第3章 第4节 电能的传输-【优学精讲】2026-2027学年高中物理选择性必修二同步教参（教科版·新教材）

第4节　电能的传输 　 1．了解交变电流从变电站到用户的输电过程。　2.知道远距离输电时输电线上电能的损耗与哪些因素有关，了解高压输电的原理。　3.知道远距离输电线路的基本构成，会对简单的远距离输电线路进行定量计算。 一、电能输送中的电压损失和电能损耗 1．由于导线自身存在电阻，导致输电过程存在电压损失U损，U损＝Ir。 2．电能损耗W＝Pt，相同时间内，功率损耗P损＝I2r。可知减少电能损耗的方法有两种。 (1)减小输电线的电阻。由电阻定律可知r＝ρ，由于导线一般选用铝材料，因而ρ是确定的，在输电导线长度l一定的情况下，为了减小电阻，只能通过增大横截面积S来实现。 (2)减小输电导线中的电流。在保证输送功率不变的前提下，可通过提高输电电压以减小输电电流。 (3)在计算功率损耗时，我们只考虑导线的电阻造成的电压损失，在交流输电过程中，由于电感和电容(特别是分布电容)的存在，也要造成电压损失。 二、远距离输电系统 目前世界各国都采用电网供电。大型交流发电机输出的电压经变压器把电压升高到220 kV或更高的超高压，用输电线送到远方。在用电集中的地方，将电压在高压变电所进行两次降压，其中一部分送到需要高压的地方，另一部 分送到低压变电所，经配电变压器降至低压(380 V/220 V)，分送给不同的用户使用。 三、直流输电 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，同一电网供电的发电机同步运行，技术上存在困难等，所以有些大功率输电线路开始采用直流输电。 (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)在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，降低功率损耗有两个途径：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．功率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。 　以下是一段关于输电线损失功率的推导。将电能从发电站送到用户，在输电线上会损失一部分功率。设输电电压为U，则功率损失为P损＝UI①，而U＝IR②，将②式代入①式，得到P损＝③，由③式可知，要减小功率损失P损，就应当用低压送电和增大输电线的电阻R。这段推导错在哪里？ [解析]　公式P损＝UI和U＝IR都是错误的，U是输电电压，而非输电线上的电压。正确的推导应该是：设输电电压为U，输送的电功率为P，则P损＝I2R，I＝。将两式联立求得P损＝R。由此可知，要减小功率损失P损，在输送功率P不变的条件下，应当升高输电电压U和减小输电线的电阻R。 [答案]　见解析 　(多选)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(　　) A．ΔP′＝ΔP B．ΔP′＝ΔP C．ΔU′＝ΔU D．ΔU′＝ΔU [解析]　若采用550 kV的超高压输电，输电线上的功率损耗ΔP＝·r，输电线路损失的电压ΔU＝·r，若改用1 100 kV的特高压输电，同理有ΔP′＝·r，ΔU′＝·r，可得ΔP′＝，ΔU′＝，故B、C错误，A、D正确。 [答案]　AD 　(2026·河北保定市期中)2025 年7月13 日，环塔里木盆地输变电工程全线贯通，将塔里木盆地输送容量约3×105 kW的220 kV输电线路升级为输送容量达到3×106 kW的750 kV输电线路。若升级后，发电厂输出电压不变，经升压变压器(视为理想变压器)后通过输电线输电，输电线材质不变、横截面积变为原来的1.5倍，则升级后(　　) A．输电线路中的电流变小 B．输送相同距离，线路上损失的电压变小 C．输送相同距离，线路上损失的电功率变大 D．升压变压器原、副线圈匝数的比值是原来的倍 [解析]　升级前输电线电流I1＝＝ A，升级后输电线电流I2＝＝ A，解得＝，所以输电线路中的电流变大，故A错误；升级前输电线电阻R1＝ρ，升级后输电线电阻R2＝ρ，可得R1＝1.5R2，升级前输送相同距离，线路上损失的电压ΔU＝I1R1＝I2R2，升级后输送相同距离，线路上损失的电压ΔU′＝I2R2>ΔU，所以输送相同距离，线路上损失的电压变大，故B错误；升级前输送相同距离，线路上损失的电功率ΔP＝IR1＝IR2，升级后输送相同距离，线路上损失的电功率ΔP′＝IR2>ΔP，所以输送相同距离，线路上损失的电功率变大，故C正确；发电厂输出电压不变，升级前升压变压器原、副线圈匝数的比值为，升级后升压变压器原、副线圈匝数的比值为，所以升级后升压变压器原、副线圈匝数的比值是原来的，故D错误。 [答案]　C 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(n1、n2、n3、n4，线圈的电阻和发电机内阻均忽略不计)。 (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．远距离输电过程示意图 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。 　(2026·江苏南通市期中)某同学借助如图所示的电路，探究电网输电的规律。电路中升压变压器原线圈接电压有效值恒定的交流电源，变压器均可视为理想变压器，电表均可视为理想电表，则下列说法正确的是(　　) A．