高中物理知识全解 2.7 电能的输送.doc

高中物理知识全解 2.7 电能的输送一：正弦式交变电流发电机原理基础知识：1、大小和方向都随时间做周期性变化的电流叫交变电流，简称交流（ac）2、方向不随时间变化的电流称为直流（dc） （大小、方向均不随时间变化的电流叫恒定直流电）正弦式交变电流发电机i、由甲图到乙图的过程，感应电流方向为,且感应电流逐渐增大。ii、由乙图到丙图的过程，感应电流方向为,且感应电流逐渐减小。iii、由丙图到丁图的过程，感应电流方向为,且感应电流逐渐增大。iv、由丁图到戊图的过程，感应电流方向为,且感应电流逐渐减小。中性面：物理学中把线圈平面垂直于磁感线的位置称为中性面（如上图甲，丙、戊）。(1)线圈平面转到中性面时刻：，最大，此时刻线圈没有切割磁感线故此时刻，（如上图甲，丙、戊），电流方向在中性面前后发生改变。线圈平面每经过中性面后，感应电流的方向就改变一次，因此线圈转动一周（即一个周期范围内），感应电流的方向就改变两次。(2)线圈平面与中性面垂直时刻，此时刻线圈垂直切割磁感线故此时刻最大，最大（如上图乙，丁），电流方向前后不变。(3)线圈从中性面开始转动的过程中，电流从零逐渐增大到最大，再由最大逐渐减小，到下一个中性面时刻变为零。2、定量分析假设ab长为l1，bc长为l2，转动的角速度为，磁感应强度为b，则ab边产生的感应电动势：而ab边的线速度： = 同理可得：若线圈abcd经过中性面时刻开始计时，则，令 【是感应电动势的最大值，也叫做峰值】由于电动势按正弦规律变化，所以当负载接电灯等用电器时，负载两端的电压、通过的电流，也按正弦规律变化即：， 【例题】下图中闭合线圈都在匀强磁场中绕虚线所示固定轴匀速转动，能产生正弦式交变电流的是（ ）【例题】将硬导线中间一段折成半圆形，使其半径为r(m)，让它在磁感应强度为b(t)、方向如下图所示的匀强磁场中绕轴mn匀速转动，转速为n(r/s)，导线在a、b两处通过电刷与外电路连接，外电路接有阻值为r()的电阻，其余部分的电阻不计，则 ( )a通过电阻r的电流恒为b电阻r两端的电压的最大值为bn2r2c半圆导线从图示位置转过180的过程中，通过电阻r的电荷量为d电阻r上消耗的电功率为领悟：上题中半圆形导线切割磁感线的线速度大小处处不等。【例题】如下图所示，导体棒ab两个端点分别搭接在两个竖直放置、电阻不计、半径相等的金属圆环上，圆环通过电刷与导线c、d相接c、d两个端点接在匝数比n1n2101的变压器原线圈两端，变压器副线圈接一滑动变阻器r0.匀强磁场的磁感应强度为b，方向竖直向下，导体棒ab长为l(电阻不计)，绕与ab平行的水平轴(也是两圆环的中心轴)oo以角速度匀速转动如果滑动变阻器的阻值为r时，通过电流表的电流为i，则( )a滑动变阻器上消耗的功率为p10i2rb变压器原线圈两端的电压u110irc取ab在环的最低端时t0，则导体棒ab中感应电流的表达式是iisin tdab沿环转动过程中受到的最大安培力fbil【例题】一正弦交变电流发电机的电动势为，若将此发电机的转速和磁场强度均增加一倍，试写出该发电机此后的电动势的表达式。解：，当转速提高一倍时，磁感应强度增加一倍时，。【例题】发电机产生的按正弦规律变化的电动势最大值为311v，其线圈共100匝，在匀强磁场中匀速转动的角速度为100rad/s,从线圈经过中性面开始计时。（1）写出当时的瞬时表达式。（2）此发电机与外电路组成闭合电路时，总电阻为100，求时的电流。（3）线圈转过180的过程中，电动势的平均值，电动势达到的最大值各是多少？（4）磁通量变化率的最大值是多少？以中性面为参考面，转子与中性面成夹角时刻开始计时，正弦式交变电流的表达式1、为峰值。2、是转子与中性面开始计时时刻的夹角（即初相）。3、是转子转动的角速度，故正弦式交变电流的周期（为正弦式交变电流的频率）4、是正弦式交变电流的相位，其中是正弦式交变电流的初相。