3.4 电能的远距离输送（课件PPT）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第二册（鲁科版2019）

第4节　电能的远距离输送 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 栏目索引 必备知识 自主学习 关键能力 互动探究 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 必备知识 自主学习 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 越少 越少 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 × √ 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 升压 降压 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 电感 电容 整流器 直流电流 直流电流 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 发电机 劳动生产率 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 √ × 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 关键能力 互动探究 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 谢谢观看！ 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第3章　交变电流与远距离输电 核 心 素 养 物理观念 科学思维 科学探究 科学态度与责任 建立关于电能输送的能量观念。了解从发电站到用户的输电过程。 1.理解降低输电损耗的两个途径，理解高压输电的原理，会计算输电损失。 2．掌握远距离输电的典型电路，并能利用电路知识，变压器规律等解决有关问题。 能够进行损失电压和功率的科学探究。知道远距离输电时，输电线上损失与哪些因素有关。掌握控制变量法。 能认识到物理学的理论发展是推动技术进步的源泉；对交变电流及远距离输电等有进一步了解的兴趣；能领会发电机和电动机的发明及应用对人类生活和社会发展的深远影响，能体会基础科学的重大发现在工业革命和社会发展中的作用。 知识点一 采用高压输电的原因 1.两种损失比较 主要原因 大小表示 减小办法 电功率损失 输电线有电阻，通过电流产生焦耳热 ΔP＝I2R 减小输电线的电阻R，减小输电电流I 电压损失 输电线电阻的电压降 ΔU＝IR 2.降低两种损失的途径——高压输电❶ 输送一定功率电能，输电电压越高，输电线中电流越小，导线因发热而损耗的电能______，线路上电压的损失也______。 1．为了减少能量损失，要高压输电，而且越高越好。(　 　) 2．输送功率一定时，提高输送电压，可以减少功率损失。(　 　) 知识点二 高压交流输电与直流输电 1.高压交流输电系统 (1)输电环节：在发电站附近用______变压器升高电压，用输电线输送到远方，在用电地区附近，用______变压器降到所需电压。 (2)远距离输电的电路图如图所示： 2．高压直流输电❷ (1)采用高压直流输电的原因：当交流输电功率很大时，导线的______、______引起的电压及电能损失很大；同一电网供电的发电机需同步运行，技术上存在困难。 (2)高压直流输电系统的工作程序：交变电流升压后输送到_________，把高压交变电流变换成高压____________，经由高压直流线路输送到用电地区后，将高压____________变换成高压交变电流，再经降压变压器降压。 知识点三 电能的利用与社会发展 1.发电机、电动机在工业上的运用，克服了蒸汽机在使用过程中存在的不少难题，体现出许多优越性。 2．目前使用的电能，主要来自热能、水能、原子能、风能等其他形式的能量，这些能量转换为电能都离不开_________❸。 3．电能的利用提高了_______________，解放了劳动者。 1．高压直流输电与高压交流输电的区别在于输送环节。(　 　) 2．现实中主要通过增加导线的横截面积来减小输电损耗。