仅将P1向上调，电压表示数会减小 B．仅将P1向上调，电流表示数会增大 C.若用户增多，电网负荷增大，要想用电器正常工作，应将P2向下调 D．演示“夜深了，灯更亮了”，应将变阻器R的滑片向上调，电流表示数减小而电压表示数不变 [解析]　对升压变压器有＝，将P1向上调，n1增大，则U2减小，将降压变压器与负载等效为一个电阻，则有R等＝＝＝·＝R，输电过程有I3＝，可知I3减小，即电流表示数会减小，根据U3＝I3R等，可知U3减小，根据电压与匝数关系可知，U4减小，即电压表示数会减小，故A正确，B错误；若用户增多，电网负荷增大，由于用户是并联关系，则R等减小，结合上述可知，I3增大，R0分担电压增大，则U3减小，U4减小，要想用电器正常工作，应使降压变压器副线圈匝数增大，即应将P2向上调，故C错误；演示“夜深了，灯更亮了”，即用户减少，用户端电压U4增大，若变阻器R的滑片向上调，则变阻器R接入电阻增大，结合上述可知，等效电阻R等增大，则I3减小，即电流表示数减小，R0分担电压减小，则U3增大，U4增大，即电压表示数增大，故D错误。 [答案]　A 　(2026·辽宁丹东市期末)碳排放问题的治本之策是转变能源发展方式，加快推进清洁能源替代。一座小型水电站向山下村镇供电的示意图如图甲、乙所示，已知发电机的输出功率P1＝100 kW，输出电压U1＝500 V且恒定，输电线总电阻R＝10 Ω，升压变压器原、副线圈匝数比＝0.05，降压变压器原、副线圈匝数比＝45，变压器均为理想变压器。若由于用户数量变化，使得输电线输送电流增加了2 A。求： (1)输电线上损失的功率增加了多少； (2)此时用户端获得的电压为多少(结果保留1位小数)。 [解析]　(1)由题意，可得I1＝＝200 A，＝ 解得I2＝10 A 则输电线上损失的功率P损1＝IR＝1 000 W P损2＝(I2＋ΔI)2R＝1 440 W 可得输电线上损失的功率增加了ΔP损＝P损2－P损1＝440 W。 (2)根据＝，可得U2＝10 000 V 则ΔU＝(I2＋ΔI)R＝120 V，U3＝U2－ΔU＝9 880 V 根据＝ 得U4≈219.6 V。 [答案]　(1)440 W　(2)219.6 V 　 处理远距离输电的方法技巧 (1)画好一张图——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) 1．(降低输电损耗的两个途径)为了保证东部地区用电，国家采取运煤和输电两个策略。运煤1 000 km费用是购煤费用的70%(相当于输电损耗42%)，而用5.0×105 V高压输电，输电损耗却高达90%。在输电功率不变的情况下，为了使1 000 km距离的输电效率与运煤时相当，需要将输送电压提升到大约(　　) A．7.5×105 V B．1.0×106 V C．1.25×106 V D．1.5×106 V 解析：选A。输电过程中损耗的功率P损1＝R＝90%P，其中U1＝5.0×105 V，当输电电压为U2时P损2＝2R＝42%P，解得U2≈7.3×105 V。 2．(远距离输电问题)(2026·广东广州市开学考)新能源电动汽车常用交流充电桩进行充电，交流充电桩的供电电路如图所示，R为输电线的总电阻。配电设施的输出电压为250 V，升压变压器原、副线圈的匝数比n1∶n2＝1∶9，降压变压器原、副线圈的匝数比n3∶n4＝10∶1，充电桩的输出电压u＝220sin (100πt) V，功率为7 040 W，变压器均视为理想变压器，下列说法正确的是(　　) A．交变电流的周期是0.2 s B．充电桩电流的有效值为3.2 A C．t＝0时刻，电压表示数为0 D．电压表示数始终是50 V 解析：选D。根据充电桩的输出电压表达式可知，ω＝100π rad/s，则交流电的周期T＝＝0.02 s，故A错误；根据充电桩输出电压表达式可知，输出电压的最大值Um＝220 V，有效值U＝＝ V＝220 V，充电桩电流的有效值I＝＝ A＝32 A，故B错误；电压表的读数始终为有效值，根据＝，＝，得U3＝2 200 V，U2＝2 250 V，则电阻R两端电压UR＝U2－U3＝50 V，故C错误，D正确。 3．(远距离输电问题)(2026·河南驻马店市期末)现有一小型风力发电机通过如图甲所示输电线路为某场馆1万个额定电压为220 V、额定功率为22 W的LED灯供电。当发电机输出如图乙所示的电压时，该场馆的LED灯全部可以正常工作。已知输电导线损失的功率为该场馆获得总功率的4%，输电导线的等效电阻R＝22 Ω。 (1)求风力发电机的转速。 (2)求降压变压器原、副线圈匝数比。 (3)求升压变压器原、副线圈匝数比。 解析：(1)由题图乙可得，发电机产生的交流电周期 T＝0.02 s 风力发电机的转速n＝＝50 r/s。 (2)场馆获得的功率P4＝10 000×PL＝2.2×105 W 降压变压器副线圈电流I4＝＝1 000 A 输电线上损失的功率P损＝4%×P4＝8.8×103 W 输电线上的电流I＝＝20 A 降压变压器原、副线圈匝数比＝＝。 (3)降压变压器原线圈两端电压U3＝U4＝11 000 V 输电线上损失的电压ΔU＝IR＝440 V 升压变压器副线圈两端电压U2＝ΔU＋U3＝11 440 V 由题图乙可知，发电机输出电压的有效值U1＝220 V 升压变压器原、副线圈匝数比＝＝。 答案：(1)50 r/s　(2)50∶1　(3)1∶52 学科网（北京）股份有限公司 $