5、为相位差。例：如果两正弦式交变电流的周期或频率相等，其初相分别为，则它们的相位差为：是个常数，不随时间变化，这时我们说这两支正弦式交变电流“具有确定的相位差”。注意：相位差是个很重要的物理量。例：不同的交流发电机在向同一个电网供电的时候，它们的相位必须完全相同，即相位差必须保持为零，不然的话，轻则会使输电效率降低，严重时会损坏输电设备。注意：理解交变电流的峰值，瞬时值，有效值的物理意义及它们之间的关系和正确运用。（此类问题在恒定直流电中有详细讲述，不同类型的交变电流的峰值和有效值之间的关系是不一样的）例：正弦式交变电流有效值与峰值的关系： 拓展：正弦式交变电流在一个周期内的平均感应电动势*i、数学平均感应电动势考虑感应电动势方向变化对问题的影响，这样求解的平均感应电动势叫做数学平均感应电动势，可利用它去求解通过闭合电路导体某截面的净电量。正弦式交变电流在一个周期内的数学平均感应电动势为：ii、物理平均感应电动势考虑感应电动势大小变化对问题的影响，这样求解的平均感应电动势叫做物理平均感应电动势。正弦式交变电流在一个周期内的物理平均感应电动势：【】原理：0t/4，；t/43t/4，；3t/4t，；以上所提供的两种不同结果的两种解法，不能笼统说谁对谁错，应结合具体问题具体分析。可见,在讨论这类物理量的平均值时,及时地加以明确是很有必要的。【例题】如下图一所示的正方形线框abcd边长为l，每边电阻均为r，在磁感应强度为b的匀强磁场中绕cd轴以角速度转动，c、d两点与外电路相连，外电路电阻也为r，则下列说法中正确的是 ( )as断开时，电压表读数为bl2 bs断开时，电压表读数为bl2cs闭合时，电流表读数bl2 ds闭合时，线框从图示位置转过过程流过电流表的电荷量【例题】某公司向灾区捐赠一批柴油发电机该柴油发电机说明书的部分内容如下表所示现在用一台该型号的柴油发电机给灾民临时安置区供电，发电机到安置区的距离是400 m，输电线路中的火线和零线均为gbcz60型单股铜导线，该型导线单位长度的电阻为2.5104 .安置区家用电器的总功率为44 kw，当这些家用电器都正常工作时，下列说法中正确的是 ( )a.输电线路中的电流为20 a b输电线路损失的电功率为8 000 wc发电机实际输出电压是300v d如果该柴油发电机发的电是正弦交流电，则输出电压最大值是300v解析：家用电器正常工作的电压为220v，所以i线i0 a200 a；r线24002.51040.2，线路损失功率p线ir线8000 w，线路两端电压ui线r线40 v，所以发电机输出电压为260 v；如果该柴油发电机发的电是正弦交流电，则输出电压最大值是260 v.答案：b总结：正弦式交变电流是一种最简单又最基本的交变电流，家庭电路的交变电流就是正弦式交变电流。实际中应用的交变电流，不只限于正弦式交变电流，它们随时间变化的规律是各种各样的。例：几种常见的交变电流i、家用的交变电流是：220v，50hzii、动力用电的交变电流是：380v，50hz二：电感线圈和电容器对交变电流的影响电感线圈对交变电流的影响注意：电感线圈的电流不能突变。感抗：表示电感线圈对交变电流的阻碍作用，其特点是“通直流，阻交流”、“通低频，阻高频”。电感线圈的自感系数越大，交流的频率越高，则电感线圈的感抗就越大。例：扼流圈就是利用电感线圈对交变电流的阻碍作用而工作的。扼流圈分两大类，一类是低频扼流圈，其特点是“通直流，阻交流”；另一类是高频扼流圈，其特点是“通直流，通低频，阻高频”。电容器对交变电流的影响注意：电容器的电压不能突变。容抗：表示电容器对交变电流的阻碍作用，其特点是“通交流，隔直流”、“通高频，阻低频”。电容器的电容越大，交流的频率越高，则电容器的容抗就越小。例：使用220v交流电源的电气设备和电子仪器，金属外壳与电源之间都有良好的绝缘。但是，有时候用手触摸外壳仍然感到“麻手”，用试电笔测试时氖管也会发光。