(　 　) 批注❶：高压输电的基本要求有： (1)可靠：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：输电线路建造和运行的费用低，电能损耗少。 批注❷：高压直流输电系统的优点： (1)当输送相同功率时，直流线路造价低，架空线路杆塔结构较简单，线路走廊窄； (2)直流输电的能量损耗小； (3)对通信干扰小； (4)不需要考虑电网中的各台交流发电机的同步运行问题等。 批注❸：火力发电是利用石油、煤炭和天然气等燃料燃烧时产生的热能将水加热，产生高压水蒸气，推动汽轮机转动，带动发电机的转子转动，将机械能转化为电能，再通过外电路把电能输送出去；水力发电和风力发电则是直接利用水和风带动发电机的转子转动，将机械能转化为电能。 探究点一　输电线上的电压损失、功率损失问题　(科学思维之提升) ►情境探究 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)用户端的电压U′与U、P、I及r之间的关系式是什么？ (2)用户得到的电能与发电厂输出的电能相等吗？为什么？ (3)功率损失的表达式是什么？降低功率损失的途径有哪些？ 提示：(1)U′＝U－ΔU＝U－Ir＝U－ eq \f(P,U) ·r。 (2)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。 (3)ΔP＝I2r＝ eq \f(P2,U2) ·r。降低功率损失有两个途径：①减小输电线的电阻r；②减小输电电流I，即提高输送电压U。 ►探究归纳 1．输电线上的电压损失ΔU 输电线上的电压损失ΔU是输电线路始端电压U与输电线路末端电压U′的差值，ΔU＝U－U′＝I·R线＝ eq \f(P,U) ·R线。 2．输电线上的功率损失ΔP (1)原因：输电线有电阻R线，电流I流过输电线时，电流的热效应引起电功率的损失。 (2)计算式： ①ΔP＝I2R线； ②ΔP＝ΔUI； ③ΔP＝ eq \f(（ΔU）2,R线) 。 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线：根据R线＝ρ eq \f(L,S) 可知，可以减小电阻率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＝ eq \f(P,U) 可知，在输送功率P与输电线的电阻R线一定的条件下，输电电压提高到原来的n倍，输送电流就可减小为原来的 eq \f(1,n) ，输电线上的功率损失将降为原来的 eq \f(1,n2) 。 ►对点例练 A．输电电流变为原来的2倍 B．输电线上损失的电压将变为原来的2倍 C．输电线上损失的电压将变为原来的 eq \f(1,2) D．输电线上损失的电功率将变为原来的 eq \f(1,2) (1)根据输送功率P输＝U输I输计算输电电流； (2)根据ΔU＝I输R线计算输电线上损失的电压； (3)根据P损＝I eq \o\al(\s\up1(2),\s\do1(输)) R线计算输电线上损失的电功率 eq \o(。,\s\do4(　,)) C　解析：由于输送功率P输不变，根据P输＝U输I输可知，输电电流I输＝ eq \f(P输,U输) ∝ eq \f(1,U输) ，当U输变为原来的2倍时，I输变为原来的 eq \f(1,2) ，A错误；当输电电流变为原来的 eq \f(1,2) 时，根据输电线上损失的电压ΔU＝I输R线∝I输可知，输电线上损失的电压也变为原来的 eq \f(1,2) ，B错误，C正确；输电线上损失的电功率P损＝I eq \o\al(\s\up1(2),\s\do1(输)) R线∝I eq \o\al(\s\up1(2),\s\do1(输)) ，所以输电线上损失的电功率将变为原来的 eq \f(1,4) ，D错误。 [练1] (2021·河南新乡高二期末)在远距离输电时，输送的电功率为P，送电的电压为U，所用导线的电阻率为ρ，横截面积为S，线路总长度为L。设输电线损失的电功率为ΔP，用户得到的电功率为P′，则下列ΔP与P′的表达式中，正确的是(　　) A．ΔP＝ eq \f(P2ρL,U2S) ；P′＝P－ eq \f(U2S,P2ρL) B．ΔP＝ eq \f(P2ρL,U2S) ；P′＝P(1－ eq \f(PρL,U2S) ) C．ΔP＝ eq \f(U2S,P2ρL) ；P′＝P(1－ eq \f(PρL,U2S) ) D．