3.4 电能的输送 课件 -2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第二册

第三章　交变电流 电能的输送 2 应用理想变压器、电路知识对简单的远距离输电线路进行定量计算。 1 理解远距离输电线上的能量损失与哪些因素有关。 重难点 3 了解交变电流从发电站到用户的输电过程。 难点 重点 一 降低输电损耗的两个途径 为了合理的利用能源，发电站要建在靠近能源的地方。而用电的地方却很多， 有的地方离发电站很远，这就需要输送电能。 阳江核电站 三峡水电站 观察与思考 电能从发电厂到远方用户端的传输过程，如图所示。假定输电线路中的电流是I，用户端的电压是U，两条导线的总电阻是r。在图中，导线的电阻集中画为一个电阻r。 (1)怎样计算输电线路损失的功率？ P损＝I2r (2)在输电电流一定的情况下，如果输电线路的电阻减为原来的一半，输电线路上损失的功率变为原来的多少？在输电线路电阻一定的情况下，如果输电电流减为原来的一半，输电线路上损失的功率变为原来的多少？ (3)通过第(2)问的两项计算，你认为哪个途径对于降低输电线路的损耗更有效？ 由第(2)问可知，减小电流对降低输电线路的损耗更有效。 (4)怎样计算用户消耗的功率P？ 在保证用户的电功率不变的前提下，怎样才能减小输电电流？ P＝UI 输送电能的基本要求 供电线路 (1)可靠：指保证 可靠地工作，故障少。 (2)保质：保证电能的质量—— 和 稳定。 (3)经济：指输电线路建造和运行的费用 ，电能损耗 。 电压 频率 低 少 输电线路的电压损失 U ΔU 输电线路的功率损失 (1)远距离输电时，输电线有电阻，电流的热效应引起功率损失，损失的电功率ΔP＝I2r。 U ΔU 减小电压、功率损失的方法 减小r 减小I P损=I2r (1)减小输电线的电阻 ： ①减小材料的电阻率ρ 用铜或铝 ②可适当增大导线横截面积S 有一定限度 用于远距离输电的钢芯铝绞线 (2)提高输电电压U，减小输电电流I (1)输电线上损失的电功率，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，输电线上损失的电功率就越小。 (　　) √ × 辨析 1.三峡电站某机组输出的电功率为50万千瓦。 (1)若输出的电压为20万伏，则输电线上的电流为多少？ (2)在(1)情况下，某处与电站间每根输电线的电阻为10 Ω，则输电线上损失的功率为多少？它与输出功率的比值是多少？ (3)若将输出电压升高至50万伏，输电线上的电流为多少？某处与电站间每根输电线的电阻仍为10 Ω，输电线上损失的功率又为多少？它与输出功率的比值是多少？ 例题 (2)输电线上损失的功率ΔP＝I2·2r＝2 5002×2×10 W＝1.25×108 W 输电线上损失的功率ΔP′＝I′2·2r＝1 0002×2×10 W＝2×107 W 2.(多选)(2020·全国卷Ⅱ)特高压输电可使输送中的电能损耗和电压损失大幅降低。我国已成功掌握并实际应用了特高压输电技术。假设从A处采用550 kV的超高压向B处输电，输电线上损耗的电功率为ΔP，到达B处时电压下降了ΔU。在保持A处输送的电功率和输电线电阻都不变的条件下，改用1 100 kV特高压输电。输电线上损耗的电功率变为ΔP′，到达B处时电压下降了ΔU′。不考虑其他因素的影响，则 √ √ 例题 输电线路功率损失的四种计算方法 (1)输送功率是指升压变压器输出的功率，损失功率是指由于输电线发热而消耗的功率。两者关系是P损＝P－P′(P为输送功率，P′为用户所得功率)。 (2)除了利用P损＝P－P′计算输电线路上的功率损耗外，还可用下列方法计算： ①P损＝I线2R线，I线为输电线路上的电流，R线为线路电阻。 总结提升 ②P损＝ΔP＝ ，ΔU为输电线路上损失的电压，R线为线路电阻。 ③P损＝ΔU·I线，ΔU 为输电线路上损失的电压，I线为线路上的电流。 在远距离输电问题中，计算线路功率损耗时应用P损＝I2R线，其原因是I线 可以由公式 P输出＝I线U输出求出， 而P损＝ΔU·I线 和 P损＝ 则不常用，其原因是在一般情况下，ΔU 不易求出，且易将ΔU 和U输出相混而造成错误。 二 电网供电及远距离高压输电过程的分析与计算 远距离输电过程示意图 10千伏 几百千伏 100千伏左右 10千伏左右 220伏/380伏 观察与思考 某发电机两端的电压为220 V，输出功率为44 kW，通过原、副线圈匝数比为1∶10的升压变压器升压后向远处输电，输电线的总电阻为0.2 Ω，在用户端再用原、副线圈匝数比为10∶1的降压变压器降压供给用户，两个变压器均为理想变压器。 (1)画出全过程的线路示意图。 观察与思考 (2)升压变压器副线圈两端的输出电压 U2＝______＝______ V。 由理想变压器的功率关系：________ 升压变压器副线圈的输出电流I2＝____＝____ A。 输电线上的功率损耗P损＝_______＝___ W。 电压损失U损＝_____＝___ V。 2 200 P入＝P出 20 I22R线 80 I2R线 4 所以降压变压器原线圈的输入电压和输入电流分别为 U3＝________＝______ V I3＝___＝____ A。 U2－U损 2 196 I2 20 降压变压器副线圈的输出电压和输出电流分别为 U4＝_____＝______ V I4＝______＝______ A。 用户得到的功率为P4＝_____＝___________ W。 219.6 200 U4I4 4.392×104 (3)若不经过变压而直接送给用户，求用户得到的电压和功率。 若直接给用户供电，线路示意图如图所示 输电线路上的电压损失 ΔU′＝I′R线＝200×0.2 V＝40 V 所以用户得到的电压 U2′＝U1－ΔU′＝220 V－40 V＝180 V 用户得到的功率为 P′＝U2′I′＝180×200 W＝3.6×104 W。 [要点归纳] 1.远距离输电的基本原理：在发电站内用 变压器升压，然后进行远距离输电，在用电区域通过 变压器降到所需的电压。 2.电网：通过网状的输电线、 ，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 。 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 。 (2)减小断电的风险，调剂不同地区 的平衡。 (3)合理调度电力，使 的供应更加可靠，质量更高。 升压 降压 变电站 网络 经济效益 电力供需 电力 4.解决远距离高压输电问题的基本方法 (1)首先应画出远距离输电的电路图(如图)，并将已知量和待求量写在电路图的相应位置。 U1I1 (2)理清三个回路： 回路1：P1＝ ， 回路2：U2＝ ，P2＝ΔP＋P3＝I22R线＋P3，I2＝I3 回路3：P4＝ 。 ΔU＋U3 U4I4 (3)常用关系 ①功率关系：P1＝P2，P2＝ΔP＋P3，P3＝P4。 ④输电电流：I线＝____＝____＝____。 ⑤输电线上损耗的电功率： ⑥输电线上的电压损失： ΔU＝ ＝ 。 ⑦输电效率η＝___×100%。 I线R线 U2－U3 (1)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。(　　) (2)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。 (　　) √ × 辨析 3.(多选)某小型水电站交流发电机的输出电压为400 V，先经升压变压器将电压升高，经总阻值为R＝2 Ω的输电线向远端用户输电，用户端用降压变压器将电压降到220 V供用户使用。若用户的用电功率为19.8 kW，输电线R上损耗的功率为0.2 kW，已知变压器均为理想变压器，其他电阻不计。下列说法正确的是 A.通过输电线的电流I2＝10 A B.降压变压器的输入电压U3＝2 000 V C.升压变压器原、副线圈匝数比n1∶n2＝1∶5 D.降压变压器原、副线圈匝数比n3∶n4＝10∶1 √ √ 例题 4.风力发电机的工作原理可以简化为如图所示的模型：风轮通过齿轮箱带动矩形线圈在匀强磁场中匀速转动产生交变电流，并通过变压器和远距离输电线路给用户供电。若发电机的矩形线圈处于磁感应强度大小为B＝ 的水平匀强磁场中，线圈面积S＝0.5 m2、匝数N＝200匝、电阻不计。线圈绕垂直于磁场的水平轴匀速转动，其输出端通过电刷与升压变压器的原线圈相连，提供电压U1＝250 V，降压变压器原、副线圈的匝数比为5∶1，降压变压器的副线圈连接用户，两变压器间的输电线总电阻R＝20 Ω，两变压器均为理想变压器。若用这个供电设备给某学校供电，该校需要工作电压220 V、电功率11 kW。求： (1)线圈绕轴的转速n； 答案　 (1) 25 r/s 例题 (2)输电线上损失的电压ΔU； (3)升压变压器原、副线圈匝数比n1∶n2； (4)发电机的输出功率P1。 