高中物理第4章远距离输电第3节电能的远距离传输教学案鲁科版选修3_2.doc

第3节 电能的远距离传输1.电能在远距离传输过程中有电功率和电压损失，减小电阻不经济，减小电流最合算。2在输送电功率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，据P2R知，输电线上的电功率损失将降为原来的。3在电能远距离传输中，可将回路划分为几个独立的回路，每个回路均可以应用闭合电路欧姆定律和串、并联电路的规律，而变压器的电压、电流、功率关系是联系不同回路的桥梁。 一、为什么要采用高压输电 1两种损失比较两种损失主要原因大小表示减小办法电功率损失输电线有电阻电流产生焦耳热PI2R减小R减小I电压损失输电线电阻的电压降UIR2降低两种损失的途径高压输电在保证输送电功率不变的前提下提高输电电压，会减小输电电流，从而减小导线上的电功率损失和电压损失。二、高压交流输电1基本环节2电路原理图图 431三、高压直流输电1组成部分高压直流输电系统主要由整流站、直流线路和逆变站三部分构成。实际上直流输电系统只在输电这个环节是直流，发电环节和用电环节仍是交流，输电过程中只用两根导线。2优越性(1)节省材料，输电结构简单，占地面积小。(2)不存在感抗和容抗引起的损耗。(3)不需要考虑电网中的各发电机的同步运行问题。1自主思考判一判(1)为了减少能量损失，要高压输电，而且越高越好。()(2)输送功率一定时，提高输送电压，可以减少功率损失。()(3)电压损失UIR线和电功率损失PI2R线中I可以通过I 求得。()(4)负载越多，即用电高峰期，U、P也越大。()(5)高压直流输电与高压交流输电的区别在于输送环节。()2合作探究议一议(1)电能的输送要达到什么要求？输送电压是不是越高越好？提示：输送电能要达到三个方面的要求：a可靠：保证供电线路正常工作，少有故障。b保质：保证电能质量，即电压、频率稳定。c经济：线路架设和运行费用低，能耗少，电价低。电压升高，导线会对空气放电，对导线的绝缘性能提出更高的要求，另外，高压输电对变压器也提出了更高的要求，因此，输电电压并不是越高越好。(2)在电能的输送过程中，U为输电电压，r为输电线电阻，则输电线中电流为I，对不对？为什么？提示：不对。U为输电电压，而不是加在输电导线上的电压，即UIr，而输电电流可通过PUI求得。(3)“提高输电电压，减小输电电流”是否与欧姆定律相矛盾？提示：不矛盾。欧姆定律I是对纯电阻元件成立的定律，而“提高输电电压，减小输电电流”是从输电角度，由PUI，且在P一定的条件下得出的结论，两者没有必然联系。 输电线路上的电压损失和功率损失1若输电线的电阻为R线，输电电流为I，输电线始端和末端的电压分别为U和U，则：(1)电压损失UUUIR线；(2)功率损失PI2R线IU。2若输电功率P不变，输电电压提高到nU，可使输电电流减小到，则：(1)电压损失减小到；(2)功率损失减小到。特别提醒(1)输电电压是指加在输电线起始端的电压，电压损失是指输电线上的电压降。(2)输送功率是指加在输电线起始端的功率，功率损失是输电线上消耗的功率。(3)减小输电线上的功率损失和电压损失的有效途径是：提高输电电压，以减小输电电流。1(多选)在远距离输电时，输送的电功率为P，输送电压为U，所用导线电阻率为，横截面积为S，总长度为L，输电线损失的电功率为P，用户得到的电功率为P用，则P、P和P用的关系式正确的是()APBPCP用P DP用P解析：选BD输电线电阻R，输电线中电流I，故输电线上损失的电功率为PI2R2，用户得到的电功率为P用PPP。2在远距离输电时，如果升压变压器输出电压是2 000 V，输出功率是10 kW，输电线电阻是20 ，求：(1)输电线上损失的功率和损失的电压；(2)用户能得到的功率和电压。解析：(1)由P出I线U出，得I线 A5 A。