教科版高中物理选修(3-2)第2章第7节《电能的输送》学案

1、最新教科版高中物理选修（3-2 ）第 2 章 第 7 节电能的输送学案 目标定位 1.理解输电线上电能的损失与哪些因素有关.2. 理解减小电能损失的两个途径以及高压输电的原理.3. 知道远距离输电的典型电路, 并能利用变压器和电路的规律解决实际问题一、电能输送中的电压损失和电能损耗 问题设计 如图 1 所示 , 假定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 ,输送功率为P, 发电厂输出的电压为U. 那么：图 1(1) 远距离大功率输电面临的困难是什么？(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？降低输电损耗的两个途径是什么？(3) 为什么

2、远距离输电必须用高压呢？答案(1) 在输电线上有功率损失(2) 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耗表达式：P 损 I 2 r . 所以降低输电损耗的两个途径为：减小输电线的电阻r ；减小输电电流I .(3) 因为发电厂的输出功率P 是一定的 , 由 P UI 知 , 要减小输电电流I , 必须提高输出电压U. 要点提炼 输电线上的电压损失和功率损耗( 设输电线上电阻为r , 电流为 I )1电压损失输电线始端电压U与输电线末端电压U的差值 U损 U U Ir .1 / 132功率损耗(1) 远距离输电时, 输电

3、线有电阻, 电流的热效应引起功率损耗, 损耗的功率P 损 I 2 r .2U损(2) 若输电线上损失的电压为U损 , 则功率损耗还可以表示为P 损 r , P损 U损 I .3减小电压损失和功率损耗的方法(1) 减小输电线的电阻l由 R S可知 , 距离 l 一定时 , 使用电阻率小的材料, 增大导体横截面积可减小电阻(2) 减小输电电流 I由 P UI 可知 , 当输送功率一定时, 升高电压可以减小电流二、远距离输电电路中的各种关系 问题设计 某发电站向远处送电的示意图如图2 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图 2(1) 结合闭合电路的知识, 分别分析三个

4、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) 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：P1 U1 I 12第二个回路：U2 U损 U3, P2 P损 P3 I 线 R P3第三个回路： P UI444UnInUnIn134(2) 若两个变压器为理想变压器11、233, 则有： 、 P1 P2；n、In、 P3 P4.UnI2nU4432214 要点提炼 远距离输电问题的分析1远距离输电基本原理在发电站内用升压变压器升压, 然后进行远距离输电, 在用电区通过降压变压器降到所需的电2 / 13压2解决远距离输电问题

5、时, 应首先画出输电的电路图, 参考图2, 并将已知量和待求量写在电路图的相应位置3分析三个回路, 在每个回路中, 变压器的原线圈是回路的负载, 而相应的副线圈是下一个回路的电源4综合运用下面三方面的知识求解(1) 能量守恒：P U1I 1 U2I 2 P 用户 P 损2P 损 I 2 RP 用户 U3I 3 U4I 4 .(2) 电路知识： U2 U 损 U3U损 I 2 R.U1I 2n1(3) 变压器知识： U2 I 1 n2U3 I 4 n3.U4I 3n42其中 P 损 I 2R, U 损 I 2R 往往是解题的切入点一、输电线上功率损耗的计算例 1 超导材料电阻降为零的温度称为临界

6、温度.1987年我国科学家制成了临界温度为90 K 的高温超导材料 , 利用超导材料零电阻的性质,可实现无损耗输电现有一直流电路, 输电线的总电阻为 0.4 , 它提供给用电器的电功率为40 kW, 电压为 800 V 如果用临界温度以下的超导电缆替代原来的输电线 ,保持供给用电器的功率和电压不变, 那么节约的电功率为 ()A 1 kW B 1.6 103kWC 1.6 kW D 10 kW解析输电线中电流IP2线P2R线 , 输电线上损失功率2 1 kW.UPI RU答案A例 2三峡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？3 / 1

