高考物理选修知识点知识讲解 电能的输送及应用 提高

电能的输送及应用编稿：张金虎 审稿：李勇康 【学习目标】1知道电能输送的基本要求及电网供电的优点。2远距离输电过程负载发生变化时引起各个物理量变化的动态分析，尤其是能量传递和转化的动态分析。 3分析论证：为什么在电能的输送过程中要采用高压输电。4会计算电能输送的有关问题。5了解科学技术与社会的关系。【要点梳理】要点一、输电导线上的电功率损失 1损失电能的分析 任何输电线都有电阻，因此当电能通过输电线送向远方时，电阻发热而损失电功率。 设输电电流为，输电线电阻为，则输电线上的功率损失为。 设输送电功率为，输电电压为，输电线的总长度为，横截面积为，电阻率为，则输电电流，输电线电阻为。 输电线上的功率损失可表示为。 2输送电能的基本要求 （1）可靠：保证供电线路正常工作。 （2）保质：保证供电质量电压、频率要稳定。 （3，经济：线路建设和运行的费用低能耗少、电价低。 3减小输电线上功率损失的方法 （1）减小输电线的电阻 减小输电线长度：由于输电距离一定，所以在实际中不可能用减小来减小。 减小电阻率：目前一般用电阻率较小的铜或铝作导线材料。 增大导线的横截面积：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， 减小输送功率：由于电站的装机容量一定，因此电站向外输送的电功率是一定的，即在实际中不能以用户少用或不用电来减少输电线上的功率损失。 提高输电电压：在输送功率一定，输电线电阻一定的条件下，输电电压提高到原来的倍，输电线上的功率损失降为原来的倍。采用高压输电是减小输电线上功率损失最有效、最经济的措施。要点二、输电线上的电压损失1电压损失：输电导线有电阻，电流通过输电导线时，会在导线上产生电势降落，致使输电线路末端的电压比起始端电压低，差值称为输电线路上的电压损失。 2造成电压损失的因素 （1）输电线有电阻造成电压损失。 （2）输电线的感抗和容抗造成电压损失。要点诠释：高中阶段在计算中只考虑输电线电阻所造成的电压损失。 3减少输电线路上电压损失的方法 （1）减小输电线路电阻 用增大输电导线横截面积来减小电阻，对低压照明电路有效，在高压线路中，因容抗和感抗造成的电压损失比电阻造成的还要大，故这种方法对高压输电效果不佳。（2）减小输电电流 因为，在输送电功率一定的前提下，提高输电电压是有效措施。 高压输电既能减小功率损失，也能减小电压损失，但在实际输送电能时，还需综合考虑各种因素，依照不同的情况，选择合适的输电电压。要点三、远距离输电的基本电路 由于发电机本身的输出电压不可能很高，所以采用高压输电时，在发电站内还需用升压变压器将电压升高到几百千伏后再向远方送电，到达用电区再用降压变压器降到所需的电压，基本电路如图所示。 要点四、远距离高压输电问题的处理方法 1有关远距离输电问题，应首先画出远距离输电的电路图，并将已知量和待求量写在电路图的相应位置。 2以变压器为界将整个输电电路划分为几个独立的回路，每个回路都可以用欧姆定律、串并联电路的特点和电功、电功率的公式等进行计算，联系各回路的桥梁是原、副线圈电压、电流与匝数的关系及输入功率和输出功率的关系。 3高压输电的几个基本关系式 （1）功率关系 （2）电压、电流关系 （3）输电电流 （4）输电导线上损耗的电功率 要点五、电能输送中线路上电能损失的计算 由焦耳定律可知，由于输电线路的纯电阻性，或，但常用，因为较易求出且不易出错，而或则不常用，因为一般情况下，不易求出，并且要注意和不是同一个量，指输电线上的电压降，是指提供输电线上与用户的总电压，切记不可混淆。 根据和两式可推得，由上式可以看出，当输送电功率一定时，输电电压增大到原来的倍，输电导线上损失的功率就减少到原来的。 思考：用高压送电，电压是否越高越好 并不是电压越高越好，因为电压升高，导线会对空气放电，这就对导线的绝缘性能提出了更高的要求，另外高压送电对变压器也提出了更高的要求，因此输电电压也不是越高越好。在实际输电过程中输电电压要根据输送功率的大小、距离的远近、技术和经济各方面因素综合考虑。【典型例题】类型一、远距离输电的定性问题分析 例1如图为远距离输电线路的示意图： 若发电机的输出电压不变，则下列叙述中正确的是（ ） A升压变压器的原线圈中的电流与用户用电设备的功率无关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少时，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 【答案】C【解析】本题考查了远距离输电过程中各物理量间的关系。变压器输入功率、输入电流的大小是由次级负载消耗的功率大小决定的，选项A、B错误。用户的总电阻减小，根据，消耗的功率增大，输电线上电流增大，线路损失功率增大，C项正确；升压变压器的输入电压等于输电线路电阻上损失的电压加上降压变压器输入电压，D项错误。 【点评】解决这类问题要弄清高压输电的原理，弄清高压输电电路里各物理量之间的关系。类型二、输电过程的功率损失 例2在远距离输电时，如果升压变压器输出电压是，输出功率是，输电线电阻是，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。 