2019_2020学年高中物理第二章交变电流第七节远距离输电学案粤教版.docx

第七节远距离输电学科素养与目标要求物理观念：1.了解远距离高压输电的原理.2.理解输电线上电能损失的影响因素科学思维：1.体会降低输电损耗的两个途径，能分析计算高压输电的损耗情况.2.能分析远距离输电的基本过程，会对基本的远距离输电线路进行定量计算.3.体会远距离输电的基本要求和电网供电的优点，并能据此设计基本的供电框架图一、从发电站到用户的输电线路1输电线路：由发电站、升压变压所、输电导线、高压变电所、低压变电所和用户组成2示意图二、为什么要用高压输电1输电线上的功率损失：PI2R，其中I为输电电流，R为输电导线的电阻2减少电能损失的两种方法(1)在输电距离一定的情况下，为了减小电阻，应当选用电阻率小的金属材料，还要尽可能增加导线的横截面积(2)为减小输电电流，同时又要保证向用户提供一定的电功率，就要提高输电电压三、直流输电1高压直流输电的原因：高压交流线路中电感、电容引起的电能损失很大，因此采用高压直流输电2直流输电过程1判断下列说法的正误(1)输电线上电功率的损失，与输电线的电阻成正比，与输电线电流的平方成正比()(2)由P可知，输电电压越小，输电线上电功率的损失就越小()(3)使用变压器进行远距离输电，用户得到的电压可以高于发电机输出的电压()(4)远距离输电时，若升压变压器匝数比为1n，降压变压器匝数比为n1，则升压变压器的输入电压和降压变压器的输出电压相等()2输电线的总电阻为R，输送电功率为P.现分别用U1和U2两种电压来输电，则两次输电线上损失的功率之比为_答案UU一、降低输电损耗的两条途径如图所示，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？功率损失的表达式是什么？降低功率损耗有哪些途径？答案(1)UUUUr.(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功率损失表达式：PI2rr，所以降低功率损耗的两条途径为：减小输电线的电阻r；减小输电电流I，即提高输送电压U.如图1所示：图11输电线上的电压损失UUUIrr.2输电线上的功率损失(1)PI2r，其中I为输电线上的电流，r为输电线的电阻(2)PUI或P，其中U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，可减小电阻率，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.例1三峡水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欧，则输电线上损失的功率为多少？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？输电线上损失的功率又为多少？它与输出功率的比值是多少？答案(1)2500A(2)1.25108W(3)1000A2107W解析(1)由PUI得I2500A.(2)输电线上损失的功率PI22r25002210W1.25108W损失功率与输出功率之比为.(3)将电压升高至50万伏时，I1000A输电线上损失的功率PI22r10002210W2107W损失功率与输出功率之比为.例2(多选)发电厂发电机的输出电压为U1，发电厂至学校的输电线总电阻为R线，通过输电线的电流为I，学校输入电压为U2，下列计算输电线功率损耗的式子中，正确的是()A.B.CI2R线DI(U1U2)答案BCD解析输电线功率损耗P损I2R线IU线，其中U线U1U2，故B、C、D正确提示P损I2rUI.式中必须注意，U为输电线路上的电压损失，而不是输电电压二、远距离高压输电电路中的各种关系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？答案(1)第一个回路：P1U1I1第二个回路：U2UU3，P2PP3IRP3第三个回路：P4U4I4.(2)、P1P2；、P3P4.解决远距离输电问题时，需要画输电的电路图，理清三个回路，抓住两个联系，掌握一个定律1画图、理清三个回路(如图2所示)图2回路1：P1U1I1回路2：U2UU3，P2PP3IR线P3，I2I3回路3：P4U4I4.2抓住两个联系(1)理想升压变压器联系回路1和回路2，即，P1P2.(2)理想降压变压器联系回路2和回路3，即，P3P4.3掌握一个定律根据能量守恒定律得P2PP3.