ΔP＝ eq \f(U2S,P2ρL) ；P′＝P－ eq \f(U2S,P2ρL) B　解析：由题意可知，输电线的电阻R＝ρ eq \f(L,S) ，输电电流I＝ eq \f(P,U) ，故输电线上损失的电功率为ΔP＝I2R＝( eq \f(P,U) )2R＝ eq \f(P2ρL,U2S) ，用户得到的电功率为P′＝P－ΔP＝P(1－ eq \f(PρL,U2S) )，B正确。 计算高压输电问题时的注意事项 (1)输电电压是指加在高压输电线起始端的电压U，损失电压是指在输电线路上损失的电压ΔU＝I输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)输电线上的电流应由I输＝ eq \f(P输,U输) 计算，而不能由I输＝ eq \f(U输,R线) 计算 eq \o(。,\s\do4(　,)) 探究点二　远距离高压输电过程的分析与计算　(科学思维之提升) ►情境探究 某发电站向远处输电的示意图如图所示，其中各部分的物理量已在图上标注，在这个电路中包括三个回路。 (1)结合闭合电路的知识，分别分析三个回路中各物理量之间的关系(发电机内阻，n1、n2、n3、n4线圈的电阻均忽略不计)。 (2)若两个变压器均为理想变压器，则每个变压器中的电流、电压、功率有什么关系？ 提示：(1)第一个回路：P1＝U1I1 第二个回路：U2＝ΔU＋U3，P2＝ΔP＋P3＝I eq \o\al(\s\up1(2),\s\do1(2)) R线＋P3，I2＝I3 第三个回路：P4＝U4I4 (2) eq \f(U1,U2) ＝ eq \f(n1,n2) 、 eq \f(I1,I2) ＝ eq \f(n2,n1) 、P1＝P2； eq \f(U3,U4) ＝ eq \f(n3,n4) 、 eq \f(I3,I4) ＝ eq \f(n4,n3) 、P3＝P4。 ►探究归纳 1．远距离输电的示意图 2．远距离输电中的6个基本关系 (1)功率关系：P1＝P2，P2＝P损＋P3，P3＝P4。 (2)电压关系： eq \f(U1,U2) ＝ eq \f(n1,n2) ，U2＝U线＋U3， eq \f(U3,U4) ＝ eq \f(n3,n4) 。 (3)电流关系： eq \f(I1,I2) ＝ eq \f(n2,n1) ，I2＝I线＝I3， eq \f(I3,I4) ＝ eq \f(n4,n3) 。 (4)输电电流：I线＝ eq \f(U线,R线) ＝ eq \f(P2,U2) ＝ eq \f(P3,U3) 。 (5)功率损耗：P损＝P2－P3＝I eq \o\al(\s\up1(2),\s\do1(线)) R线＝2),\s\do1(线)) eq \f(U,R线) ＝U线I线。 (6)电压损失：U损＝U线＝U2－U3＝I线R线。 3．输电效率η η＝ eq \f(P3,P2) ×100%＝(1－ eq \f(ΔP,P2) )×100%， η＝ eq \f(U3,U2) ×100%＝(1－ eq \f(ΔU,U2) )×100%＝(1－ eq \f(I线R,U2) )×100%＝(1－2),\s\do1(2)) eq \f(P2R,U) )×100%。 ►对点例练 (1)高压输电线中的电流强度I2； (2)升压变压器原、副线圈的匝数比n1∶n2； (3)该电站将水能转化为电能的效率η。 答案：(1)50 A　(2)1∶16　(3)40% 解析：(1)根据理想变压器的变压规律得 eq \f(U3,U4) ＝ eq \f(n3,n4) 解得U3＝3 800 V 又因为理想变压器无能量损失，得 P3＝P4＝1.9×105 W 再根据P3＝U3I2得I2＝50 A (2)高压输电线上损失的电压为 ΔU＝I2r＝200 V 得U2＝U3＋ΔU＝4 000 V 故n1∶n2＝U1∶U2＝1∶16 (3)高压输电线上损失的电功率为 ΔP＝I eq \o\al(\s\up1(2),\s\do1(2)) r＝10 000 V 故发电机输出的电功率为 P1＝P3＋ΔP＝2×105 W 又因为水流机械能的功率为 P0＝ eq \f(mgh,t) ＝ρQgh＝5×105 W 故水能转化为电能的效率为 η＝ eq \f(P1,P0) ×100%＝40% [练2] (2021·重庆高二期末)如图所示，一台交流发电机E，通过理想升压变压器T1和理想降压变压器T2向远处用户供电，R为输电线的总电阻。