第3章 第4节 电能的输送-【创新教程】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册五维课堂同步Word教案（人教版2019）

第4节　电能的输送 知识导图 核心素养 1.科学思维：通过降低输电损耗的分析，体会科学思维的在构建物理模型中的重要作用 2.科学态度与责任：通过对简单的远距离输电线路分析与计算，体会科技对社会发展的推动作用 [知识梳理] 知识点一　降低输电损耗的两个途径 1．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 ． 2．降低输电损耗的两个途径 　由公式P损＝I2r知，有两个途径能减少输电损耗： (1)减小输电线的电阻：在输电距离一定的情况下，选用 电阻率 较小的金属材料，尽可能增大导线的 横截面积 ．但过粗的导线会耗费太多的金属材料，而且输电线太重、太粗也给铺设工程带来困难． (2)减小输电线中的电流：在保证功率不改变的情况下，要减小输送电流就必须提高 输电电压 ． 前一种方法的作用十分有限，一般采用后一种方法． 3．高压输电 (1)现代远距离输电的电压都很高，目前我国远距离送电采用的电压有110 kV、220 kV、330 kV，输电干线已经采用500 kV和750 kV的超高压，西北电网甚至达到1 100 kV的特高压． (2)高压输电也不是越高越好．电压越高，对输电线路 绝缘性能 和变压器的要求就越高，线路修建费用会增多． (3)实际输送电能时要综合考虑 输送功率 、距离、技术和经济等要求选择合适的电压． 知识点二　电网供电 1．电网 通过 网状 的输电线、变电站，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 ． 2．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． [基础自测] 1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)一般发电机组输出电压在10 kV左右，符合远距离输电的要求．( × ) (2)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．( × ) (3)采用电网送电可以降低一次能源的运输成本，获得最大的经济效益．( √ ) 2．电能输送中，U为输电电压，r为输电线电阻，则输电线中电流为I＝对不对，为什么？ 提示　不对，因为U是输电电压，而不是输电线上损失的电压ΔU，输电线中电流应为I＝. 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 输电线上电压和功率损耗的计算 ◆[探究导引] 　(1)为什么在用电高峰期家中的白炽灯灯光较暗？ (2)“提高电压，降低电流”与欧姆定律矛盾吗？ 提示　(1)用电高峰期高压输电线和变压器到家庭的输电线中电流较大，有较大的电压损失，因此加在白炽灯上的电压变低，达不到额定功率，因此白炽灯灯光较暗． (2)不矛盾．欧姆定律是对纯电阻耗能元件而成立的定律，而“提高电压，降低电流”是从输送角度，由P＝IU，且在P一定的条件下得出的结论，两者没有联系． ◆[探究归纳] 1．输电线上的电功率损耗 (1)原因：输电导线有电阻R线，电流流过输电线时，电流的热效应引起电功率的损耗． (2)计算式：①P线＝I2R线；②P线＝IU线；③P线＝. 2．输电线上的电压损耗 若用U表示输电线始端电压，U′表示输电线末端电压，则U线＝U－U′或U线＝IR线． 3．电压损失与输电电压的关系 如果远距离输电的电功率P不变，输电电压为U，输电导线电阻为R线，则输电导线上发热损失的功率P损＝I2R线＝R线，因此输电电压若提高到nU，则P损将减为原来的. 4．注意：交流输电时，导线不但有电阻，还有线路的电感、电容产生的感抗和容抗，但高中阶段计算中，可将输电线看作纯电阻电路，不再考虑感抗和容抗对交流电路的影响． [例1]　某变电站用220 V的电压输电，导线上损失的功率为输送功率的20%.若要使导线上损失的功率降为输送功率的5%，则输电电压应为多少？ [解析]　设输送功率为P，输电电压U1＝220 V时，损失功率ΔP1＝20%P 又因为ΔP1＝IR线，I1＝ 解得ΔP1＝R线 现要求ΔP2＝5%P，同理ΔP2＝R线 因此可得＝＝ 所以U2＝2U1＝440 V. [答案]　440 V [规律总结]　计算输电线上功率损耗的方法 1．ΔP＝I2R，I为输电线上的电流，R为线路电阻． 2．ΔP＝，U线为输电线路上损耗的电压，R为线路电阻． 3．ΔP＝U线·I，U线为输电线上损耗的电压，I为线路上的电流． ◆[跟进训练] 1．在远距离输电过程中，为减少输电线路上的电能损失，可采用的最佳方法是(　　) A．使输电线粗一些 B．减短输电线长度 C．减少通电时间 D．采用高压输电 解析：D　[从造成电能损失的原因分析，要减少电能损失，需要减小电阻或减小输电电流．减小电阻的方法实现起来较困难，因此应当采用高压输电，减小输电电流．D正确．] 2．随着社会发展，人类对能源的需求日益增加，节能变得愈加重要．甲、乙两地采用电压U进行远距离输电，输电线上损耗的电功率为输入总功率的k(0＜k＜1)倍．在保持输入总功率和输电线电阻都不变的条件下，现改用5U的电压输电，若不考虑其他因素的影响，输电线上损耗的电功率将变为输入总功率的多少倍(　　) A.　　 