第4节 远距离输电-【金版新学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册同步课堂高效讲义教师用书（粤教版）

第四节　远距离输电 【素养目标】　1.理解远距离输电线上的能量损耗与哪些因素有关。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。3.了解交变电流从发电站到用户的输电过程。 知识点一　 输电线上电压和功率损失的计算 【情境导入】　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？ 提示：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。 【教材梳理】 (阅读教材P80—P81完成下列填空) 1．输送电能的基本要求 安全、保质、减少电能损耗。 2．输电线路的电压损耗 输电线始端电压U与输电线末端电压U′的差值ΔU＝U－U′＝Ir＝r，其中I为输电线上的电流，r为输电线的电阻。 3．输电线路的功率损耗 (1)远距离输电时，输电线有电阻，电流的热效应引起功率损耗，损耗的电功率ΔP＝I2r。 (2)若输电线上损耗的电压为ΔU，则功率损耗还可以表示为ΔP＝，ΔP＝ΔUI。 【师生互动】　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： 任务1.输送到用户两端的电压U′与U、P、I及r之间有哪些关系式？ 任务2.用户得到的电能与发电厂输出的电能相等吗？为什么？ 任务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：任务1.U′＝U－ΔU＝U－Ir＝U－r。 任务2.不相等。由于输电线有电阻，有一部分电能转化为电热损耗掉了。 任务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。 学生用书第95页 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，则输电线上损失的电压为多少？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，输电线上损失的电压为多少？损失的功率又为多少？它与输出功率的比值是多少？ 答案：(1)2 500 A　(2)5×104 V　1.25×108 W　　(3)1 000 A　2×104 V　2×107 W　 解析：(1)由P＝UI得I＝＝ A＝2 500 A。 (2)输电线上损失的电压U损＝I·2r＝2 500×2×10 V＝5×104 V。 输电线上损失的功率 P损＝I2·2r＝2 5002×2×10 W＝1.25×108 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′＝＝ A＝1 000 A 输电线上损失的电压 U损′＝I′·2r＝1 000×2×10＝2×104 V 输电线上损失的功率 P损′＝I′2·2r＝1 0002×2×10 W＝2×107 W。 损失功率与输出功率之比＝＝。 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′＝IR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．减少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，可减小电阻率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，输送电流可减为原来的，输电线上的功率损失将降为原来的。 针对练．(多选)在远距离输电时，输送的电功率为P，输电电压为U，所用导线电阻率为ρ，横截面积为S，总长度为L，输电线损耗的电功率为P′，用户得到的电功率为P用，则P′、P用的关系式正确的是(　　) A．P′＝ B．P′＝ C．P用＝P(1－) D．P用＝P－ 答案：AC 解析：输电线电阻R＝ρ，输出电流I＝，故输电线上损失的电功率为P′＝I2R＝，故A项正确，B项错误； 用户得到的电功率为P用＝P－P′＝P(1－)，故C项正确，D项错误。 知识点二　高压输电 【情境导入】　我们的日常生产、生活用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电的电压一定很高吗？怎样才能提高输送电压？ (2)大型发电机发出的电压不符合远距离输电的要求，怎么办？而到达目的地的电压也不符合用户的要求，怎么办？ 提示：(1)电厂发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)在发电机处用升压变压器升高电压，在用户处用降压变压器降低电压。 学生用书第96页 【教材梳理】 (阅读教材P81—P83完成下列填空) 1．高压交流输电 (1)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)输电方案：采用电能输配电网。 2．直流输电 (1)优点：避免输电线路因电感导致的电能损耗。 (2)直流输电示意图。 【师生互动】　如图为基本的电网供电示意图。 请描述图中五个电压的U1、U2、U3、U4、ΔU的意义。 提示：(1)U1：发电站的输出电压，也是升压变压器的输入电压。 (2)U2：输电线始端电压，也是升压变压器的输出电压。 (3)U3：输电线末端电压，也是降压变压器的输入电压。 (4)U4：最终用户得到的电压，也是降压变压器的输出电压。 (5)ΔU：输电线上的电压损失，等于输电线始端电压与末端电压的差值，即ΔU＝U2－U3。 高压交流输电 (多选)(2024·中山市高二统考期末)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，升压变压器原、副线圈匝数比为1∶10，输电线路如图所示。变压器视作理想变压器，则下列说法正确的是(　　) A．用户得到的电功率为9 kW B．降压变压器原、副线圈匝数比为11∶1 C．通过输电线的电流为4 A D．输电线上损耗的功率为320 W 答案：BCD 解析：设升压变压器副线圈的电压为U2，则有＝，解得U2＝2 500 V，则输电线上电流为I2＝ A＝4 A，则输电线上损失的功率为ΔP＝I22R＝320 W＝0.32 kW，故用户得到的电功率为P′＝10 kW－0.32 kW＝9.68 kW，故A错误，C、D正确；输电线上损失的电压为ΔU＝I2R＝80 V，则降压变压器原线圈两端的电压为U3＝2 500 V－80 V＝2 420 V，故降压变压器原、副线圈匝数比为＝＝，故B正确。