3.4 电能的输送(Word教参)-【优化指导】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册（人教版2019）

第4节　电能的输送 物理观念 科学思维 科学态度与责任 了解提高输电电压是降低远距离输电损耗的有效途径，会用相关知识解释实际的输电问题。 经历建立远距离输电模型的过程，体会建立理想模型的思维方法。 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。 [对应学生用书P99] 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：输电线路建造和运行的费用低，电能损耗少。 2．输电线上的功率损失：功率损失P损＝I2r，I为输电电流，r为输电线的电阻。 3．降低输电损耗的两个途径 (1)减小输电线的电阻：在输电距离一定的情况下，为了减小电阻，应当选用电阻率小的金属材料，还要尽可能增加导线的横截面积。 　　 　 　 (2)减小输电线中的电流：为了减小输电电流，同时又要保证向用户提供一定的电功率，就要提高输电电压。 二、电网供电 1．远距离输电的基本原理：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．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。 3．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)可以根据火电、水电、核电的特点，合理地调度电力，使电力的供应更加可靠，质量更高。 (物理与生活)我国特高压输电技术全球领先。如图为远距离输电示意图。判断下列说法的正误。(对的画“√”，错的画“×”) (1)输电线上电功率的损失，与输电线的电阻成正比，与输电线电流的平方成正比。 (　　√　　) (2)由P＝可知，输电电压越小，输电线上电功率的损失就越小。 (　　×　　) (3)使用变压器进行远距离输电，用户得到的电压可以高于发电机输出的电压。 (　　√　　) (4)用高压输电是为了降低输电线上的损耗。 (　　√　　) 备课札记 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 [对应学生用书P100] 探究点一___输电线上电压损失和功率损失 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。那么： [问题设计] (1)输到用户两端的电压U′与U、P、I及r之间有哪些关系式？ (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？降低功率损失有哪些途径？ 提示：(1)U′＝U－ΔU＝U－Ir＝U－·r。 (2)不相等。由于输电线有电阻，导致一部分电能转化为电热损耗掉了。 (3)ΔP＝I2r＝·r。降低功率损失的两个途径：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。 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＝·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＝。 3．减小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可知，可以减小导线的电阻率ρ，目前一般用电阻率较小的铜或铝作为导线材料；也可以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＝可知，在输送功率P与输电线电阻R线一定的条件下，输电电压提高到原来的n倍，输送电流便减为原来的，输电线上的功率损失将降为原来的。 [例1] 中国已投产运行的1 000 kV特高压输电，是目前世界上电压较高的输电工程。假设甲、乙两地原来用500 kV的超高压输电，在保持输送电功率和输电线电阻都不变的条件下，现改用1 000 kV特高压输电，不考虑其他因素的影响。则 (　　) A．输电电流变为原来的2倍 B．输电线上降落的电压将变为原来的2倍 C.输电线上降落的电压将变为原来的 D．输电线上损耗的电功率将变为原来的 C　解析：根据输送电功率P输＝U输I输及P输不变可知，输电电流I输＝∝，当U输变为原来的2倍时，I输变为原来的，A错误；输电线上降落的电压U降＝I输R线∝I输，所以，当输电电流变为原来的时，输电线上降落的电压也变为原来的，B错误，C正确；输电线上损耗的电功率P损＝IR线∝I，所以输电线上损耗的电功率将变为原来的，D错误。 [练1] 我国领先全球的特高压输电技术将为国家“碳中和”作出独特的贡献。