B.　　　C．5k　　　D．25k 解析：A　[设输送的电功率为P.当输送电压为U时，在线路上损失的功率为：ΔP＝I2R，由I＝，得：ΔP＝.同理，当输送电压为5U时，在线路上损失的功率为：ΔP′＝，据题有：ΔP＝kP，联立计算得出：ΔP′＝P，即输电线上损耗的电功率将变为输入总功率的倍，所以A正确．] 高压输电线路的分析与计算 ◆[探究导引] 　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．请探究以下几个问题： (1)火力发电厂或水电站发出电的电压一定很高吗？怎样才能提高输送电压？ (2)电能的远距离传输一般要经过哪几个环节？ 提示　(1)电厂发出的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． (2)一般要经历三个环节，即升压变压器升压、电能的输送线路、降压变压器降压． ◆[探究归纳] 1．输送过程图 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(U线＝U2－U3＝I2R线)，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，这就是输电线上的电压损失． 3．基本关系式 (1)功率关系：P1＝P2，P2＝P线＋P3，P3＝P4. (2)电压、电流关系 ＝＝，＝＝， U2＝U线＋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U线＝IR线＝2R线． [例2]　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，求： (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，经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？ [思路点拨] ⇒⇒ [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 用户得到的功率为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IR′＝＝ A＝20 A 损失的电压UR′＝IR，R＝2×0.2×20 V＝8 V 损失的功率PR′＝UR′IR′＝8×20 W＝160 W 因此，降压变压器的输入电压U3＝U2－UR′＝2192 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－PR′＝43.84 kW. [答案]　(1)140 V　28 kW　(2)219.2 V　43.84 kW [规律总结]　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) ◆[跟进训练] 1．如图为远距离输电的简化电路图．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．输电线路上损失的电功率I1U B．输电线上的电压降为U C．理想变压器的输入功率为Ir D．用户端的电压为 解析：D　[发电厂的输出电压是U，末端间的电压为U1，输电线路上损失的电功率是I1(U－U1)，故A错误；发电厂的输出电压是U，所以输电线上的电压不可能降为U，故B错误；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，所以输电线损耗的功率是Ir，故C错误；由于输电线与用户间连有一理想变压器，设用户端的电压是U2，则U1I1＝U2I2，得U2＝，故D正确．] 2．输送4.0×106 W的电能，若发电机输出电压为2 000 V，选用变压器升压后用横截面积为4.25 cm2的铜导线，把电能送到400 km远处，线路损耗的功率为5.0×105 W．若已知铜的电阻率ρ＝1.7×10－8 Ω·m，求： (1)应选用匝数比为多少的升压变压器； (2)在用户方使用降压变压器，其原线圈两端的电压为多大． 解析：(1)由P＝I2R得I＝，式中P为线路损耗功率，R为线路总电阻， 两条导线总电阻R＝ρ＝ρ， 则R＝1.7×10－8× Ω＝32 Ω 所以I＝＝125 A 因为P输入＝P输出，所以在升压变压器副线圈两端的电压为U2＝＝3.2×104 V 故＝＝. (2)设U2′为降压变压器原线圈两端的电压，则U2′＝U2－IR＝2.8×104 V. 答案：(1)1∶16　(2)2.8×104 V 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 [易错点1]　不能区分输电电压和输电线上损失的电压而致错 [例1]　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．输电线上输送的电流大小为2.0×105 A B．输电线上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 [错解]　D [错因分析]　根据电功率公式P＝，误认为ΔP＝，而错选D.