第3章 第4节 电能的远距离输送-【优学精讲】2024-2025学年高中物理选择性必修第二册教用Word(鲁科版)

第4节　电能的远距离输送 1．知道采用高压输电的原因。　2.知道远距离输电线上的损失与哪些因素有关。　3.了解远距离输电线路的基本构成及相关计算问题。　4.了解高压交流输电与直流输电的优缺点。 一、采用高压输电的原因 1．原因：电流流过输电导线时，电流的____________会引起电功率的损失。损失的电功率P＝I2R，即在输电线上因发热而损耗的电功率与输电线的电阻R成正比，与电流I的二次方成正比。 2．减小输电时的电功率损失的两个途径 (1)减小输电线电阻：由电阻定律R＝ρ可知，在输电线长度一定的情况下，可采用____________的材料做导线；还可增大导线的________________。 (2)减小输电电流：由P＝UI可知，在保证输送电功率P不变的情况下，必须________输电电压U，才能减小电流I。因此，远距离输电通常采用________________。 二、高压交流输电与直流输电 1．远距离输电基本原理：在发电站内用________变压器______，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．交流输电：在交流输电时，除输电线上的电阻外，电感、电容产生的________和________也会造成交流输电线路上的电能和______损失。 3．直流输电：交变电流升压后输送到____________，把高压交变电流变换成高压________电流，经由高压直流线路输送到用电地区后，将高压直流变换成高压__________电流，再经降压变压器降压。 4．高压直流输电的优越性：直流输电适于地下和水下电缆输电，不会受到电感和电容的影响；在输送相同电功率的电能时，直流输电所用线材少；同时，占地面积小，不需要考虑同步运行问题。 三、电能的利用与社会发展 电能的利用提高了劳动生产率，解放了劳动者；在促进社会发展的同时，也带来了生态、环境问题，故我们需要合理利用电能。 [答案自填] 热效应　电阻率小　横截面积 提高　高压输电　升压　升压　感抗　容抗　电压　整流器　直流　交变 判断下列说法是否正确。 (1)输电线上的电压损失可用ΔU＝Ir计算，r为输电线的电阻。(　　) (2)输电电压越高越好。(　　) (3)根据P＝可知，要减小损耗功率，输电电压越低越好。(　　) (4)为减小远距离输电的损失，可增大输电电流。(　　) (5)远距离输电线上的功率损失与输电线上电压损失的平方成正比。(　　) (6)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。(　　) 提示：(1)√　(2)×　(3)×　(4)×　(5)√　(6)√ 知识点一　降低输电损耗的两个途径 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)用户得到的电能与发电厂输出的电能相等吗？ (2)输电线上功率损失的原因是什么？功率损失的表达式是什么？降低功率损耗有哪些途径？ [提示]　(1)不相等，由能量守恒定律知，发电厂输出的电能等于用户得到的电能与输电线上损失的电能之和。 (2)输电线有电阻，当有电流流过输电线时，有一部分电能转化为电热而损失掉了，这是输电线上功率损失的主要原因。 功率损失表达式：ΔP＝I2r＝r。降低功率损耗的两个途径：①减小输电线的电阻r；②减小输电电流I，即提高输电电压U。 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＝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。 角度1　对输电损耗的理解 　远距离输电时，在输送电功率不变的条件下，下列说法正确的是(　　) A．只有减小输电导线的横截面积，增大导线的电阻，才能减小电流，提高输电效率 B．提高输电电压，能减小电流，减小电路的发热损耗 C．提高输电电压势必增大输电导线上能量损耗 D．提高输电电压势必增大输电导线上的电流 [解析]　在输出功率一定时，由P＝UI知，当U增大时，I减小，输电导线损耗的功率P损＝I2R将变小，故B正确，C、D错误；减小输电导线的横截面积，增大导线的电阻，输电线中损耗的功率P损＝I2R将变大，输电效率降低，故A错误。 [答案]　B 角度2　输电损耗的计算 　如果用220 V和11 kV两种电压来输电，设输送的电功率、输电线上功率损失、导线的长度和电阻率都相同，则两次输电导线的横截面积之比为(　　) A．1∶2 500 B．2 500∶1 C．1∶250 D．250∶1 [解析]　根据公式I＝可得P损＝I2R＝R，即R＝，因为输送的电功率、输电线上的功率损失相同，可得电阻之比＝＝，导线的长度和电阻率相同，根据R＝ρ可得导线的横截面积之比为2 500∶1。 [答案]　B 　某电站用500 kV电压输电给300 km外的用户使用，其输出电功率是3×106 kW，输电线总电阻为2.5 Ω，则下列说法正确的是(　　) A．输电线上输送的电流大小为3.0×105 A B．输电线上由电阻造成的损失电压为15 kV C．若改用5 kV的电压输电，则输电线上损失的功率为9×108 kW D．输电线上损失的功率ΔP＝，U为输电电压，r为输电线的电阻 [解析]　由P＝UI得输电线上输送的电流I＝＝ A＝6×103 A，故A错误；由ΔU＝Ir得输电线路上的电压损失ΔU＝Ir＝6×103×2.5 V＝15×103 V，故B正确；输电线上损失的功率ΔP＝I2r＝r＝()2×2.5 W＝9×1011 W，由于损失的功率不能大于电站的输出功率，故C错误；输电线上损失的功率用ΔP＝计算时，U为输电线上损耗的电压，而不是输电电压，故D错误。 [答案]　B 知识点二　对远距离输电电路的分析 某发电站向远处送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＝IR＋P3 第三个回路：P4＝U4I4 (2)＝、＝、P1＝P2；＝、＝、P3＝P4。 1．输送过程图 回路1：P1＝U1I1 回路2：U2＝ΔU＋U3，P2＝ΔP＋P3＝IR线＋P3 I2＝I3＝I线 回路3：P4＝U4I4 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＝R线。 类型1　输电线路的动态分析 　(2024·江苏徐州统考期中)如图所示为远距离输电过程示意图，下列说法正确的是(　　) A．绕制升压变压器副线圈的导线比原线圈的粗 B．升压变压器副线圈的输出电压小于降压变压器原线圈的输入电压 C．用户一定的情况下，增大输送电压，可以减少输送电能的功率损耗 D．其他情况不变时，用户增多，输电线上损耗的电功率将减少 [解析]　升压变压器原、副线圈的功率相同，根据变压器电流比跟匝数比成反比规律可知，原线圈的电流更大，所以绕制升压变压器原线圈的导线要比副线圈的粗，故A错误；因为输电线存在损耗电压，所以升压变压器副线圈的输出电压大于降压变压器原线圈的输入电压，故B错误；用户一定的情况下，说明输入功率一定，根据公式I＝，P损＝I2R，可知增大输送电压，可以减少输送电能的功率损耗，故C正确；其他情况不变时，用户增多，导致高压输电线上的电流变大，输电线上损耗的电功率将增大，故D错误。 [答案]　C 类型2　输电线路的有关计算 　(多选)(2024·东北师大附中期末)某电厂对用户进行供电的原理如图所示。发电机的输出电压U1＝380 V，输电线的总电阻r＝15 Ω，为了减小损耗采用了高压输电。变压器视为理想变压器，其中升压变压器的匝数比n1∶n2＝1∶20，用户获得的电压U4＝220 V，如果某次输电时发电厂的输出功率P1＝7.6×105 W，则下列说法正确的有(　　) A．输电线上的电流为100 A B．降压变压器的输入电压U3为6 100 V C．用户获得的功率为1.5×105 W D．降压变压器的匝数比n3∶n4＝380∶11 [解析]　升压变压器原线圈电流I1＝＝ A＝2 000 A，根据理想变压器原、副线圈电流与匝数的关系＝，解得输电线上的电流I2＝100 A，故A正确；根据理想变压器原、副线圈电压与匝数的关系＝，解得U2＝7 600 V，降压变压器的输入电压U3＝U2－I2r＝(7 600－15×100) V＝6 100 V，故B正确；输电线上损失的功率ΔP＝Ir＝1002×15 W＝1.5×105 W，用户获得的功率P＝P1－ΔP＝6.1×105 W，故C错误；降压变压器的匝数比＝＝＝，故D错误。 [答案]　AB 　(2024·吉大附中期末)如图所示，某个小型水电站发电机的输出功率P1＝200 kW，发电机的电压U1＝250 V。通过升压变压器升压后向远处输电，输电线的双线总电阻R＝20 Ω，在用户端用降压变压器把电压降为U4＝220 V。