7、3(2) 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？它占输出功率的比例是多少？(3) 若将电压升高至 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？它占输出功率的比例是多少？P 510 8 W解析(1) 由 P UI, 得 I U210 5 V 2 500 A(2) 输电线上损失的功率P 损 I 22r 2 5002 210 W1.25 10 8 WP损1.25 10 81损失功率与输出功率之比为P 510 8 4P 5108 W(3) 将电压升高至 50 万伏时 , I U 510 5 V 1 000 A输电线上损失的功率P 损 I 22r

8、 1 0002210 W210 7 WP损 210 71损失功率与输出功率之比为P 510 8 25答案(1)2 500 A(2)1.25 10 8 W14(3)1 000 A2107 W125二、远距离输电问题例 3 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1 、2 . 降压变压器原、副线圈匝数分别为3、 4( 变压nnn n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 3n2 n3A.n1 n4n2 n3B. n1n4C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

9、压器的输出功率大于降压变压器的输入功率解析由于输电线上的功率损耗, 故升压变压器的输出功率大于降压变压器的输入功率, 故选项D 正确 .U2n2U3n31 200 V 3 2Un2n3, 因为线 , 故 , 选项 A 正确U1n1U4n4UUU U Un1n4答案AD4 / 13例 4发电机的输出电压为220 V, 输出功率为44 kW, 输电导线的电阻为0.2 , 如果用原、副线圈匝数之比为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, 则：(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将电输送

10、到用户 , 求用户得到的电压和功率解析 (1) 示意图如图所示(2) 升压变压器的输出电压n210U n1U 1 220 V 2 200 V21根据升压变压器输出功率等于输入功率知, 升压变压器输出电流为IP4410 3A 20 A2 2 2002U输电线路上的电压损失和功率损耗分别为R2200.2 V 4 VUIR2R 2020.2 W 80 WP IR2降压变压器上的输入电流和输入电压分别为I 3 I 2 20 AU U U 2 200 V 4 V 2 196 V32R降压变压器上的输出电压和输出电流分别为4n31U4U2 196 V 219.6 V10n34n3I 3I 1020 A 2

11、00 An4用户得到的功率为444200219.6 W4.392 104WPIU(3) 若不采用高压输电 , 用 220 V低压直接供电时 , 电路如图所示P 4410 3则输电电流I A 200 A, 输电线路上的电压损失U IR2000.2 V 40 VU220R15 / 13所以用户得到的电压为4 1 R 220 V 40 V 180 VUUU用户得到的功率为P IU4 200180 W3.6 10 W44答案(1)见解析图(2)219.6 V4.392 10 4 W(3)180 V3.6 10 4 W1 ( 输电线上功率损失的计算) 已投产运行的1 000 kV特高压输电是目前世界上电

12、压最高的输电工程假设甲、乙两地原来用500 kV 的超高压输电, 输电线上损耗的电功率为P. 在保持输送电功率和输电线电阻都不变的条件下, 现改用1 000 kV特高压输电 , 若不考虑其他因素的影响,则输电线上损耗的电功率将变为()PPA. 4 B. 2 C 2P D 4P答案A解析在超高压输电中 , 设输送电功率为, 输电电压为, 输电线电阻为, 则输电线上损耗的P 2PUR电功率为 PR, 当输电电压升为原来的1U2 倍时 , 输电线损耗的电功率变为原来的4, 故选 A.2 ( 输电线上电压损失问题) 照明供电线路的路端电压基本上是保持不变的可是我们在晚上七、八点钟用电高峰时开灯, 电灯

13、比深夜时要显得暗些这是因为用电高峰时()A总电阻比深夜时大, 供电线路上的电流小, 每盏灯两端的电压较低B总电阻比深夜时大, 供电线路上的电流小, 通过每盏灯的电流较小C总电阻比深夜时小, 供电线路上的电流大, 输电线上损失的电压较大D供电线路上电流恒定, 但开的灯比深夜时多, 通过每盏灯的电流小6 / 13答案C解析照明供电线路的用电器是并联的, 晚上七、八点钟用电高峰时, 用电器越多, 总电阻越小,供电线路上的电流越大, 供电线上损失的电压较大, 用户得到的电压较小, 故选 C.3 ( 远距离输电问题) 某小型水电站发电机输出的电功率为100 kW, 输出电压为250 V, 现准备向远处输