故选BCD。 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。 2．理清三个回路 回路1：P1＝U1I1　　 回路2：U2＝ΔU＋U3，P2＝ΔP＋P3＝I22R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线2R线＝＝ΔUI线。 (6)输电线上的电压损失： ΔU＝I线R线＝U2－U3。　　 针对练．(多选)(2024·湛江市高二月考)图甲为某小型水电站的电能输送示意图，其输入电压如图乙所 学生用书第97页 示。输电线总电阻为r，升压变压器原、副线圈匝数分别为n1、n2，降压变压器原、副线圈匝数分别为n3、n4(变压器均为理想变压器)。降压变压器右侧部分为一火灾报警系统(报警器未画出)，R0和R1为定值电阻，R为半导体热敏电阻，其阻值随温度的升高而减小，电表为理想电表，下列说法正确的是(　　) A．> B．乙图中电压的瞬时值表达式为u＝250·sin (100πt) V　 C．R处出现火警时，输电线上的电流增大 D．R处出现火警时，电压表的示数增大 答案：BC 解析：根据＝，＝，U2>U1，U3>U4，可知<，故A错误；题图乙中电压最大值Um＝250 V，T＝0.02 s，所以ω＝＝100π rad/s，则题图乙中的电压瞬时值表达式u＝250·sin (100πt) V，故B正确；当R处出现火警时，其阻值减小，负载的总电阻减小，则I4增大，I3增大，故C正确；又ΔU＝I3r，ΔU增大，输入电压U1不变，n1和n2不变，所以U2不变，由于ΔU＝U2－U3，所以U3减小，n3和n4不变，则U4变小，即电压表的示数减小，故D错误。 直流输电 (多选)(2024·四川统考)在远距离输电技术上，中国1 100 kV特高压直流输电工程是目前世界上电压等级最高、输送容量最大、输送距离最远、技术水平最先进的国家输电工程。输电线路流程可简化为： 如虚线框所示，若直流电线电阻为10 Ω，直流电输送功率为5.5×109 W，不计变压器、整流与逆变等造成的能量损失，则(　　) A．直流输电线路上的电流为5×103 A B．直流输电线路上损失的电压为100 kV C．降压变压器的输出功率是4.5×109 W D．若将1 100 kV直流输电降为550 kV直流输电，受端获得的功率将比原来的减少7.5×108 W 答案：AD 解析：由直流电输送功率P＝UI可得输送电流I＝＝ A＝5 000 A，A正确；直流输电线路上损失的电压ΔU＝IR＝5×103×10 V＝50 kV，B错误；输电导线上损失的功率ΔP＝I2R＝(5×103)2×10 W＝2.5×108 W，降压变压器的输出功率P出＝P－ΔP＝5.25×109 W，C错误；用1 100 kV输电时输电导线上损失的功率ΔP＝2.5×108 W，保持输送功率不变，只用550 kV输电，输电导线上损失的功率ΔP′＝R＝×10 W＝1×109 W，则用户得到的功率比1 100 kV输电时减少ΔP′－ΔP＝7.5×108 W，D正确。 1．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，则输电线上的电压损失为(　　) A．原来的 B．原来的 C．原来的n倍 D．原来的n2倍 答案：A 解析：根据P＝UI得，输电电压升高为原来电压的n倍时，输电电流变为原来的倍，根据U损＝IR可知，输电线上的电压损失为原来的，故A正确。 2．(2024·江门市第一中学高二校考)“张北的风点亮北京的灯”，中国外交部发言人赵立坚这一经典语言深刻体现了2022年北京冬奥会的“绿色奥运”理念。张北可再生能源示范项目，把张北的风转化为清洁电力，并入冀北电网，再输向北京、延庆、张家口三个赛区。远距离输电过程，我们常常采用高压输电。某风力发电站，通过远距离输送一定功率的交流电，若将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 答案：B 解析：由公式P＝UI可得，输送电流为I＝，输电线上的电功率损失为P损＝I2R线＝，若将输送电压升高为原来的n倍，则输电线上的电功率损失为原来的，故选B。 3．(鲁科版选择性必修第二册P84T4改编)如图所示，某发电机输出功率是100 kW，输出电压是250 V，从发电机到用户间的输电线总电阻为8 Ω，要使输电线上的功率损失为5%，而用户得到的电压正好为220 V，求升压变压器和降压变压器原、副线圈匝数比分别是(　　) 学生用书第98页 A．16∶1　190∶11 B．1∶16　11∶190 C．1∶16　190∶11 D．16∶1　11∶190 答案：C 解析：输电线损失功率P损＝100×103×5% W＝5×103 W，由P损＝I22R线得，输电线电流I2＝25 A，升压变压器原线圈电流I1＝400 A，故升压变压器原、副线圈匝数比＝＝，升压变压器副线圈两端电压U2＝U1＝4 000 V，输电线损失电压U损＝I2R线＝200 V，降压变压器原线圈两端电压U3＝U2－U损＝3 800 V，故降压变压器原、副线圈匝数比为＝ ，故C正确。 4．(2024·重庆万州联考)如图是远距离输电的示意图，远距离输电要采用高压输电，输电电压为330 kV、550 kV乃至750 kV的线路称为超高压输电线路，输电交流电压为1 000 kV(直流电压为±800 kV)及以上的线路称为特高压输电线路。我国已实现大功率的远距离输电，构建了大规模“西电东送”“北电南送”的能源配置格局，2018年，我国开始建造世界上容量最大的特高压多端直流输电工程。下列说法正确的是(　　) A．远距离输电的输送电压指升压变压器原线圈两端电压 B．远距离输电的输送电压可以无限制地提高 C．远距离输电的输送电流指一次高压变电站副线圈的电流 D．特高压远距离输电可以采用交、直流结合的方式输电 答案：D 解析：远距离输电的输送电压指升压变压器副线圈两端电压，故A错误；不能无限制提高电压，电压越高对输电线路绝缘的要求越高，线路修建费用越高，故B错误；远距离输电的输送电流指二次高压变电站副线圈的电流，故C错误；为了增加输电效率，特高压远距离输电可以采用交、直流结合的方式输电，故D正确。故选D。 学科网（北京）股份有限公司 $