例3发电机两端的电压为220V，输出功率44kW，输电导线的总电阻为0.2，如果用原、副线圈匝数比为110的升压变压器升压，经输电线后，再用原、副线圈匝数比为101的降压变压器降压供给用户(1)画出全过程的线路示意图；(2)求用户得到的电压和功率；(3)若不经过变压而直接送给用户，求用户得到的电压和功率答案(1)见解析图(2)219.6V4.392104W(3)180V3.6104W解析(1)线路示意图如图所示(2)由图可知，升压变压器副线圈两端的输出电压U2U12 200 V据理想变压器P入P出，则升压变压器副线圈的输出电流I2 A20 A，输电线上的功率损失和电压损失分别为P损IR线2020.2 W80 W，U损I2R线200.2 V4 V.所以降压变压器原线圈的输入电压和电流分别为U3U2U损2 200 V4 V2 196 V，I3I220 A.降压变压器副线圈的输出电压和电流分别为U4U32 196 V219.6 V，I4I31020 A200 A.用户得到的功率为P4U4I4219.6200 W4.392104 W.(3)若直接给用户供电，线路示意图如图所示，则输电电流I A200 A.输电线路上的电压损失UIR线2000.2 V40 V.所以用户得到的电压U2U1U220 V40 V180 V.用户得到的功率为PU2I180200 W3.6104 W.针对训练(多选)(2018东江高级中学高二下学期月考)如图3所示，某小型发电站发电机输出的交流电压为500V，输出的电功率为50kW，用总电阻为3的输电线向远处送电，要求输电线上损失功率为输电功率的0.6%，则发电站要安装一升压变压器，到达用户再用降压变压器变为220V供用户使用(两个变压器均为理想变压器)对整个送电过程，下列说法正确的是()图3A输电线上的损失功率为300WB升压变压器的匝数比为1100C降压变压器的输入电压为4970VD降压变压器的匝数比为1001答案AC解析输电线上损失功率为P损P0.6%50 kW0.6%300 W，A项正确；输电线上的电流为I2 A10 A，升压变压器副线圈两端的电压为U2 V5103 V，由得，B项错误；输电线上损失的电压为U损I2R103 V30 V，降压变压器输入电压为U35 000 V30 V4 970 V，C项正确由得22.6，D项错误1(输电线上功率损失的计算)(2017南京市学情调研卷)“西电东送”是实现经济跨地区可持续快速发展的重要保证，它将西部丰富的能源转化为电能输送到电力供应紧张的沿海地区为了减少远距离输电线路中电阻损耗的能量，需要采用高压输电，在保持输送功率及输电线路电阻不变的情况下，将输送电压提高到原来的10倍，则输电线路中电阻损耗的能量将减少到原来的()A.B.C.D.答案B解析根据PUI可得I，则输电线路上损失的功率PI2R2R，输送电压提高到原来的10倍，则损失的功率变为原来的，B正确2(输电线上功率损失的计算)(2018江苏单科)采用220kV高压向远方的城市输电当输送功率一定时，为使输电线上损耗的功率减小为原来的，输电电压应变为()A55kVB110kVC440kVD880kV答案C解析输电功率PUI，U为输电电压，I为输电线路中的电流，输电线路损失的功率为P损I2R，R为输电线路的电阻，即P损2R，当输电功率一定时，输电线路损失的功率为原来的，则输电电压为原来的2倍，即为440 kV，故选项C正确3(远距离高压输电的分析与计算)(多选)如图4为远距离输电示意图，发电机的输出电压U1和输电线的总电阻r、理想变压器匝数均不变，且n1n2n4n3.当用户用电器的总功率增大时()图4AU1U2U4U3B用户的电压U4增加C输电线上的损失功率增大D输电线上损耗的功率占总输送功率的比例增大答案ACD解析根据，以及n1n2n4n3，知U1U2U4U3，故A正确用户用电器总功率增大时，输送功率变大，输电线上的电流增大，根据P损I2r知，输电线上损耗的功率增大，根据UIr知，输电线上的电压损失变大；发电机的输出电压U1不变，则升压变压器的输出电压U2不变，降压变压器的输入电压U3变小，用户的电压U4减小，故B错误，C正确.r，输送电压U2和线路电阻r不变，所以损耗功率占总功率比例增大，故D正确4(远距离输电损耗的计算)(2018孝感市高二期中)在远距离输电时，要考虑尽量减少输电线上的功率损失有一个小型发电站，发电机输出的电功率为P500kW，当使用U5kV的电压输电时，测得安装在输电线起点和终点处的两只电能表一昼夜示数相差4800kWh.(1)求输电线上的电流I、输电线的总电阻r和输电线上损失的电压U损(2)若想把损失功率控制为输送功率的1.6%，又不改变输电线，那么发电站应使用多高的电压向外输电？输电线上损失的电压是多少？答案(1)100A202000V(2)25kV400V解析(1)输电线上损失的功率P损 kW200 kW输电线上的电流I100 A由输电线上损失的功率P损I2r得输电线的总电阻r20 输电线上损失的电压U损Ir2 000 V.