2021年6月28日白鹤滩水电站首批初装机容量1 600万千瓦正式并网发电。在传输电能总功率不变的情况下，从原先150 kV高压输电升级为1 350 kV特高压输电，则下列说法正确的是 (　　) A．若输电线不变，则输电线上损失的电压变为原先的 B．若输电线不变，则输电线上损失的功率变为原先的 C．如果损失的功率不变，相同材料、传输到相同地方所需导线的横截面积是原先的 D．如果损失的功率不变，相同材料、同样粗细的输电线传输的距离是原先的9倍 C　解析：在功率不变时，电压升高9倍，则传输电流变为原先的，若输电线不变，则导线上损失的电压ΔU＝Ir，即变为原先的，A错误；输电线损失的功率ΔP＝I2r，因此输电线上损失的功率变为原先的，B错误；如果损失的功率不变，则r＝r′，又r＝ρ，如果输电线材料相同，则电阻率不变，当传输距离不变时，所需导线的横截面积只有原先的，C正确；如果损失功率不变，相同材料、同样粗细的输电线传输的距离是原先的81倍，D错误。 探究点二___远距离高压输电过程的分析与计算 1．远距离输电电路图(如图) 2．三个回路 回路1：P1＝U1I1。 回路2：U2＝ΔU＋U3，P2＝ΔP＋P3＝IR线＋P3，I2＝I3。 回路3：P4＝U4I4。 3．常用关系 (1)功率关系：P1＝P2，P2＝ΔP＋P3，P3＝P4。 (2)电压关系：＝，U2＝ΔU＋U3，＝。 (3)电流关系：＝，I2＝I线＝I3，＝。 (4)输电电流：I线＝＝＝。 (5)输电线上损耗的电功率：ΔP＝P2－P3＝I R线＝＝ΔU·I线。 (6)输电线上的电压损失：ΔU＝I线R线＝U2－U3。 (7)输电效率η＝×100%。 [例2] (多选)风力发电将风的动能转化为电能。某风力发电机的输出功率为10 kW，输出电压为250 V，用户得到的电压是220 V，输电线的电阻为20 Ω，输电线路的示意图如图所示。若输电线因发热而损失的功率为输送功率的5%，变压器均视为理想变压器，则下列说法正确的是 (　　) A．用户得到的功率为9.5 kW B．通过输电线的电流为4 A C．升压变压器原、副线圈的匝数之比为1∶8 D．降压变压器原、副线圈的匝数之比为100∶11 AC　解析：用户得到的功率即降压变压器的输出功率P用＝P－P损＝P×(1－5%)＝9.5 kW，A正确；输电线损失的功率P损＝P×5%＝0.5 kW，通过输电线的电流I2＝＝5 A，B错误；升压变压器的输出电压U2＝＝2 000 V，可得升压变压器原、副线圈的匝数之比＝＝，C正确；输电线上的电压损失U损＝I2R线＝100 V，降压变压器原线圈两端的电压U3＝U2－U损＝1 900 V，可得降压变压器原、副线圈的匝数之比＝＝，D错误。 处理远距离输电的方法技巧 (1)画出一张图——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] 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% 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＝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＝＝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＝IR＝62×4 W＝144 W。 (4)输电效率η＝×100%＝×100%＝×100%≈97.3%。 创新探究___解决实际问题 [例3] (生活情境)在我国北方部分地区经常出现低温雨雪冰冻天气，高压输电线因结冰而造成严重损毁。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，需要将输电线上热耗功率增大至16ΔP，设输电功率和输电线电阻不变，则除冰时需将 (　　) A．输电电流变为I B．输电电流变为16I C．输电电压变为U D．输电电压变为4U C　解析：输电线的热功率ΔP＝I2R，可知输电线的电阻不变的情况下，需要将输电线上热耗功率增大至16ΔP，则输电电流变为4I，在输送功率一定的情况下，输电线电流I＝，可知可将输电电压变为U，C正确，A、B、D错误。 [练3] (生活情境)(多选)为保障医院用电安全，供电部门专门为医院ICU病房区设计供电系统以及输电电路如图所示，发电机的矩形线框ABCD处于磁感应强度大小为B的水平匀强磁场中，线框面积S＝0.25 m2，匝数n＝100匝，电阻不计。线框绕垂直于磁场的轴OO′以3 000 r/min的转速匀速转动，其输出端通过电刷与升压变压器的原线圈相连，图中电压表示数为250 V，降压变压器原、副线圈的匝数之比为5∶1，降压变压器的副线圈接入到病房区供电，两变压器间输电线的等效电阻R＝20 Ω，变压器均为理想变压器。医院有五间标准ICU病房，病房内医疗设备的额定工作电压均为U＝220 V，每间病房的最大功率P＝4 400 W。