3.4 电能的传输(Word教参)-【优化指导】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册（教科版2019）

第4节　电能的传输 物理观念 科学探究 科学态度与责任 　　了解电网供电的有关知识，解释自然现象，解决实际问题。 　　探究电压损失、功率损失的关系。 　　体会高压输电知识在实际问题中的应用。 [对应学生用书P81] 一、电能输送中的电压损失和电能损耗 1．电能输送的原因 能源资源与电力负荷分布的不均衡。 2．输送电路中的电压损失与功率损耗 (1)设输电电流为I，输电线电阻为r，则损失的电压U损＝Ir，损耗的电功率P损＝I2r。 (2)减小损耗的方法 ①减小输电线的电阻，即在输电线长度L和材料一定的情况下，增大导线横截面积S来实现。 ②减小输电电流I，由P＝UI知，可以通过提高输电电压U来减小I。 二、远距离输电系统 1．基本环节 2．电路原理图(如图) 三、直流输电 1．直流输电的优点：不存在电感和电容引起的电能损失。 2．直流输电的基本过程：在发电站区域经变压器升压，由整流设备将交流电变成直流电，用高压直流电进行远距离传输，在用户区域由逆变器将直流电变为交流电，经变压器降压送给用户。 3．直流输电示意图 1．情境思考 如图为一高压输电线路，随着电压的增加，用电危险性也会跟着增加，为什么还要采用高压输电？ 答案：输电功率P＝UI，在输送功率一定的情况下，提高输电电压，可减小输电电流，从而减少输电线上的电能损失。 2．判断下列说法的正误。(对的画“√”，错的画“×”) (1)仅仅从减少能量损耗的角度看，输送功率一定的情况下，输电电压越高，损耗的能量越少。 (　　√　　) (2)在输送功率和输电电压一定，使用同种材料的导线时，越粗的导线损失的电压越小。 (　　√　　) (3)从发电厂发出的电输送到用户均需要采用高压输电。 (　　×　　) (4)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。 (　　√　　) (5)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。 (　　×　　) [对应学生用书P82] 探究点一___输电线上的电压和能量损失 远距离输电过程中，输电线上不可避免地有电压和能量损失。 [问题设计] 可通过哪些措施来降低输电线路上电压和能量的损失？ 提示：输电线路上的损失功率为P＝I2r，所以有两个途径可减少电能的损失，一是减小输电线路的电阻；二是减小输电导线中的电流。 1．输电线上的电功率损失 (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失。 (2)计算式：①P线＝I2R线；②P线＝IU线；③P线＝。 2．输电线上的电压损失 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＝()2R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？ 答案：440 V 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＝I12R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。 计算输电线上功率损失的两种方法 计算输电线上损失的功率时，要注意区分两个电压：输电电压(输电线始端的电压)U和输电线上的损失电压U线。 (1)P损＝U线I＝，U线是输电线两端的电压，即输电线上损失的电压。 (2)P损＝()2R线，U是指输送电压，即从发电站发出后，经过变压器升高后的电压。 [练1] 远距离输电，输电功率一定，当输电电压为U0时，输电线上的电流为I0，损失的电功率为P0。则当输电电压提高为2U0时 (　　) A．由I＝得，输电线上的电流变为2I0 B．由I＝得，输电线上的电流变为 C．由P＝得，输电线上损失的电功率为4P0 D．由P＝IU得，输电线上损失的电功率为2P0 B　解析：设输电线的电阻为R线，当输电线上的电流为I0时，损失的电功率为P0＝I02R线。当输电电压提高为2U0时，由I＝可知输电线上的电流变为，输电线上损失的电功率为P损＝()2R线＝，B正确。 探究点二___高压输电线路的分析与计算 高压输电可以减少输电线上的电压和能量损失。 [问题设计] (1)如何完成高压输电和低压用电？ (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)利用升压变压器提高电压进行远距离输电，到达用户后利用降压变压器提供低压用电。 (2)对于升压变压器：＝，＝，P1＝P2。 对于降压变压器：＝，＝，P3＝P4。 1．远距离输电的几个基本关系式 (1)功率关系：P1＝P2，P2＝P损＋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损＝P2－P3＝I线2R线＝＝U线I线。 (6)输电导线上的电压损失： U线＝I线R线＝U2－U3。 2．两个联系 (1)线圈1(匝数为n1)和线圈2(匝数为n2)中各个量间的关系是：＝，I1n1＝I2n2，P1＝P2。 (2)线圈3(匝数为n3)和线圈4(匝数为n4)中各个量间的关系是：＝，I3n3＝I4n4，P3＝P4。 【例2】 风力发电作为新型环保能源，近几年来得到了快速发展，如图所示，风车阵中发电机输出功率为100 kW，输出电压是250 V，用户需要的电压是220 V，输电线电阻为10 Ω。若输电线因发热而损失的功率为输送功率的4%，求： (1)在输电线路中设置的升、降压变压器原、副线圈的匝数比； (2)用户得到的电功率。 