产生错解的原因是未正确理解公式ΔP＝中的电压是电阻r两端的电压，而D选项中U为输电电压，并不是电阻r两端的电压． [正解]　B [解析]　当U＝500 kV时，I＝＝ A＝6×103 A，而U损＝Ir＝15 kV，A错误，B正确；输电线上损失的功率不可能比输出功率还大，C错误；ΔP＝中，U为输电线电阻上的电压，而不是输电电压，D错误． [误区警示]　输电电压为升压变压器的输出电压，电压损失为输电导线上损失的电压ΔU，求解输电导线上的电流时要用I＝，I＝，而不能用I＝.可以用公式P损＝2r计算输电线上损失的电功率，输电线路为纯电阻电路时，也可以用P损＝，但ΔU与U是两个不同的电压． [易错点2]　对远距离输电过程中各物理量的制约关系不明确 [例2]　(多选)在图所示的远距离输电电路图中，升压变压器和降压变压器均为理想变压器，发电厂的输出电压和输电线的电阻均不变．随着发电厂输出功率的增大，下列说法正确的有(　　) 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 [正解]　CD [解析]　匝数比和输入电压U1不变，由U1∶U2＝n1∶n2可知，输出电压U2不变，故A项错误；因P变大，I＝，则I变大，又U损＝IR，故U损变大，U3＝U2－U损，因此降压变压器的输入电压U3变小，而降压变压器的匝数比不变，故降压变压器的输出电压U4变小，B项错误；由P损＝()2R可知，因U2不变、P变大，所以P损变大，故C项正确；因U2不变、P变大，由＝＝可知，变大，故D项正确． [易错分析]　本题易因未弄清远距离输电过程中各个物理量间的制约关系而出错． [误区警示]　本题属于顺序性比较强的题目，稍有不慎，就会出现错误，要想正确地求解本题，应从输出功率增大这一变化开始，得出输出电流增大这一关键点，然后按照远距离输电的过程图，由左到右，逐步分析，避免出错． ◆[课堂小结] 　　 1．(输电线路上功率损耗)以下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 解析：C　[输电导线上损失的功率P损＝I2R＝，ΔU指输电线上损失的电压，而不是输电电压．故C正确．] 2．(高压输电线路的分析与计算)(多选)在远距离输电中，输电导线的总电阻为R，升压变压器输出的电压为U1，输出功率为P，降压变压器得到的电压为U2，则下面表示导线上的功率损失正确的是(　　) A.　　　　　　　　　 B．()2R C. D.－ 解析：BC　[升压变压器的输出电压为U1，降压变压器的输入电压为U2，则输电线上的电压损失ΔU＝U1－U2，升压输电线上损失的功率P损＝ΔUI＝(U1－U2)I，P损＝ΔUI＝＝，因为输电线上的电流为I，则输电线上损失的功率P损＝I2R＝()2R，故B、C正确，A、D错误．] 3．(输电线路上功率损耗)水电站向小山村输电，输送电功率为50 kW，若以1 100 V送电，则线路损失为10 kW，若以3 300 V送电，则线路损失可降为(　　) A．3.3 kW B．1.1 kW C．30 kW D．11 kW 解析：B　[由P＝UI，ΔP＝I2r可得：ΔP＝r，所以当输送电压增大为原来的3倍时，线路损失变为原来的，即ΔP≈1.1 kW，B正确．] 4．(远距离输电)远距离输电线路的示意图如图所示，若发电机的输出电压不变，则下列叙述正确的是(　　) A．升压变压器的原线圈中的电流与用户用电设备消耗的功率有关 B．输电线中的电流只由升压变压器原、副线圈的匝数比决定 C．当用户用电器的总电阻减小时，输电线上损耗的功率减小 D．升压变压器的输出电压等于降压变压器的输入电压 解析：A　[发电机到升压变压器的距离一般比较小，导线的电压降比较小，导线上的电能损耗比较小，可认为发电机的输出功率等于升压变压器的输入功率，等于远距离输电线上损耗的功率加上降压变压器的输入功率，而降压变压器的输入功率由用户的实际功率决定．所以用户的实际功率决定了升压变压器的输出和输入功率，因此升压变压器的输入电流与用户的实际功率有关，选项A正确，B错误；用户用电器的总电阻减小，功率增大，输电线上的电流增大，功率损失增加，选项C错误；由于远距离输电，导线的电阻不能忽略不计，导线上的电压降不能忽略，升压变压器的输出电压大于降压变压器的输入电压，选项D错误．] 5．(远距离输电)如图甲所示，发电机的输出电压为220 V，输出功率为44 kW，每条输电线电阻为0.2 Ω，求用户得到的电压和电功率各是多少？如果如图乙所示，发电机先用变压比为1∶10的升压变压器将电压升高，经同样的输电线且经变压比为10∶1的降压变压器降压后再供给用户，则用户得到的电压和电功率各是多少？ 解析：采用220 V低压直接供电时，回路总电流I＝＝A＝200 A 线路上的电压损失U损＝I×2R线＝200×2×0.2 V＝80 V 线路上损失的功率P损＝I2×2R线＝2002×0.4 W＝1.6×104 W＝16 kW 则用户获得的电压U用＝U1－U损＝140 V 用户获得的功率P用＝P0－P损＝2.8×104 W＝28 kW 若采用题图乙所示高压供电，由升压变压器规律＝得U1＝＝2 200 V 升压后的输电电流I1＝＝20 A 则线路上的电压损失U损＝I1×2R线＝20×2×0.2 V＝8 V 线路上的功率损失P损＝I×2R线＝202×0.4 W＝160 W 则降压变压器原线圈上电压为 U2＝U1－U损＝2 200 V－8 V＝2192 V 则＝得 U用＝＝219.2 V P用＝P0－P损＝(44 000－160)W＝4.384×104 W＝43.84 kW. 答案：140 V　28 kW　219.2 V　43.84 kW 学科网（北京）股份有限公司 $$