当五间病房均满负荷工作时 (　　) A．输电线上损失的电压为500 V B．匀强磁场B的大小为 T C．升压变压器原、副线圈匝数之比为1∶6 D．该供电系统的输电效率为80% BC　解析：当五间病房均满负荷工作时，降压变压器副线圈的电流I4＝5×＝100 A，根据变压器原、副线圈电流关系＝，代入数据得降压变压器原线圈的电流I3＝20 A，所以输电线上损失的电压ΔU＝I3R＝20×20 V＝400 V，A错误；线框转动的角速度ω＝2πn转＝2π× rad/s＝100π rad/s，线框在匀强磁场中匀速转动产生交变电流，感应电动势最大值Em＝nBSω＝250 V，解得B＝ T，B正确；根据降压变压器原、副线圈电压关系＝，U4＝220 V，解得U3＝1 100 V，设升压变压器原线圈电压为U1，副线圈电压为U2，在输电回路中有U2＝U3＋ΔU＝(1 100＋400) V＝1 500 V，则升压变压器原、副线圈匝数之比＝＝＝，C正确；该供电系统的输电效率η＝×100%≈73.3%，D错误。 [对应学生用书P103] 1．(多选)某发电厂原来用11 kV的交变电压输电，后来改用升压变压器将电压升到220 kV输电，输送的电功率都是P。若输电线路的电阻为R，则下列说法正确的是 (　　) A．根据公式I＝，提高电压后输电线上的电流降为原来的 B．根据公式I＝，提高电压后输电线上的电流增为原来的20倍 C．根据公式P损＝I2R＝R，提高电压后输电线上的功率损失减为原来的 D．根据公式P＝，提高电压后输电线上的功率损耗将增大为原来的400倍 AC　解析：输电线上电流为I＝，也可以用I＝来表示，其中ΔU为输电线上电阻R两端的电压，而不是输送电压，A正确，B错误；输电线上的功率损失为P损＝I2R＝R，C正确；如果用P损＝，则U应为R上的分压ΔU，D错误。 2．(多选)如图是远距离输电的示意图，则电压U1、U2、U3、U4之间的关系是 (　　) A．U1<U2 B．U2>U3 C．U3>U4 D．U3＝U1＋U2 ABC　解析：左边的变压器为升压变压器，则U1<U2，A正确；因导线上有电压损失，则U2＝U3＋ΔU线>U3，B正确，D错误；右边的变压器为降压变压器，则U3>U4，C正确。 3．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的电压输电，则下列说法正确的是 (　　) A．输电线上输送的电流大小为2×105 A B．输电线上由电阻造成的电压损失为15 kV C．输电线上损失的功率ΔP＝，U为输电电压，r为输电线的电阻 D．输电线上损失的功率为9×107 kW B　解析：由P＝IU得用500 kV电压输电时输电线上输送的电流I＝＝ A＝6×103 A，A错误；由ΔU＝Ir得输电线上的电压损失ΔU＝6×103×2.5 V＝15×103 V＝15 kV，B正确；输电线上损失的功率ΔP＝，U为输电线上损失的电压，C错误；输电线上损失的功率ΔP＝I2r＝(6×103)2×2.5 W＝9×107 W，D错误。 4．如图是远距离输电示意图，发电机的输出电压U1、输电线的电阻及理想变压器的匝数均不变，当用户开启的用电器越来越多时，下列表述正确的是 (　　) A.升压变压器副线圈的电压U2降低 B．降压变压器原线圈的电压U3升高 C．输电线消耗的功率增大 D．发电机的输出功率不变 C　解析：发电机的输出电压U1不变，升压变压器匝数比不变，则副线圈电压U2不变，A错误；当用电器增多时，功率增大，降压变压器的输出电流增大，则降压变压器原线圈电流增大，输电线上的电流增大，可知输电线上的功率损失增大，输电线上的电压损失升高，导致降压变压器的输入电压U3降低，B错误，C正确；用户开启的用电器增多，消耗的功率增大，发电机输出功率随之增大，D错误。 5．一个小型发电站通过升压、降压变压器把电能输送给用户，已知发电机的输出功率为500 kW，升压变压器原线圈两端的电压为500 V，升压变压器原、副线圈的匝数比为1∶5，两变压器间输电线的总电阻为1.5 Ω，降压变压器的输出电压为220 V，变压器均为理想变压器，求： (1)升压变压器副线圈两端的电压； (2)输电线上的功率损失及用户得到的功率； (3)降压变压器原、副线圈的匝数比。 答案：(1)2 500 V　(2)60 kW　440 kW　(3)10∶1 解析：输电线路原理图如图所示 (1)根据＝可知，升压变压器副线圈两端的电压 U2＝＝2 500 V。 (2)输电线上的电流I2＝＝＝200 A 输电线上的功率损失P损＝Ir线＝60 kW 用户得到的功率P用＝P1－P损＝440 kW。 (3)输电线上损失的电压ΔU＝I2r线＝300 V， 降压变压器原线圈两端的电压 U3＝U2－ΔU＝2 200 V， 降压变压器原、副线圈的匝数比 ＝＝10∶1。 学科网（北京）股份有限公司 $$