【答案】（1） （2） 【解析】本题考查高压输电线路中电压损失和功率损失，关键是先利用输送功率损失，通过公式，求出输送电流。（1） 由，得。则输电线上损失的功率。损失的电压。 （2）用户得到的电压和功率分别为： ， 。 【点评】题目中输电线路电阻是定值，输送功率是定值，则利用，求出输送电流，进而利用求出，然后求其它量。举一反三:【高清课堂：电能的输送及应用 例2】【变式】用的高压输送的电功率，在输电线上损失的电功率，（1）则输电线的电阻是多少？（2）如果把输送电压降到原来的一半，则输送电线上损失的电功率占输送功率的几分之几？【答案】（1） （2）【解析】（1）在输电线上损失的电功率 用的高压输送的电流则输电线的电阻是（2）把输送电压降到原来的一半，则输送电线上的电流 这时在输电线上损失的电功率送电线上损失的电功率占输送功率的比例 例3（2015 深圳期中）电站通过升压器、输电线和降压器把电能输送给生产和照明组成的用户，若发电机发电功率为1.2105W，输出电压是240V，升压器原副线圈的匝数之比为1：25，输电线的总电阻为10，用户需要电压为220V。求：（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）290:11 【解析】（1）升压变压器的输入电流由，得输电线上损失的电功率。（2）升压变压器输出电压为U2，由，得输电线电压损失降压变压器输入电压为U3，有则【点评】提高输电电压，从而减小输电线上的电流，导致输电线损失的功率减小，用户得到的功率越多。举一反三:【高清课堂：电能的输送及应用 例4】【变式】某电站给用户输送电功率为，输电导线的总电阻为，输电线上损失的功率是，则输电线上的电压降为_，电源的端电压为_。【答案】类型三、远距离输电的应用 例4有一台内阻为的发电机，供给一个学校照明用电，如图所示，升压变压器的匝数比为，降压变压器的匝数比为，输电线的总电阻。全校共个班，每班有的灯盏，若保证全部电灯正常发光，则： （1）发电机输出功率多大？ （2）发电机的电动势多大？ （3）输出效率是多少？ （4）若使用灯数减半并正常发光，发电机输出功率是否减半？ 【答案】见解析【解析】该题全面考查变压器的原理（电流比、电压比）、电功率计算和闭合电路欧姆定律等内容。题中未加特别说明，变压器即视为理想变压器。由于发电机到升压变压器及降压变压器到学校距离较短，不必考虑该两部分输电导线上的功率损耗。发电机的电动势为，一部分降在电源内阻上，即，另一部分为发电机的路端电压；升压变压器副线圈电压的一部分降在输电线上，即，其余的就是降压变压器原线圈电压，而应为灯的额定电压，具体计算由用户向前递推即可。 （1）降压变压器输出的功率为： P4=22640 W=5280 W，且，所以。 对升压变压器，初级输入功率： 。 故发电机输出功率为。（2）因为，所以。而，所以。所以。 （3）。 （4）电灯减少一半时，。 。所以。发电机的输出功率减少一半还要多，因输电线上的电流减少一半，输电线上电功率的损失减少到原来的。【点评】解决多次变压输电时应先画输电电路草图，并在草图上标出各量，然后逐级计算。对理想变压器来说是常用方程。举一反三【变式1】(2015 广东七校三联）如图所示，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（ ）A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【答案】D【解析】发电机的输出电压随时间变化的关系，由图可知，故，故A错误；由图象可知交流的最大值为，因此其有效值为，故B错误；输电线的电流由输送的功率与电压决定的，与降压变压器原副线圈的匝数比无关，故C错误；当用户用电器的总电阻增大时，用户的功率减小，降压变压器的输出功率减小，则输入的功率减小，输入的电流减小，输电线上损失的功率减小，故D正确。故选：D举一反三:【高清课堂：电能的输送及应用 例5】【变式2】某发电站的输出功率为，输出电压为，通过理想变压器升压后向远处供电已知输电导线的电阻率为，导线横截面积为，输电线路损失的功率为输出功率的，求：（1）升压变压器的输出电压，（2）输电线路上的电压损失。【答案】（1） （2）【解析】（1）设线路电阻为，线路损失功率为，线路损失的电压为，发电站的输出功率为，升压变压器的输出电压为由电阻定律，得线路损失功率为，则输电导线的电流为由得升压变压器的输出电压（2）输电线路上的电压损失 例5为了减少火电站中煤的燃烧对大气的污染，要大力发展水电站。三峡水利工程中某一水力发电站的发电机组设计为：水以的速度流入水轮机后以的速度流出，流出水位比流入水位低，水流量，水轮机效率为，发电机效率为，试问： （1）发电机组的输出电功率是多少？ （2）如果发电机输出的电压为，用户需电压，输电线路中能量损失为，输电电阻为，那么所需升、降压变压器的原、副线圈的匝数比分别是什么？【答案】见解析 【解析】此题综合考查发电、输电过程中的功率、电压、电流的计算，解题关键是要抓住能量守恒这一线索。 （1）水轮机获得的机械能 则发电机输出电能，发电机的输出功率。（2）发电机的输出电流，输