T1的输入电压、输入电流和输入功率分别为U1、I1和P1，它的输出电压、输出电流和输出功率分别为U2、I23和P2；T2的输入电压和输入功率分别为U3和P3，它的输出电压、输出电流和输出功率分别为U4、I4和P4。设T1的输入电压U1一定，当用户消耗的电功率变大时，下列说法正确的是(　　) A．U2减小，U4变大 B．U2不变，U3变小 C．U2不变，I23变小 D．I4变小，P3变大 B　解析：当用户消耗的电功率P4变大时，P3变大，I4变大，I23变大，根据U2＝ eq \f(n2,n1) U1可知，U2不变，导线上的电压损失变大，因此U3＝U2－I23R减小，根据U4＝ eq \f(n4,n3) U3可知，U4减小，B正确。 [练3] (2022·河北石家庄高三月考)随着经济发展，用电需求大幅增加，当电力供应紧张时，有关部门就会对部分用户进行拉闸限电。如图是远距离输电的原理图，假设发电厂输出电压恒定不变，输电线的电阻为R，两个变压器均为理想变压器。在某次拉闸限电后(假设所有用电器均为纯电阻)，电网中的数据发生变化，下列说法正确的是(　　) A．降压变压器的输出电压U4减小了 B．升压变压器的输出电流I2增加了 C．输电线上损失的功率减小了 D．发电厂输出的总功率增加了 C　解析：拉闸限电后，用电器减少，意味着并联支路减少，用户端总电阻增加，I4减小，I2＝I3也随着减小，输电线上的电压损失ΔU减小，由于发电厂输出电压U1恒定，输送电压U2也恒定，根据U2＝ΔU＋U3可知，U3增加，U4也增加，A、B错误；根据ΔP＝I eq \o\al(\s\up1(2),\s\do1(2)) R，可知输电线上损失的功率减小了，C正确；I2减小，I1也随着减小，发电厂输出电压U1恒定，所以发电厂输出总功率减小，D错误。 处理远距离输电问题的方法技巧 (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)。 探究点三　解决实际问题　(科学态度与责任之落实) [练4] (科技情境)某发电机说明书的部分内容如表所示。现在用一台该型号的柴油发电机给灾民临时安置区供电，如图所示。发电机到安置区的距离是400 m，输电线路中的火线和零线均为GBCZ60型单股铜导线，该型号的导线单位长度的电阻为2.5×10－4 Ω，安置区家用电器的总功率为44 kW，当这些额定电压为220 V的家用电器都正常工作时，下列说法正确的是(　　) 型号 AED6500S 输出电压范围 220～300 V 最大输出功率 60 kW A．输电线路中的电流为20 A B．发电机的实际输出电压为300 V C．输电线路上损失的电功率为8 kW D．如果该柴油发电机发出的是正弦式交变电流，则其输出电压的最大值是300 V C　解析：当这些额定电压为220 V的家用电器都正常工作时，输电线路中的电流为I＝ eq \f(P,U) ＝200 A，A错误；导线电阻为R＝2.5×10－4×400×2 Ω＝0.2 Ω，则发电机的实际输出电压为U输＝U＋IR＝260 V，B错误；输电线路上损失的电功率为P损＝I2R＝8 kW，C正确；如果该柴油发电机发出的是正弦式交变电流，则其输出电压的最大值是Um＝ eq \r(2) U输＝364 V，D错误。 [练5] (生活情境)(多选)(2022·内蒙古鄂尔多斯第一中学高二月考)如图所示，D为一插头，可接入电压恒定的照明电路中，a、b、c为三只相同的大功率电炉。a靠近电源；b、c离电源较远(输电线电阻不能忽略)，但离用户电灯L很近。关于电炉接入电路后对电灯的影响，下列说法中正确的是(　　) A．使用电炉a时对电灯的影响最小 B．使用电炉b时对电灯的影响比使用电炉a时大 C．使用电炉c时对电灯几乎没有影响 D．使用电炉a或b时对电灯的影响几乎一样 AB　解析：由于电炉a靠近电源，流过a的电流没有流过后面的输电线，不会引起输电线上的电压降，接通与不接通对电路没有影响，则使用电炉a时对电灯的影响最小，A正确；使用电炉b时，流过输电线的电流增大，输电线上的电压降增大，电灯两端的电压减少，功率减少，所以使用电炉b时对电灯的影响比使用电炉a时大，B正确；c离电源较远，c靠近电灯，使用c时，流过输电线的电流增大，输电线上的电压降增大，电灯两端的电压减少，功率减少，C错误；b、c离电源都较远，根据上面分析，对电灯影响几乎一样，都比使用a时对电灯的影响大，D错误。 $$