这是因为与电源相连的机芯和金属外壳可以看做电容器的两个极板，电源中的交变电流能够“通过”这个“电容器”。当手触摸金属外壳时，可能有一点点电流经人体流入大地。虽然这点“漏电”一般不会造成人身伤害，但是为了确保安全，电器设备和电子仪器的金属外壳都应该接地。【理解如果将零线和火线对调即让机芯接零线，那么金属外壳将不会有感应电流产生】三：变压器变压器原理1、构造：原、副线圈绕在同一个闭合铁芯上构成变压器。（原线圈也叫初级线圈，副线圈也叫次级线圈）2、作用：在输送电能的过程中改变交变电压和交变电流的大小。3、原理：电流通过原线圈时在铁芯中激发磁场，由于电流的大小、方向在不断变化，铁芯中的磁场也在不断变化变化的磁场在副线圈中产生感应电动势，所以尽管两个线圈之间没有导线相连，副线圈也能够输出电流互感现象是变压器工作的基础。（一般情况：变压器的输入端接的是正弦式交变电压）注意：由可知，一定时，感应电动势的大小与磁通量的变化率成正比。例：若变压器原线圈输入的是正弦式交变电流，则变压器副线圈输出的将是“余弦式”交变电流。【例题】如下图所示，一导体棒在匀强磁场中沿金属导轨做简谐运动，oo为平衡位置，aa和分别为离开平衡位置的最大位移处，则（ ）a.若金属棒自oo向aa运动过程中，电容器上极板带正电b.若金属棒自bb向oo运动过程中，电容器上极板带正电c.当金属棒通过oo时，电容器所带电荷量最大d.当金属棒通过aa时，电容器所带电荷量最大解析：由楞次定律可知a对，b错。导体棒的加速度越大，速度的变化率就越大，则磁通量的变化率也越大，所以感应电动势越大，因此c错，d对。答案：ad【例题】一台理想变压器有100匝的副线圈，输出电压10v，试求铁芯中磁通量的变化率的最大值。解：10v指的是正弦式交变电压的有效值，故正弦式交变电压的峰值为v 4、特性：由变压器的工作原理理解变压器只能改变交变电流和非恒定直流电的电压和电流大小，而不能改变恒定直流电的电压和电流大小。【例题】如右图所示，有一匀强磁场垂直于原线圈中的导轨平面向里，理想变压器原、副线圈匝数之比n1:n2=1:2，当导体棒向右做匀速直线运动时，原线圈中电流表a1的读数为12a，则副线圈中电流表a2的读数为多少？注意：由能量守恒定律可知理想变压器原、副线圈两边p输出=p输入【p输出决定p输入，在电源功率允许的范围内，功率按需提供】。【例题】如下图所示，开关s断开时l1，l2，l3正常发光，若将开关s闭合，试分析各灯泡的亮度变化情况。注意：是指理想变压器，实际生活中变压器会有漏磁现象（例：有铜损，铁损等），故严格的讲实际生活中的变压器：变压器原副线圈中电压、电流之比与变压器原副线圈匝数之比的关系注意：这里的电压，电流均指的是交变电流的有效值。1、单个副线圈的变压器（如图一）i、由能量守恒可知：ii、iii、拓展：变压器只有一个副线圈时，电流的变、比关系与负载无关（例：负载除了接电阻外还可以接电容、电感、二极管等元件），上述性质总成立。【例题】下图中为一理想变压器，原副线圈的总匝数比为1：2，其原线圈与一电压有效值恒为220v的交流电源相连，p为滑动头现令p从均匀密绕的副线圈最底端开始，沿副线圈缓慢匀速上滑，直至“220v60w”的白炽灯l两端的电压等于其额定电压为止u1表示副线圈两端的总电压，u2表示灯泡两端的电压，用i1表示流过副线圈的电流，i2表示流过灯泡的电流，（这里的电流、电压均指有效值）下列4个图中，能够正确反映这一过程相应物理量的变化趋势的是（ ）【例题】一台理想变压器的原、副线圈的匝数比是5l，原线圈接入电压为220v的正弦交流电，一只理想二极管和一个滑动变阻器r串联接在副线圈上，如下图所示电压表和电流表均为理想交流电表，则下列说法正确的是( )a原副线圈电流之比为1：5b电压表的读数为44vc若滑动变阻器接入电路的阻值为20，则1min内产生的热量为2904jd若将滑动变阻器滑片向上滑动，两电表读数均减小圈电流之比为原副线圈匝数的反比性质可求得原线圈中的电流。