要求输电效率(即用户得到的功率与发电机发出的功率之比)达到96%，也就是说在输电线上损失的功率控制在8 kW，用户得到的功率为192 kW。为此需要设计两个变压器的匝数比。请计算： (1)升压变压器输入的电流为多少？输电线上通过的电流是多少？ (2)从升压变压器的输出端到降压变压器的输入端，输电线损失的电压为多少？ (3)两个变压器的匝数比各应等于多少？ [解析]　(1)升压变压器输入的电流 I1＝＝ A＝800 A 输电线上损失的功率PR＝IR＝8 000 W 输电线上通过的电流I2＝20 A。 (2)输电线损失的电压ΔU＝I2R＝20×20 V＝400 V。 (3)对于升压变压器，根据理想变压器原、副线圈电流与匝数的关系＝＝＝ 对于升压变压器，根据理想变压器原、副线圈电压与匝数的关系＝ 解得U2＝10 000 V 降压变压器原线圈两端的电压U3＝U2－ΔU＝ (10 000－400) V＝9 600 V 对于降压变压器，根据理想变压器原、副线圈电压与匝数的关系＝＝＝。 [答案]　(1)800 A　20 A　(2)400 V　(3)　 1．(降低输电损耗的两个途径)对于远距离输电，在P送一定的情况下，设输电线路中的电流为I送，输电线的总电阻为R线，为了减少损耗，采用增大电压U送输电，下列说法正确的是(　　) A．由U送＝I送R线，知输电线路中的电流变大 B．由P送＝I送U送，知输电线路中的电流变小 C．由P耗＝，知输电线路消耗的功率增大 D．由P送＝I送2R线，知不会影响输电线路中的电流 解析：选B。由U线＝I线R线，I送＝I线，U送≠U线＝I送R线，得U送≠I送R线，故A错误；公式P送＝I送U送针对的是同一研究对象，故B正确，D错误；根据P耗＝IR线＝IR线＝2R线，因此U送增大时，输电线路消耗功率P耗减小，故C错误。 2．(降低输电损耗的两个途径)远距离输送一定功率的交流电，若输送电压升高为原来的n倍，则输电线上的电功率损失为(　　) A．原来的 B．原来的 C．原来的n倍 D．原来的n2倍 解析：选B。根据P＝UI得，输电电压升为原来电压的n倍时，输电电流变为原来的 ，根据P损＝I2R可知，输电线上的功率损失将变为原来功率损失的 ，故A、C、D错误，B正确。 3．(远距离输电问题)如图所示交流发电机的输出电压U1一定，通过理想升压变压器和理想降压变压器向远处用户供电，输电线的总电阻为R。升压变压器的输入电压和输入功率分别为U1和P1，它的输出电压和输出功率分别为U2和P2；降压变压器的输入电压和输入功率分别为U3和P3，它的输出电压和输出功率分别为U4和P4。当用户增多时(　　) A．U2减小，P4增加 B．U2增加，P3减小 C．U3减小，P2增加 D．U4增加，P1减小 解析：选C。当用户增多时，交流发电机的输出电压U1一定，升压变压器的匝数比不变，则有＝，可知U2不变，用户消耗的电功率P4增加，理想降压变压器的输入功率等于输出功率，因此P3增加，A、B错误； 当用户增多时，用户消耗的电功率P4增加，降压变压器的输入功率P3增加，升压变压器的输出功率P2增加，由P＝UI可知，降压变压器的输入电流I3增加，则输电线上的损耗电压ΔU＝I3R，增加，降压变压器的输入电压U3＝U2－ΔU，减小，C正确；当用户增多时，用户消耗的电功率P4增加，可知P3、P2随之增加，升压变压器的输入功率P1增加；输电线上损耗的电压增加，降压变压器的输入电压U3减小，降压变压器的匝数比不变，则有＝可知降压变压器的输出电压U4减小，D错误。 4．(远距离输电问题)(多选)(2024·陕西师大附中期中)如图所示，某小型水电站发电机的输出功率P＝100 kW，发电机的电压U1＝250 V，经变压器升压后向远处输电，输电线总电阻R线＝8 Ω，在用户端用降压变压器把电压降为U4＝220 V。已知输电线上损失的功率P线＝5 kW，假设两个变压器均是理想变压器，下列说法正确的是(　　) A．发电机输出的电流I1＝40 A B．输电线上的电流I线＝25 A C．降压变压器的匝数比n3∶n4＝190∶11 D．升压变压器匝数比1∶160 解析：选BC。由功率P＝U1I1，得发电机输出的电流I1＝＝400 A，故A错误；由输电线上损失的功率P线＝IR线，得I线＝25 A，故B正确；由升压变压器的电流关系＝，I2＝I线得，升压变压器匝数比＝，故D错误；由升压变压器电压关系＝，解得U2＝4 000 V，输电线上损失的电压U线＝I线R线＝200 V，降压变压器的输入电压U3＝U2－U线，由电压关系＝，解得＝，故C正确。 学科网（北京）股份有限公司 $