第3章 第4节 电能的传输（Word练习）-【新课程学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册（教科版）

第4节　电能的传输 核心素养导学 物理观念 (1)了解提高输电电压是降低远距离输电损耗的有效途径。 (2)知道电网供电是远距离输电的重要发展。 科学思维 (1)会用相关知识解释实际的输电问题。 (2)经历建立远距离输电模型的过程。 科学态度与责任 理解工程技术要兼顾科学、技术、经济等多种因素,体会建立模型的思维方法。 一、电能输送中的电压损失和电能损耗 1.电压损失:U损=　　　。  2.功率损耗:P损=　　　　。  3.减小电压损失和电能损耗的途径 (1)设导线总长度为l,横截面积为S,则r=ρ,l一定时,可增大导线的　　　　　　和选用　　　　较小的金属材料。  (2)由公式P=IU可知,在保证输送功率一定的情况下,减小电流I可以通过提高　　　　　　来实现。  　　[微点拨]　前一种方法的作用十分有限,一般采用后一种方法。 二、远距离输电系统　直流输电 1.远距离输电基本原理 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.交流输电的局限性 (1)当交流输电功率很大时,电感、电容引起的电压及电能损失很大。 (2)同一电网供电的发电机同步运行,技术上存在困难。 3.直流输电过程 发电机发出的交流电,通过变压器升高电压,然后使用整流设备使它成为直流电,用输电线把高压直流电输送出去,到了用电地点附近,再使用逆变器把直流电变回到交流电,并通过变压器降压后供用户使用。 1.为了检验输送电压高低对电能输送的影响,采用实验比较法,在低压交流电源上并联两个回路。一个回路只含电阻、灯泡和电流表,电阻模拟远距离输电线路上导线的电阻,灯泡模拟用户使用的效果;另一个回路先通过一个升压变压器提高电压,再通过一个降压变压器降低电压,其余线路与第一个回路相同。实验电路如图所示。 进行实验,并观察实验现象,可以得到什么结论? 2.如图是远距离输电示意图,判断下列说法正误。 (1)从发电厂发出的电输送到用户均需要采用高压输电。 (　 ) (2)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。 (　 ) (3)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。 (　 ) 新知学习(一)|输电线电压损失和功率损失 [任务驱动] 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: (1)用户两端的电压是多大? (2)用户得到的电能与发电厂输出的电能相等吗? (3)输电线上功率损失的原因是什么? [重点释解] 1.输电线上的电压损失:ΔU=U-U'=Ir=r。 2.输电线上的功率损失: (1)ΔP=I2r,其中I为输电线上的电流。 (2)ΔP=ΔU·I或ΔP=,其中ΔU为输电线上的电压损失。 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,根据r=ρ,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=,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。 [典例体验] 　　[典例]　(2025·宜宾阶段练习)我国发布的“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。若在输送电能总功率不变的情况下,仅将原来的500 kV高压输电升级为1 000 kV的特高压输电,下列说法正确的是 (　 ) A.输电电流会变为原来的2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.若输电线损失功率不变,则使用相同材料、粗细的输电线传输距离是原来的4倍 听课记录: /方法技巧/ 计算功率损失和电压损失的三点提醒 (1)输电电压是指加在高压输电线起始端的电压U送,损失电压是指降落在输电线路上的电压ΔU=I线r。 (2)输送功率是指高压输电线起始端输出的功率,损失功率是输电线上消耗的功率。 (3)输电线上的电流由I线=计算,而不能由I线=计算。 [针对训练] 1.远距离输送交变电流都采用高压输电。我国西北电网正在建设750 kV线路。采用高压输电的优点是 (　 ) A.可节省输电线的金属材料 B.可根据需要调节交流电的频率 C.可减少输电线上的能量损耗 D.可加快输电的速度 2.小明分别按图1和图2电路探究远距离输电的输电损耗,将长导线卷成相同的两卷A、B来模拟输电线路,忽略导线的自感作用。其中T1为理想升压变压器,T2为理想降压变压器,两次实验中使用的灯泡相同,灯泡的电压相等。两次实验中 (　 ) A.都接直流电源 B.A两端的电压相等 C.A损耗的功率相等 D.图1中A的电流较大 新知学习(二)|远距离输电问题 [重点释解] 1.输电过程示意图 2.高压输电过程的几个电压的区别 (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: ①表示形式:输电线始端电压与末端电压的差值,即ΔU=U2-U3=I2R。 ②形成原因:输电线有电阻,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低。 3.输电过程的几个基本关系 (1)功率关系:P1=P2,P2=P线+P3,P3=P4。 (2)电压、电流关系:==,==,U2=ΔU+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=P2-P3=I线ΔU=R线=R线。 [典例体验] 　　[典例]　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? 尝试解答: 　　[变式拓展]　对应[典例]的情境,若使电灯数减半并正常发光,发电机的输出功率是否减半? /方法技巧/ 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。 [针对训练] 1.(多选)快速铁路的电力机车供电系统如图所示,发电厂利用升压变压器将低压交流电的电压升至110 kV,牵引变电所利用降压变压器将电力系统输送来的高压交流电降至27.5 kV,升压变压器和降压变压器均为理想变压器,发电厂的输出电压不变,输电线的电阻R不能忽略。若机车功率增大,则 (　 ) A.升压变压器的输出电压增大 B.降压变压器的输出电压增大 C.输电线上损耗的功率增大 D.输电线上损耗的功率占总功率的比例增大 2.如图是所建光伏发电项目。若光伏发电机总输出功率为36 kW,输出电压为500 V,先后经过升压变压器和降压变压器传输到用户。设输电线的总电阻为10 Ω,要求输电线中因发热而损失的功率为输送功率的4%,用户需要的电压为220 V,不计变压器的能量损耗。试求: (1)升压变压器的输出电压。 (2)升压变压器和降压变压器原副线圈的匝数比。 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 ◉物理观念——对远距离输电的认识 1.(选自粤教版教材课后练习)如图所示是远距离交流输电的简化示意图。其中发电厂的输出电压是U,两条输电线的等效总电阻为r,输电线路中的电流是I1,其末端间的电压为U1。在输电线与用户间连有一理想变压器,流入用户端的电流是I2。 (1)用户两端的电压是多少? (2)理想变压器的输入功率是多少? (3)输电线上损耗的电功率和电压分别是多少? ◉科学探究——探究远距离输电 2.(选自鲁科版教材课后练习)(多选)某同学在实验室中研究远距离输电。由于输电线太长,他将每100 m导线卷成一卷,共卷成8卷来代替输电线路。第一次直接将输电线与学生电源及用电器相连,第二次采用如图所示的电路输电。其中变压器T1与电源相连,变压器T2与用电器相连。下列说法正确的是 (　 ) A.第二次实验也可研究远距离直流输电 B.T1是升压变压器,T2是降压变压器 C.若输送功率一定,则第二次输电线损失的电功率较小 D.实验可证明,增大输电电流能减少远距离输电的能量损失 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1.(多选)某地区经常出现低温雨雪冰冻天气,高压输电线因结冰而严重损毁,如图所示。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,需要输电线上热耗功率为9ΔP,若输电功率和输电线的电阻不变,则除冰时 (　 ) A.输电电流为3I B.输电电流为9I C.输电电压为3U D.输电电压为U 2.如图所示,为了减少输电线路中电力损失,发电厂发出的电通常是经过变电所升压后通过远距离输送,再经变电所将高压变为低压。某变电所将电压u0=11 000sin 100πt V的交流电降为220 V供居民小区用电,则该变电所变压器 (　 ) A.原、副线圈匝数比为50∶1 B.副线圈中电流的频率是100 Hz C.原线圈的导线比副线圈的要粗 D.输入原线圈的电流等于居民小区各用电器电流的总和 3.(2025·湖北高考)(多选)在如图所示的输电线路中,交流发电机的输出电压一定,两变压器均为理想变压器,左侧升压变压器的原、副线圈匝数分别为n1、n2,两变压器间输电线路电阻为r。下列说法正确的是 (　 ) A.仅增加用户数,r消耗的功率增大 B.仅增加用户数,用户端的电压增大 C.仅适当增加n2,用户端的电压增大 D.仅适当增加n2,整个电路消耗的电功率减小 课下请完成课时跟踪检测(十四) 1 / 10 学科网（北京）股份有限公司 第4节　电能的传输 落实必备知识 [预读教材] 一、 1.Ir　2.I2r　3.(1)横截面积　电阻率　(2)输电电压U 二、 1.升压　降压 [情境创设] 1.提示:L1灯泡比L2灯泡亮,电流表A1的示数小于电流表A2的示数,这说明提高电压后,输电线上电流减小,电压损失、功率损失都减小。 2.(1)×　(2)√　(3)× 强化关键能力 新知学习(一) [任务驱动] 提示:(1)U'=U-ΔU=U- r,或U'=U-Ir。 (2)不相等,由能量守恒知,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。 (3)由于输电线有电阻,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。 [典例]　选D　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2倍,则输电电流变为原来的,故A错误;导线上损失的电压、损失的功率分别为ΔU=Ir,ΔP=I2r,若输电线不变,则输电线上损失的电压变为原来的,损失的功率变为原来的,故B、C错误;由于输电电流变为原来的,要保持输电线损失功率不变,输电线的阻值应变为原来的4倍,根据电阻定律R=ρ,则使用相同材料、粗细的输电线传输距离是原来的4倍,故D正确。 [针对训练] 1.选C　在输电的过程中输送的功率一定,根据P=UI和ΔP=I2R,有:ΔP=,故高压输电可以降低功率损耗,不可以节省输电线的金属材料,C正确,A错误;交流电的频率等于发电机转动的频率,是不改变的,B错误;电路中输电的速度是光速,与是否为高压输电无关,D错误。 2.选D　由于变压器只能改变交变电流,因此题图2中不可能接直流电源,A错误;T2是降压变压器,根据=>1,由于流过两个灯的电流相等,可知题图2中流过A的电流较小,题图2中A两端的电压较低,题图2中A消耗的功率较小,B、C错误,D正确。 新知学习(二) [典例]　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=U3I2+R=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==4I2=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=R=62×4 W=144 W。 (4)输电效率η=×100%=×100%≈97.3%。 答案:(1)5 424 W　(2)250 V　(3)144 W　(4)97.3% [变式拓展]　提示:电灯减少一半时,n'P灯=2 640 W I2'== A=3 A 所以P出'=n'P灯+I2'2R=2 640 W+32×4 W=2 676 W< 发电机的输出功率减少了一半还要多,这是因为输电线上的电流减少了一半,输电线上电功率的损失减少为原来的。 [针对训练] 1.选CD　因为发电厂的输出电压不变,升压变压器不变,所以升压变压器的输出电压不变,A错误;升压变压器的输入功率等于输出功率,若机车功率增大,则升压变压器的输出功率增大,由公式P=UI可知升压变压器的输出电流增大,输电线上的功率损耗ΔP=I2R增大,输电线上电压损耗ΔU=IR增大,降压变压器的输入电压减小,则降压变压器的输出电压减小,B错误,C正确;设升压变压器的输出电压为U2,输出电流为I,则输电线上损耗的功率占总功率的比例为=,因为电流I增大,所以输电线上损耗的功率占总功率的比例增大,D正确。 2.解析:(1)损失的功率:ΔP=4%P=1 440 W 设输电线上的电流为I2,根据ΔP=r,可得I2=12 A 升压变压器的输出电压为U2==3 000 V。 (2)升压变压器原副线圈的匝数比为== 输电线上损失的电压为ΔU=I2r=120 V 降压变压器原线圈两端的电压为U3=U2-ΔU=2 880 V 降压变压器原副线圈的匝数比为==。 答案:(1)3 000 V　(2)　 浸润学科素养和核心价值 一、 1.解析:(1)根据=,=,可得U2=U1。 (2)P入=U1I1。 (3)损失电功率ΔP=r,损失电压ΔU=I1r。 答案:(1)U1　(2)U1I1　(3)r　I1r 2.选BC　变压器只能改变交变电流的电压,所以第二次实验只能研究远距离交流输电,A错误;采用高压输电时,T1为升压变压器,T2为降压变压器,由I=可知,输送功率一定时,提高输电电压,可减小输电线中电流I,由P损=I2R线可知,第二次输电线损失的电功率较小,B、C正确,D错误。 二、 1.选AD　高压线上的热耗功率ΔP=I2R线,若热耗功率变为9ΔP,则9ΔP=I'2R线,联立得I'=3I,A正确;又输送功率不变,P=UI=U'I',得U'=U,D正确。 2.选A　降压变压器输入电压的最大值为11 000 V,则有效值为11 000 V,则:===50∶1,A正确;交流电的频率f===50 Hz,经过变压器后,交流电的频率不变,B错误;降压变压器中副线圈的电流大于原线圈的电流,为了使线圈放出的热量尽量少,副线圈导线电阻应小于原线圈导线电阻,则副线圈导线比原线圈导线粗,故C错误;副线圈的电流等于居民小区各用电器电流总和,与原线圈的电流不相等,所以输入原线圈的电流不等于居民小区各用电器电流的总和,D错误。 3.选AC　整个电路物理量标注如图所示, 设用户端总电阻为R用户,降压器输入端等效为电阻Rx,则有Rx=R用户,可知Rx=R用户,又I2=I3,则对于输电线有I2==,仅增加用户数,则R用户减小,可知I2增大,根据ΔP=r,可知r消耗的功率增大,故A正确;仅增加用户数,I2增大,根据U3=U2-I2r,可知U3减小,根据用户端的电压U4=U3,可知用户端的电压减小,故B错误;仅适当增加n2,根据U2=U1,可知U2增大,根据I2=,可知I2增大,根据U3=I2Rx,可知U3增大,根据用户端的电压U4=U3,可知用户端的电压增大,故C正确;由以上分析可知,仅适当增加n2,U2、I2均增大,整个电路消耗的电功率P1=P2=U2I2增大,故D错误。 $