(2)由题意知损失功率P损P1.6%8 kW由P损I2r得输电线上的电流I20 A输送电压U25 kV输电线上损失的电压U损Ir400 V.5(远距离高压输电的分析与计算)一小型发电站通过升压、降压变压器把电能输给用户，已知发电机的输出功率为500kW，路端电压为500V，升压变压器原、副线圈的匝数比为15，两变压器间输电线的总电阻为1.5 ，降压变压器的输出电压为220 V，不计变压器能量损耗，求：(1)升压变压器副线圈两端的电压；(2)输电导线上的功率损失及用户得到的功率；(3)降压变压器原、副线圈的匝数比答案(1)2500V(2)60kW440kW(3)101解析输电线路原理图如图所示(1)升压变压器副线圈两端的电压U22500V.(2)输电导线上的电流I2200A输电导线上的功率损失P损Ir线60kW用户得到的功率P用P1P损440kW.(3)输电导线上的电压UI2r线300V降压变压器原线圈两端的电压U3U2U2200V降压变压器原、副线圈的匝数比为101.一、选择题考点一输电线上电压损失和功率损失1(多选)如图1为远距离高压输电的示意图，关于远距离输电，下列表述正确的是()图1A增加输电导线的横截面积有利于减少输电过程中的电能损失B高压输电是通过减小输电电流来减小电路的发热损耗C在输送电压一定时，输送的电功率越大，输电过程中的电能损失越小D高压输电必须综合考虑各种因素，不一定是电压越高越好答案ABD解析输电线损失的功率P损I2R线，减小I或R线均可减小输电线损失的功率；由I，电压一定，功率增大则电流增大，P损增大；输电过程不一定是电压越高越好，故A、B、D正确2(多选)陕西神木750kV输变电工程投入运行后，对同一输电线路，相比原来的250kV输电，下列说法正确的是()A输电线上的电流频率将变为原来的B输电线上的电流将变为原来的C输电线上损失的电功率将变为原来的D输电线上损失的电功率将变为原来的答案BD解析高压输电不改变交变电流的频率，A错误；根据I可知，输电线上的电流变为原来的，B正确；输电线上损失的电功率PI2r，变为原来的，C错误，D正确3(2018大连市高二下学期期末)某发电站采用高压输电向外输送电能，若输送的总功率为P0，输电电压为U，输电线的总电阻为R.则()A输电线上的电压为UB输电线上的电流IC输电线上损失的功率PD输电线上损失的功率P()2R答案D解析输送的总功率为P0，输电电压为U，输电线的总电阻为R，则输电线上的电流I，输电线上的电压URIR，A、B错误；输电线上损失的功率PI2R()2R，C错误，D正确4(多选)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若在正常供电时，高压线上输电电压为U，电流为I，热损耗功率为P；除冰时，输电线上的热损耗功率需要变为9P，则除冰时(认为输电功率和输电线电阻不变)()A输电电流为3IB输电电流为9IC输电电压为3UD输电电压为U答案AD解析高压线上的热损耗功率PI2R线，若热损耗功率变为9P，则9PI2R线，可得I3I，A正确；输送功率不变，即PUIUI，得UU，D正确5(多选)(2018聊城市高二下学期期末)如图2所示为远距离交流输电的简化电路图发电厂的输出电压是U，用等效总电阻是r的两条输电线输电，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，流入用户端的电流为I2.则()图2A用户端的电压为B理想变压器的输入功率为IrC输电线路上损失的电功率为I1UD当用户消耗的功率增大时，输电效率将下降答案AD解析根据变压器原理：U1I1U2I2，得U2，A正确；理想变压器的输入功率为U1I1UI1Ir；输电线路上损失的电功率为Ir，B、C错误；当用户消耗的功率增大时，因输电线上的电流增大，发电厂的输出功率P增大，因输电效率100%(1)100%，所以输电效率随着发电厂输出功率P的增大而减小，故当用户消耗的功率增大时，输电效率将下降，D正确考点二远距离高压输电线路的分析与计算6图3为远距离输电示意图，两变压器均为理想变压器，升压变压器T的原、副线圈匝数分别为n1、n2，在T的原线圈两端接入一电压uUmsint的交流电源，若输送电功率为P，输电线的总电阻为2r，不考虑其他因素的影响，则输电线上损失的电功率为()图3A.B.C.4r22D.4r22答案C解析原线圈两端电压的有效值U1，根据可得U2，又因为T是理想变压器，所以副线圈的输出功率等于原线圈的输入功率P，所以输电线上的电流I，输电线上损失的电功率为PI22r4r22，所以C正确，A、B、D错误7(多选)某小型水电站的电能输送示意图如图4所示，发电机通过升压变压器T1和降压变压器T2向用户供电已知输电线的总电阻为R，降压变压器T2的原、副线圈匝数之比为41，降压变压器副线圈两端交变电压u220sin (100t) V，降压变压器的副线圈与阻值R011的电阻组成闭合电路若将变压器视为理想变压器，则下列说法中正确的是()图4A通过R0的电流有效值是20AB降压变压器T2原、副线圈的电压比为41C升压变压器T1的输出电压等于降压变压器T2的输入电压D升压变压器T1的输出功率大于降压变压器T2的输入功率答案ABD解析降压变压器副线圈两端交变电压有效值为V220V，负载电阻为11，所以通过R0的电流的有效值是20A，故A正确；因为降压变压器T2的原、副线圈匝数之比为41，所以降压变压器T2原、副线圈的电压之比为41，故B正确；由于输电线有电阻，导致降压变压器T2的输入电压低于升压变压器T1的输出电压，故C错误；由于输电线上电阻消耗功率，所以升压变压器T1的输出功率大于降压变压器T2的输入功率，故D正确8(2018德州市高二下学期期末)如图5所示为远距离输电示意图，线路总电阻为r，发电厂输出电压不变，三个回路的电流依次为I1、I2、I3，两变压器均为理想变压器，左侧变压器输入电压为U1，输出电压为U2；右侧变压器输入电压为U3，输出电压为U4，以下选项错误的是()图5A若用户消耗的功率增大，I2随之增大B若用户消耗的功率增大，U4随之增大CU2U3I2rDU1I1IrU4I3答案B解析若用户消耗的功率增大，则I3会变大，则由变压器匝数比等于电流比的倒数可知，I2随之增大，输电线r上的电压变大，则U3减小，U4减小，选项A正确，B错误；由串联电路的特点可知：U2U3I2r，选项C正确；由能量关系可知：U1I1IrU3I2IrU4I3，选项D正确9(多选)图6甲为远距离输电示意图，变压器均为理想变压器升压变压器原、副线圈匝数比为1100，其输入电压如图乙所示，远距离输电线的总电阻为100.降压变压器右侧部分为一火警报警系统原理图，其中R1为一定值电阻，R2为热敏电阻，当温度升高时其阻值变小电压表V显示加在报警器上的电压(报警器未画出)未发生火情时，升压变压器的输入功率为750kW.下列说法中正确的是()图6A降压变压器副线圈输出的交变电流频率为50HzB未发生火情时，远距离输电线路损耗功率为180kWC当R2所在处发生火情时，电压表V的示数变大D当R2所在处发生火情时，输电线上的电流变大答案AD解析由题图乙知交变电流的周期为0.02s，所以频率为50Hz，变压器不改变交变电流的频率，A正确；由题图乙知升压变压器输入电压的有效值为250V，根据升压变压器变压规律知副线圈两端电压为25000V，所以输电线中的电流为I30A，输电线路损失的电压为UIR30100V3000V，输电线路损耗功率为PIU90kW，B错误；当R2所在处发生火情时其阻值减小，副线圈中电流增大，根据降压变压器变流规律知输电线上的电流变大，输电线上的分压增大，降压变压器两端的电压变小，根据降压变压器变压规律和串联分压，R1两端电压增大，故电压表V的示数变小，C错误，D正确10(多选)如图7所示为远距离输电示意图，其中T1、T2为理想变压器，输电线总电阻可等效为电阻r，灯L1、L2相同且阻值不变现保持变压器T1的输入电压不变，滑片P位置不变，当开关S断开时，灯L1正常发光则下列说法正确的是()图7A仅闭合开关S，灯L1会变亮B仅闭合开关S，r消耗的功率会变大C仅将滑片P下移，电流表的示数会变大D仅将滑片P下移，r消耗的功率会变小答案BC解析闭合S，则消耗功率增大，T2副线圈中电流增大，T2原线圈中电流也增大，则输电线r上损失的电压和功率增大，则T2输入电压UT2初UT1次Ir减小，灯泡L1两端电压UT2次减小，故灯泡L1会变暗，故A错误，B正确；仅将滑片P下移，T1副线圈匝数增大，则输出电压增大，T2的输入电压增大，灯泡两端电压也增大，T2副线圈中电流变大，则T2原线圈中电流变大，则输电线r消耗的功率会变大；变压器T1副线圈中电流变大，则原线圈中电流也变大，即电流表的示数会变大，故C正确，D错误二、非选择题11某发电站通过燃烧煤来发电发电站通过升压变压器、输电线和降压变压器把电能输送给生产和照明用户，发电机输出功率是120kW，输出电压是240V，升压变压器原、副线圈的匝数比为125，输电线的总电阻为10，用户需要的电压为220V则：(1)输电线上损失的电功率为多少？(2)降压变压器原、副线圈的匝数比为多少？答案(1)4000W(2)29011解析画出输电线路图如图所示(1)根据理想变压器的变压规律得输电电压U2U1240V6000V输电电流I2