值Em＝NBSω 有效值E＝ 则发电机线圈电阻r上的电压Ur＝E－U1 代入数据得Ur＝20 V 根据＝ 可得通过发电机线圈电阻r的电流I1＝32 A 则发电机线圈电阻r上消耗的热功率Pr＝I1Ur 解得Pr＝640 W 所以Pr∶ΔP＝4∶1． 12 学科网（北京）股份有限公司 $$