2、多个副线圈的变压器（如图二）i、由能量守恒可知：ii、注意：变压器有多个副线圈时，其副线圈中电流的大小要根据原、副线圈的功率关系及原、副线圈的电压关系综合求解。（一定要注意多个副线圈时原、副线圈中的电流之比不等于原、副线圈匝数的反比）【例题】如下图所示，理想变压器的原、副线圈匝数比为15，原线圈两端的交变电压为usin 100t v氖泡在两端电压达到100 v时开始发光，下列说法中正确的有 ( )a开关接通后，氖泡的发光频率为100 hzb开关接通后，电压表的示数为100 vc开关断开后，电压表的示数变大d开关断开后，变压器的输出功率不变【例题】收音机的变压器的初级线圈有1210匝，接在u1220 v的交流电源上，变压器有两个次级线圈次级线圈的匝数为35匝，次级线圈的匝数是1925匝如果不计变压器自身的能量损耗，当变压器工作时，线圈的电流是0.3 a时，初级线圈的电流i10.114 a求线圈中的电流和输出电压(电流的计算结果保留3位有效数字)【例题】如下图所示，一理想自耦变压器线圈ab绕在一个圆环形的闭合铁芯上，输入端ab间加一正弦式交流电压，在输出端bp间连接了理想交流电流表、灯泡和滑动变阻器，移动滑动触头p的位置，可改变副线圈的匝数，变阻器的滑动触头标记为q，则( )a只将q向下移动时，灯泡的亮度变大b只将q向下移动时，电流表的读数变大c只将p沿顺时针方向移动时，电流表的读数变大d只提高输入端的电压u时，电流表的读数变大拓展：高中阶段可认为变压器原副线圈中电压、电流之比与原副线圈匝数之比的关系仅适用于正弦交变电流，对于其它类型的电流不再适用。 【例题】如下图所示，水平铜盘半径为r，置于磁感应强度为b，方向竖直向下的匀强磁场中，铜盘绕通过圆盘中心的竖直轴以角速度做匀速圆周运动，铜盘的边缘及中心处分别通过滑动 变阻器r1与理想变压器的原线圈相连，该理想变压器原、副线圈的匝数比为n1，变压器的副线圈与电阻为r2的负载相连，则( )a若r1不变时，变压器原线圈两端的电压为br2/2b若r1不变时，通过负载r2的电流强度为0c若r1不变时，变压器的副线圈磁通量为0d若r1变化时，通过负载r2的电流强度为通过r1电流的1/n对变压器原、副线圈中各物理量的正确理解。例：如右图所示为一理想变压器，则：【例题】如下图所示,当滑动变阻器滑动触头p逐渐向上移动时,接在理想变压器两端的四个理想电表示数（ ）av1不变、v2不变、a1变大、a2变大bv1不变、v2不变、a1变小、a2变小cv1变大、v2变大、a1变小、a2变小dv1变小、v2变小、a1变大、a2变大答案：d【例题】如下图所示，两个完全相同的灯泡a和b，分别接在原、副线圈上，视变压器为理想变压器，灯泡的电阻不随温度的变化而变化，电源电压为u，求的关系？注意：变压器的输入功率由输出功率所决定，在额定功率允许的范围内按需提高；变压器的输出电压由输入电压及变压器原、副线圈匝数比共同决定；家用电器等用电设备都是并联接在电路中的。【例题】如下图所示是街头变压器给用户供电的示意图变压器的输入电压是市电网的电压，不会有很大的波动，输出电压通过输电线输送给用户输电线的电阻用r0表示，变阻器r表示用户用电器的总电阻，当滑动变阻器触头p向下移动时，下列说法不正确的是( )a相当于在增加用电器的数目ba1表的示数随a2表的示数的增大而增大cv1表的示数随v2表的示数的增大而增大d变压器的输入功率增大，v2表的示数不变电压决定，输入电压由发电机决定，c错答案：c【例题】如下图所示，理想变压器的原线圈两端输入的交变电压保持恒定则当开关s合上时，下列说法正确的是( )a电压表的示数变小b原线圈的电流增大c流过r1的电流不变d变压器的输入功率减小【例题】试分析夜深了，为什么路灯会变的更亮些。