则输电线上损失的功率P损I线2r5220 W500 W。损失的电压U损I线r520 V100 V。(2)降压变压器得到的电压和功率分别为：U用U出U损(2 000100) V1 900 V，P用P出P损(10103500) W9 500 W。答案：(1)P损500 WU损100 V(2)P用9 500 WU用1 900 V远距离输电的电路分析1远距离输电问题的分析方法处理远距离输电问题的关键是抓住一图三线，一图即输电的电路图，三线即三个关系：功率关系、电压关系和电流关系，抓住一图三线，按照从前到后或从后向前的顺序，即可找到突破口。2远距离输电电路图图4323基本关系式(1)功率关系P1P2，P3P4，P2PP3。(2)电压、电流关系，U2UU3，I2I3I线。(3)输电电流：I线。(4)输电线上损耗的电功率：PI线UI线2R线2R线。典例发电机的输出电压为220 V，输出功率为44 kW，每条输电线的电阻为0.2 ，求：(1)此时用户得到的电压和电功率各为多少？(2)如果发电站先用变压比为110的升压变压器将电压升高，经同样的输电线路后经101的降压变压器将电压降低后供给用户，则用户得到的电压和电功率各是多少？思路点拨 解析(1)输电线上的电流IR A200 A损失的电压URIRR20.2200 V80 V损失的功率PRURIR80200 W16 kW故用户得到的电压U用户UUR140 V用户得到的功率为P用户PPR28 kW。(2)已知升压变压器的匝数比n1n2110输入电压U1220 V因此，升压变压器的输出电压U2U12 200 V输电线上的电流IR A20 A损失的电压URIRR20.220 V8 V损失的功率PRURIR820 W160 W因此，降压变压器的输入电压U3U2UR2 192 V已知降压变压器的匝数比n3n4101所以用户得到的电压U4U3219.2 V用户得到的功率P用户PPR43.84 kW。答案(1)140 V28 kW(2)219.2 V43.84 kW(1)用户和线路总共消耗多少功率，发电站就输送多少功率，这是能量守恒定律和变压器原理的体现。(2)抓住输电的两头电源和用电器；分析一条线输电线；研究两次变压升压变压器和降压变压器。(3)注意输送电压(功率)、电压(功率)损失、用户电压(功率)三者之间的区别和数量关系。 1远距离输电线路的示意图如图433所示，若发电机的输出电压不变，则下列叙述中正确的是()图433A升压变压器的原线圈中的电流与用户用电设备消耗的功率无关B输电线中的电流只由升压变压器原、副线圈的匝数比决定C当用户用电器的总电阻减小时，输电线上损失的功率增大D升压变压器的输出电压等于降压变压器的输入电压解析：选C变压器的输入功率、输入电流的大小是由用户消耗的功率大小决定的，选项A、B错误。用户用电器总电阻减小，根据P，消耗功率增大，输电线中电流增大，线路损失功率增大，C项正确。升压变压器的输出电压等于输电线路电阻上的损失电压加上降压变压器的输入电压，D项错误。2如图434所示，某小型水电站发电机的输出功率为10 kW，输出电压为400 V，为了减小向用户供电过程中产生的电能损失，使用2 kV高压输电，最后用户得到220 V电压，9.5 kW的电功率。求：图434(1)升压变压器原、副线圈的匝数比。(2)输电线路的总电阻R。(3)末端降压变压器原、副线圈的匝数比。解析：(1)升压变压器原、副线圈的匝数比。(2)由PI22R，I2，得R，式中U22 000 V，P10103 W，PPP用10103 W9.5103 W0.5103 W。解得R20 。(3)因为U3U2UU2I2R，式中U22 000 V，I2 A5 A，R20 ，可得U31 900 V，所以。