答案：(1)1∶20　240∶11　(2)96 kW 解析：(1)输电线损失的功率 P损＝P×4%＝100 kW×4%＝4 kW 输电线电流I2＝＝ A＝20 A 升压变压器输出电压 U2＝＝ V＝5×103 V 升压变压器原、副线圈匝数比＝＝＝ 电压损失U损＝I2R线＝20×10 V＝200 V 降压变压器原线圈路端电压 U3＝U2－U损＝4 800 V 降压变压器原、副线圈匝数比＝＝。 (2)用户得到的电功率即降压变压器的输出功率为 P用＝P－P损＝P(1－4%)＝100×96% kW＝96 kW。 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)。 [练2] (多选)一台发电机最大输出功率为4 000 kW，电压为4 000 V，经变压器T1升压后向远方输电，输电线路总电阻R线＝1 kΩ，到目的地经变压器T2降压，负载为多个正常发光的灯泡(规格为“220 V　60 W”)。若在输电线路上损耗的功率为发电机输出功率的10%，变压器T1和T2的损耗可忽略，发电机处于满负荷工作状态，则 (　　) A．T1原、副线圈电流分别为103 A和20 A B．T2原、副线圈电压分别为1.8×105 V和220 V C．T1和T2的变压比分别为1∶50和40∶1 D．有6×104盏灯泡(220 V　60 W)正常发光 ABD　解析：根据题意画出输电线路示意图如图所示。 对升压变压器有P1＝U1I1，可知I1＝1 000 A，由输电线上损耗的功率P损＝I22R线＝400 kW可知，输电线上电流为I2＝20 A，A正确；T1的变压比为n1∶n2＝I2∶I1＝1∶50，根据n1∶n2＝U1∶U2，得U2＝2×105 V，输电线上损失电压U线＝I2R线＝2×104 V，则变压器T2的输入电压为U3＝U2－U线＝1.8×105 V，又灯泡正常发光，可知T2的输出电压U4为220 V，B正确；T2的变压比为n3∶n4＝U3∶U4＝1.8×105∶220，C错误；降压变压器的输入功率等于输出功率U3I3＝60 W·n，I3＝I2＝20 A，解得n＝6×104，D正确。 [对应学生用书P85] 1．节约能源是当今世界的一种重要社会意识。原来采用110 kV高压向远方的城市输电，在输电线路上损耗的功率为ΔP。为减小输电线上损耗的功率，在输送功率一定、输电线路不变的同时，输电电压变为440 kV，则在输电线路上损耗的功率变为 (　　) A． B． C． D． D　解析：设输送功率为P，输送电压为U，输电线的总电阻为R，则ΔP＝R，因为输电电压变为原来的4倍，所以在输电线路上损耗的功率变为，A、B、C错误，D正确。 2．如图所示，在远距离输电电路中，升压变压器和降压变压器均可视为理想变压器，其中降压变压器原、副线圈的匝数比n3∶n4＝100∶1，输电线上的总电阻R＝10 Ω，输电线上损失的功率ΔP＝40 W，用户两端的电压U4＝220 V，则下列说法正确的是 (　　) A．输电线上通过的电流为4 A B．升压变压器的输出电压为22 kV C．发电机的输出功率为66 kW D．用户消耗的功率为44 kW D　解析：由ΔP＝I2R得输电线上通过的电流I＝2 A，A错误；＝，解得降压变压器的输入电压U3＝22 kV，因为存在输电线上的电压损失，升压变压器的输出电压U2>22 kV，B错误；由＝得通过用户的电流I4＝200 A，用户消耗的功率P4＝I4U4＝44 kW，D正确；发电机的输出功率P1＝P4＋ΔP＝44.04 kW，C错误。 3．图甲为远距离输电示意图，升压变压器原、副线圈匝数比为1∶1 000，降压变压器原、副线圈匝数比为1 000∶1，输电线的总电阻为1 000 Ω，若升压变压器的输入电压如图乙所示，用户端电压为220 V，下列说法正确的是 (　　) A．输电线中的电流为3 A B．电站输出的功率为7 500 kW C．输电线路损耗功率为90 kW D．用户端交变电流的频率为100 Hz B　解析：根据题图乙可知升压变压器原线圈的电压有效值为U1＝ V＝250 V，根据变压器原理可得升压变压器副线圈两端电压为U2＝×250 V＝2.5×105 V，降压变压器原线圈两端电压为U3＝×220 V＝2.2×105 V，所以输电线的电压损失ΔU＝U2－U3＝3×104 V，输电线中的电流为I2＝＝30 A，A错误；根据功率关系可得电站输出的功率为P出＝U2I2＝7.5×106 W＝7 500 kW，B正确；输电线路损耗功率为P损＝ΔUI2＝9×105 W＝900 kW，C错误；变压器变压不变频，所以用户端交变电流的频率为f＝ Hz＝50 Hz，D错误。 4．2020年9月，中国发布“双碳战略”，计划到2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和。电力作为远程输送能量的载体，特高压远距离输送清洁电能是实现碳中和的重要途径之一。若保持输送电能总功率、输电距离不变的情况下，从原来的150 kV高压输电升级为1 350 kV的特高压输电，下列说法正确的是 (　　) A．若输电线不变，则输电线中的电流变为原来的9倍 B．若输电线不变，则输电线上损失的电压变为原来的 C．若输电线不变，则输电线上损失的功率变为原来的 D．若更换直径为原来输电线直径的同种材料制成的输电线，则输电线上损失的功率不变 D　解析：由公式P＝UI可知，在输电功率不变的情况下，电压升高为原来的9倍，则输送电流变为原来的，A错误；由欧姆定律可知，导线上损失的电压ΔU＝Ir，输电线不变，所以输电线上损失的电压变为原来的，B错误；输电线上损失的功率为ΔP＝I2r，所以输电线上损失的功率变为原来的，C错误；根据R＝ρ，输电线的直径变为原来的，则电阻变为原来的81倍，所以输电线上损失的功率不变，D正确。 学科网（北京）股份有限公司 $$