四：电能输送的线路问题线路损失1、线路上的功率损失假设输电功率为，输入给用电设备的功率为，输电导线的电阻为，输电导线中的电流为i，输电导线上的电压降为，则：2、线路上的电压损失假设发电厂输送电压为，用电设备两端电压为，输电导线电阻为，输电导线中的电流为i，输电功率为，输入给用电设备的功率为，则：注意：输电导线上的电压降与输出电压的区别。【例题】某小型水电站的电能输送示意图如下图所示，发电机的输出电压为220 v，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)要使额定电压为220 v的用电器正常工作，则 ( )a. b.c升压变压器的输出电压等于降压变压器的输入电压d升压变压器的输出功率大于降压变压器的输入功率【例题】随着社会经济的发展，人们对能源的需求也日益扩大，节能变得越来越重要某发电厂采用升压变压器向某一特定用户供电，用户通过降压变压器用电，若发电厂输出电压为u1，输电导线总电阻为r，在某一时段用户需求的电功率为p0，用户的用电器正常工作的电压为u2.在满足用户正常用电的情况下，下列说法正确的是( )a输电线上损耗的功率为 b输电线上损耗的功率为c若要减少输电线上损耗的功率可以采用更高的电压输电 d采用更高的电压输电会降低输电的效率减小输电线路损失的两个途径1、减小输电导线的电阻【】i、减小输电导线的电阻率（例：可用铜或铝做输电导线，而用金或银做输电导线最好但成本太高不可行）。ii、减小输电线的长度（不可行）。iii、增大输电线的横截面积（有一定的限度，因为过粗的导线不仅耗费太多的金属，而且输电线太重，太粗也给铺设工作带来困难）。2、减小输电电流（即高压输电）现代远距离输电的电压都很高。目前我国远距离送电的电压有110kv、220kv、330kv，输电干线已经采用500kv的超高压，西北电网的电压甚至达到750kv。输电电压也不是越高越好。电压越高，对输电线路的绝缘性能要求就越高，线路修建的费用就增多。输电电压越高，变压器上的电压也越高，对变压器的要求也相应提高。实际输送电能时，要综合考虑各种因素，如输送功率的大小，距离的远近，技术和经济要求等，依照不同的情况选择合理的输电电压。从发电站发出的电能，一般都要通过输电线路送到各个用电地方。根据输送电能距离的远近，采用不同的高电压。从我国现在的电力情况来看，送电距离在200300公里时采用220千伏的电压输电；在100公里左右时采用110千伏；50公里左右采用35千伏；在15公里20公里时采用10千伏，有的则用6600伏；在输送距离为几百米以内，一般采用220v的电压输电。输电电压在110千伏、220千伏的线路，称为高压输电线路，输电电压在330、550、以及750千伏的线路，成为超高压输电线路，而输电电压在1000千伏的线路，则称为特高压输电线路。i、高压线圈：匝数多、电流小、线圈细。ii、低压线圈：匝数少、电流大、线圈粗。注意：高压输电必须综合考虑各种因素，不一定是电压越高越好。电网供电电网（电力网）：在电力系统中，联系发电和用电的设施和设备的统称。属于输送和分配电能的中间环节，它主要由联结成网的送电线路、变电所、配电所和配电线路组成。通常把由输电、变电、配电设备及相应的辅助系统组成的联系发电与用电设施和设备的统一整体称为电力网。简称电网。电网供电的优点：可以在一次能源产地使用大容量的发电机组，降低一次能源的运输成本，获得最大的经济效益。同时，电网可以减小断电的风险，调剂不同地区电力供需的平衡，保证供电的质量。课本延伸：三相交变电压*1、星形接法 i、三相四线制为了使交流电有很方便的动力转换功能，通常电力传输是以三相四线制的方式。三根正弦式交变电流的相位(反映电流的方向、大小)相互相差120度。火线（相线）：三相电的三根线头称为火线（相线）。中线：三相电的三根线尾连接在一起成为一个公共端点称为中性点。在三相四线制电路中电源中性点和负载中性点的连线，叫做中线。零线：从变