答案：(1)(2)20 (3)1关于减小远距离输电线上的功率损失，下列说法正确的是()A由P 知，应降低输电电压，增大导线电阻B由PIU知，应降低输电电压，减小输电电流C由PI2R知，应减小导线电阻或减小输电电流D上述说法均不对解析：选C输电时导线上损失的电压UIR，它不同于输电电压，用公式P或PIU计算功率损失时，U应为导线上损失的电压，故A、B错误；导线上功率的损失为发热损失，即PI2R，故C正确。2下列关于远距离高压直流输电的说法中，正确的是()直流输电系统只在输电环节是直流，而发电环节和用电环节是交流直流输电系统只在发电环节和用电环节是直流，而输电环节是交流整流器将交流变直流，逆变器将直流变交流逆变器将交流变直流，整流器将直流变交流ABC D解析：选A直流输电系统由整流站、直流线路和逆变站3部分组成，在整流站通过整流器将交流电变为直流电，在逆变站利用逆变器将直流电变为交流电，因此说法正确，应选A。3(多选)远距离输送一定功率的交变电流，若输电电压升高为原来的n倍，关于输电线上的电压损失和功率损失，下列说法正确的是(不考虑感抗和容抗产生的损失)()A功率损失是原来的B功率损失是原来的C电压损失是原来的D电压损失是原来的n倍解析：选BC设输电电压为U，所输送的功率为P，输电线路总电阻为R，则输电电流I，线路的功率损失PI2R，可知P，当输电电压升高为原来的n倍时，功率损失变为原来的，故选项B正确；线路上的电压损失UIR，可知U，当输电电压升高为原来的n倍时，电压损失变为原来的，故选项C正确。4超导是当今高科技研究的热点，利用超导材料可实现无损耗输电，现有一直流电路，输电总电阻为0.4 ，它提供给用电器的电功率为40 kW，电压为800 V。若用临界温度以下的超导电缆代替原来的输电线，保持供给电器的功率和电压不变，那么节约的电功率为()A1 Kw B1.6103 kWC1.6 kW D10 kW解析：选A节约的电功率即为普通电路输电时损耗的电功率，I A50 A。P线I2R5020.4 W1 000 W，故节约的电功率为1 kW，A正确。5(多选)如图1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1A用户端的电压为B输电线上的电压降为UU1C理想变压器的输入功率为I12rD输电线路上损失的电功率为I1U解析：选AB理想变压器输入和输出功率相同，设用户端得到的电压为U2，则有I1U1U2I2，U2，选项A正确；输电线上的电压降为UI1r，或者UUU1，选项B正确；理想变压器的输入功率为PI1U1，选项C错误；输电线路上损失的电功率为PI12r，选项D错误。6为清除高压输电线上的结冰，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输电电流变为3IB输电电流变为9IC输电电压变为8UD升压变压器原、副线圈匝数比变为13解析：选A根据PI2R，要使输电线上的热损耗功率变为9P，输电电流变为3I，A对，B错；根据PUI，输送功率不变，则输电电压应为原来的，C错；根据，U1不变的情况下，原、副线圈匝数比应变为原来的三倍，D错。7(多选)山区小型水力发电站的发电机有稳定的输出电压，它发出的电先通过电站附近的升压变压器升压，然后通过输电线路把电能输送到远处村寨附近的降压变压器，经降低电压后再输送至各用户。设变压器都是理想的，那么在用电高峰期，随用电器总功率的增加将导致()A升压变压器初级线圈中的电流变小B升压变压器次级线圈两端的电压变小C高压输电线路的电压损失变大D降压变压器次级线圈两端的电压变小解析：选CD如图所示是远距离输电的示意图。发电机输出的电压U不变。当负载的功率增加时，由能量守恒知发电机的输出功率要增加，再由PUI知升压变压器初级线圈中的电流变大，故A错误。因为变压器的线圈匝数比确定，则U1不变，即升压变压器次级线圈两端的电压不变，故B错误。升压变压器次级线圈的输出功率P1PU1I1要增加，而U1不变，则I1也要增加，那么输电线上损失的电压将增加，故C正确。