答案　(2) 200 V　(3) 5∶26　(4) 13 kW　 (1)由题意可知 解得ω＝50π rad/s 因为n3∶n4＝5∶1，U4＝220 V，I4＝50 A 所以U3＝5U4＝1 100 V，I3＝10 A 输电线损失电压ΔU＝I3·R＝200 V (3)升压变压器电压关系U2＝ΔU＋U3＝1 300 V，n1∶n2＝U1∶U2＝5∶26 (4)发电机输出功率P1＝ΔP＋P＝I32R＋P＝13 kW 5.如图所示，矩形线圈面积为S，匝数为N，在磁感应强度为B的匀强磁场中绕OO′轴以角速度ω匀速转动，输出端通过理想升压变压器和降压变压器给远处用户供电。升压变压器原、副线圈两端的电压分别为U1和U2，降压变压器原、副线圈两端的电压分别为U3和U4，若线圈电阻忽略不计，则下列说法正确的是 A.图示状态，U1＝NBSω B.若仅把线圈的角速度ω增大一倍，输 电线上损耗的功率也会增大一倍 C.若保持发电机输出功率一定，仅将滑 片P上移，用户得到的功率会减小 D.若仅增加用户数，为维持用户电压U4一定，可将滑片Q下移 √ 例题 远距离输电问题分析要点 1.分析远距离输电的思路 对远距离输电问题应按“发电机→升压变压器→远距离输电线→降压变压器→用电器”，或从用电器到发电机一步一步地进行分析。 2.远距离输电问题的四个关键 (1)画出一个模型——远距离输电模型 (2)抓住输电的两端——发电机和用电器 (3)分析一条线——输电线 (4)研究两次电压变换——升压和降压 3.注意各物理量的对应，防止张冠李戴而出错。 电能的输送 降低输电损耗的两个途径 减小输电线电阻 减小输电电流 远距离输电原理图 常用关系 远距离高压输电电路中的各种关系 电压损耗 输电电流关系 功率关系 电功率损耗 电压、电流关系 升压变压器输出电压U2＝U3＋I2R＝2 000 V，升压变压器原、副线圈匝数比n1∶n2＝U1∶U2＝1∶5，故C正确。 线圈的角速度增大一倍。U1、U2同时 增大一倍，将整个降压变压器和用户等效为一个电阻，可知输电电流也增大一倍，根据ΔP＝I22r可知，输电线上损耗的功率会增大为原来的4倍，故B错误； Keep Thinking! 一 降低输电损耗的两个途径 由P损＝I2r可知，r不变，I减半，P损变为原来的。 由P损＝I2r可知，I不变，r减半，P损变为原来的； 由P＝UI得I＝，在电功率不变的前提下，升高电压，可减小输电电流。 输电线始端电压U与输电线末端电压U′的差值。 其中I为输电线上的电流，r为输电线的总电阻。 ΔU＝U－U′＝Ir＝r， (2)若输电线上损失的电压为ΔU，则功率损失还可以表示为ΔP＝，ΔP＝ΔU·I。 R＝ρ 根据I＝，在输送功率P一定，输电线电阻r一定的条件下，输电电压提高到原来的n倍，输送电流可减为原来的，输电线上的功率损耗将降为原来的。 答案　(1) 2 500 A　(2)1.25×108 W　　(3)1 000 A　2×107 W　 损失功率与输出功率之比为＝＝ (3)将输出电压升高至50万伏时，I′＝＝＝1 000 A 损失功率与输出功率之比为＝＝。 (1)由P＝UI得I＝＝＝2 500 A A.ΔP′＝ΔP B.ΔP′＝ΔP C.ΔU′＝ΔU D.ΔU′＝ΔU U1 I3 U3 则输电电流I′＝＝ A＝200 A ③电流关系：＝，I2＝I线＝I3，＝。 ΔU＋U3 ②电压关系：＝____，U2＝_________，＝____。 ΔP＝P2－P3＝I线2R线＝＝ΔU·I线。 T  NBSω＝U1 所以n＝＝25 r/s (2)学校电流I4＝＝50 A 由输电电流I＝知，输送的电功率不变，输电电压加倍，输电电流变为原来的，损耗的电功率ΔP＝I2r，损耗的电功率变为原来的，即ΔP′＝ΔP；输电线上损失电压为ΔU＝Ir，即输电电压加倍，损失电压变为原来的，即ΔU′＝ΔU，故A、D正确。 通过输电线的电流I2＝＝10 A，故A正确； 用户的用电功率为19.8 kW，用户端电流I4＝＝90 A，降压变压器原、副线圈匝数比n3∶n4＝I4∶I2＝9∶1，所以降压变压器的输入电压U3＝U4＝1 980 V，故B、D错误； 变压器原线圈两端电压为交流电的有效值，即为，故A错误； 输电线上损耗的功率为ΔP＝I22r＝()2r，仅将滑片P上移，则U2增大，输电线上损耗的功率减小，用户得到的功率应增加，故C错误； 若用户数增加，负载总电阻R会减小，U2不变，输电电流I2会增大，输电线上损失的电压增大，则降压变压器原线圈两端的电压U3减小，根据＝可知，要保持U4不变，应使n3减小，即滑片Q下移，故D正确。 $$