再由U1I1RU2知降压变压器的初级线圈两端的电压U2将减小，则降压变压器次级线圈两端的电压U3减小，故D正确。8某水电站，用总电阻为2.5 的输电线输电给500 km外的用户，其输出电功率是3106 kW。现用500 kV电压输电，则下列说法正确的是()A输电线上输送的电流大小为2.0105 AB输电线上电阻造成的电压损失为15 kVC若改用5 kV 电压输电，则输电线上损失的功率为9108 kWD输电线上损失的功率为P，U为输电电压，r为输电线的电阻解析：选B当U500 kV 时，I A6103 A，而U损IR15 kV，A错误，B正确；输电线上损失的功率不可能比输出功率还大，C错误；P中，U为输电线电阻上的电压，而不是输电电压，D错误。9如图2所示，甲是远距离输电线路的示意图，乙是发电机输出电压随时间变化的图像，则()图2A用户用电器上交流电的频率是100 HzB发电机输出交流电的电压有效值是500 VC输电线的电流只由降压变压器原副线圈的匝数比决定D当用户用电器的总电阻增大时，输电线上损失的功率减小解析：选D根据交流电的变化规律、变压器的工作原理和远距离输电知识解题。由ut图像可知，交流电的周期T0.02 s，故频率f50 Hz，选项A错误；交流电的最大值Um500 V，故有效值U250 V，选项B错误；输电线上的电流由降压变压器副线圈上的电阻和降压变压器原副线圈的匝数比决定，选项C错误；当用户用电器的总电阻增大时，副线圈上的电流减小，根据，原线圈(输电线)上的电流减小，根据PI12R，得输电线损失的功率减小，选项D正确。10(多选)某小型水电站的电能输送示意图如图3所示，发电机的输出电压为200 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()图3A.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解析：选AD由于输电线上有功率损耗，故升压变压器的输出功率大于降压变压器的输入功率，故D正确。，因为U1200 VU3U2U线，故，A正确。11把功率为220 kW的电能用铝导线(铝的电阻率2.7108 m)输送到10 km外的地方，要使功率损失不超过输送功率的10%。(1)如果采用220 V的电压输电，导线的横截面积至少要多大？采用这样的导线切合实际吗？(2)若采用110 kV的电压输电，导线的横截面积是多大？(3)对于同种输电导线，若分别采用110 kV和220 V输电，损失的功率之比是多少？解析：(1)如果采用220 V的电压输电，则通过导线的电流I A103 A。由于功率损失P10%P022 kW22103 W，且PI2R，因此导线的电阻R 0.022 。根据R可得，导线的横截面积S m22.46102 m2。所以，导线横截面的半径r8.85 cm。由上述计算可知，采用这样粗的导线是不切实际的。(2)若采用110 kV的电压输电，则通过导线的电流I A2 A。同理，可计算出导线横截面的半径r0.02 cm。(3)对于同种输电导线，若分别采用110 kV和220 V输电，损失的功率之比为2。答案：见解析12三峡水利枢纽工程是长江流域治理开发的关键工程，枢纽控制流域面积为1.0106 km2，占长江流域面积的56%，坝址处年平均流量为Q4.511011 m3。水利枢纽的主要任务包括防洪、发电、航运三方面。在发电方面，三峡电站安装水轮发电机组26台，总装机容量(指26台发电机组同时工作时的总发电功率)为P1.82107 kW，年平均发电量约为W8.401010 kWh，该工程于2009年全部竣工，电站主要向华中、华东电网供电，以缓解这两个地区的供电紧张状况。阅读上述材料，回答下列问题(水的密度1.0103 kg/m3，g取10 m/s2)：(1)若三峡电站上、下游水位差按h100 m计算，试推导三峡电站将水流势能转化为电能的效率的公式，并计算出效率的数值。(2)若26台发电机组全部建成并发电，要达到年发电量的要求，每台发电机组平均年发电时间t为多少天？(3)将该电站的电能输送到华中地区，输送电功率为P4.5106 kW，采用超高压输电，输电电压U500 kV，而发电机输出的电压约为U018 kV，要使输电线上损失的功率等于输送电功率的5%，求发电站的升压变压器的原、副线圈的匝数比和输电线路的总电阻。解析：(1)一年减少的水的重力势能Epmgh，且一年流出的水的质量mQ所以100%67.1%。(2)由WPt，得t192.3 (天)。(3)由于，所以由于I A 9 000 A，PI2R5%P2.25105 kW所以R2.78 (R为输电线路的总电阻)。答案：(1)67.1%(2)192.3天(3)2.78 变压器与远距离输电的综合应用1如图1所示，原、副线圈的匝数均可调节，原线圈两端接一正弦交变电流，为了使变压器输入功率增大，可以采取的措施有()图1A只增加原线圈的匝数n1B只减少副线圈的匝数n2C只减少负载电阻R的阻值D只增大负载电阻R的阻值解析：选C由知，当n1增大时，U2减小，当减小n2时，U2也减小，又根据P入P出知，A、B、D均错误，C正确。2如图2所示，图甲中两导轨不平行，而图乙中两导轨平行，其余条件都相同，金属棒MN都在导轨上向右匀速平动(速度较大)，在金属棒平动的过程中，将观察到(导轨及导体棒电阻不计)()图2AL1和L2都发光，只是亮度不同BL1和L2都不发光CL2发光，L1不发光DL1发光，L2不发光解析：选D金属棒MN向右匀速平动时切割磁感线，在闭合回路中产生感应电流，但题图甲中金属棒接入电路中的长度逐渐增加，题图乙中不变，因此，在题图甲铁芯中产生变化的磁通量，副线圈中产生感应电流，L1发光；题图乙铁芯中产生恒定不变的磁通量，副线圈中无感应电流，L2不发光，故正确选项为D。3(多选)如图3所示，将额定电压为60 V的用电器，通过一理想变压器接在正弦交变电源上。闭合开关S后，用电器正常工作，交流电压表和交流电流表(均为理想电表)示数分别为220 V和2.2 A。以下判断正确的是()图3A变压器输入功率为484 WB通过原线圈的电流的有效值为0.6 AC通过副线圈的电流的最大值为2.2 AD变压器原、副线圈匝数比n1n2113解析：选BD用电器的正常工作电压为60 V，电流为2.2 A，所以额定功率P额U2I2132 W，即变压器的输出功率P出P额132 W，理想变压器的输入功率P入P出，即U1I1U2I2，所以I1 A0.6 A，A错误，B正确。通过副线圈的电流的最大值I2mI22.2A，C错误。变压器原、副线圈匝数比，D正确。4(多选)一理想变压器原、副线圈的匝数比为101，原线圈输入电压的变化规律如图4甲所示，副线圈所接电路如图乙所示，P为滑动变阻器的触头。下列说法正确的是()图4A副线圈输出电压的频率为50 HzB副线圈输出电压的有效值为31 VCP向右移动时，原、副线圈的电流比减小DP向右移动时，变压器的输出功率增大解析：选AD由原线圈输入电压的变化规律可知，输入交变电压的周期为0.02 s，频率为50 Hz，所以副线圈输出电压的频率也为50 Hz，选项A正确；原线圈输入正弦式交变电压的最大值为310 V，则有效值为220 V，根据变压器的电压关系知，副线圈输出电压的有效值为22 V，选项B错误；由变压器的电流关系知，原、副线圈的电流比只与匝数比有关，选项C错误；滑动变阻器的滑动触头向右移动时，电路的电阻减小，副线圈中的电流增大，又电压不变，则输出功率增大，选项D正确。5如图所示，A、B、C、D是4种亮度可调的台灯的电路示意图，它们所用的白炽灯泡相同，且都是“220 V40 W”，当灯泡所消耗的功率都调到20 W时，哪种台灯消耗的功率最小()解析：选C利用变阻器调节到20 W时，除电灯消耗电能外，变阻器由于热效应也要消耗一部分电能，使台灯消耗的功率大于20 W，利用理想变压器调节时，变压器的输入功率等于输出功率，本身不消耗电能，所以C中台灯消耗的功率最小。6通过一理想变压器，经同一线路输送相同的电功率P，原线圈的电压U保持不变，输电线路的总电阻为R。当副线圈与原线圈的匝数比为k时，线路损耗的电功率为P1，若将副线圈与原线圈的匝数比提高到nk，线路损耗的电功率为P2，则P1和分别为()A.，B.2R，C.， D.2R，解析：选D当副线圈与原线圈的匝数比为k时，副线圈输出电压为kU，输出电流I，线路损耗的电功率为P1I2R2R。若将副线圈与原线圈的匝数比提高到nk，副线圈输出电压为nkU，输出电流I，线路损耗的电功率为P2I2R2R。，选项D正确，A、B、C错误。7利用如图5所示的电流互感器可以测量被测电路中的大电流，若互感器原、副线圈的匝数比n1n21100，交流电流表 A的示数是50 mA，则()图5A被测电路的电流有效值为0.5 AB被测电路的电流平均值为0.5 AC被测电路的电流最大值为5 AD原、副线圈中的电流同时达到最大值解析：选C根据理想变压器的工作原理得，被测电路电流的有效值I1I25 A。所以最大值Im5 A，故A错误，C正确。正弦交流电的平均值与有效值的概念是完全不同的，故B错误。根据电磁感应规律，原线圈电流最大时，磁通量的变化率最小，副线圈中的感应电流最小，故D错误。8(多选)如图6所示，一理想变压器原、副线圈的匝数分别为n1、n2。原线圈通过一理想电流表接正弦交流电源，一个二极管和阻值为R的负载电阻串联后接到副线圈的两端。假设该二极管的正向电阻为零，反向电阻为无穷大。用交流电压表测得a、b端和c、d端的电压分别为Uab和Ucd，则()图6AUabUcdn1n2B增大负载电阻的阻值R，电流表的读数变小C负载电阻的阻值越小，cd间的电压Ucd越大D将二极管短路，电流表的读数加倍解析：选BD变压器初级电压为Uab，则次级电压U2Uab，由于二极管的单向导电性，使得cd端只在一半的时间内有电流，即Ucd，故，A错误。增大负载电阻的阻值R，副线圈中的电流减小，则原线圈中的电流也减小，即电流表的读数变小，B正确。c、d间的电压由原线圈中的电压和变压器的匝数比决定，与电阻R无关，C错误。将二极管短路，副线圈中的电流加倍，则原线圈中的电流也加倍，D正确。9(多选)在如图7所示的远距离输电电路图中，升压变压器和降压变压器均为理想变压器，发电厂的输出电压和输电线的电阻均不变，随着发电厂输出功率的增大，下列说法中正确的有()图7A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解析：选CD设升压变压器的原、副线圈匝数比为N1，降压变压器的原、副线圈匝数比为N2，发电厂输出电压为U1，输出功率为P1，则升压变压器的输出电压为，输电线中的电流为，输电线损耗的功率为，降压变压器输出电压为，输电线上损耗的功率占总功率的比例为，选项C、D正确。10某交流电路中，有一个正在工作的理想变压器，如图8所示。它的原线圈匝数n1600，交流电源的电动势e311sin(100t)V(不考虑其内阻)，交流电压表和交流电流表对电路的影响可忽略不计，原线圈串联一个额定电流为0.2 A的保险丝，副线圈匝数n2120，为保证保险丝不被烧断，则()图8A负载功率不能超过62 WB副线圈电流最大值不能超过1 AC副线圈电路中的电阻R不能小于44 D副线圈电路中交流电压表的读数为62 V解析：选C解答本题的疑难在于正确理解“保险丝熔断电流指的是有效值”这一知识要点。由e311sin(100t)V可知，原线圈两端电压U1220 V，输入功率P入U1I1，又I10.2 A，所以最大输入功率为44