14、电所用输电线的总电阻为8 , 要求输电时在输电线上损失的电功率不超过输送电功率的 5%.用户获得220 V 电压 , 求应选用匝数比分别为多大的升压变压器和降压变压器？答案11619011解析依题意作出输电示意图如图所示, 升压变压器原线圈的电流为P10010 3I 1 U1250A 400 A 当输电线上损失的电功率为输送电功率的5%时 , 输电线中的电流为I2 5%P., 则 I R线225%0.05 10010 3所以 I 2 PA 25 AR8线升压变压器1 的匝数比为 n1 I 2251.Tn2I 140016n2U1 4 000 V.U2n1则 U3 U2 R线 I 2 4 000

15、 V 825 V 3 800 V.所以降压变压器T2 的匝数比为333 800190n U220.n4U411题组一减小输电损耗的途径1中央电视台焦点访谈多次报道某些边远落后农村电价过高, 农民负担过重, 其客观原因是电网陈旧老化近来, 农村进行电网改造, 为减少远距离输电的损耗而降低电费价格可采取的措施有 ()A提高输送功率B 增大输送电流C提高输电电压D 减小输电导线的横截面积答案C7 / 13解析电费高低与线路损耗有关, 损耗越大 , 电费越高 , 减少损耗的途径：一、减小输电导线中的电流 , 即可提高输电电压；二、减小输电线的电阻, 即增大导线的横截面积, 故 C 正确2如图 1 所示

16、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耗B高压输电是通过减小输电电流来减少电路的发热损耗的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耗越小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解析依据输电原理 , 电路中的功率损耗PI2R, 而 R l, 可减 S , 增大输电导线的横截面积损线线小输电线的电阻 , 则能够减少输电过程中的电能损耗, 选项 A 正确；由 P 输 UI 知 , 在输送功率 P输 一定的情况下 , 输送电压 U越大 , 则输电电流 I越小 , 则电路中的功率

17、损耗越小, 选项 B 正确；若输送电压一定 , 输送功率 P 输 越大 , 则电流 I 越大 , 电路中损耗的电功率越大, 选项 C 错误；因为输电电压越高 , 对于安全和技术的要求也越高, 因此并不是输送电压越高越好, 高压输电必须综合考虑各种因素 , 选项 D 正确题组二输电线上功率损失的计算3输电线路的总电阻为R, 发电站输出功率为P, 输电电压为U, 则用户得到的功率为 ()P 2A P B P ( U) R2PC U2RD ()PRU答案B解析用户得到功率P得 2 ( P) 2 , 所以 B 正确PI R PRU4发电厂发电机的输出电压为U, 发电厂至用户的输电导线的总电阻为R, 通

18、过输电导线的电流18 / 13为 I , 输电线末端的电压为U2 , 下列选项表示输电导线上损耗的功率的是()22U1U1 U2A. R B.RC I 2R D I ( U1 U2)答案BCD2解析输电线上功率损耗P损2 U损 U损 , 而U损12, 故 B、 C、 D 正确I RRIUU5输电导线的总电阻为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()22A U1 U2B U1 U222D U2 U1C U2 U1答案C解析由 UI得输电线中的电流IPP损2P2P2R . 输电线上损失的功率( )2 , 即在输送功PUI RURU率和输电

19、线电阻不变的情况下, 损耗的功率与输电电压的平方成反比所以两次输电线上损耗的功率之比P损 1 P损 2 2212, 选项 C 正确UU6某发电厂原来用11 kV的交变电压输电 , 后来改用升压变压器将电压升到220 kV输电 , 输送的电功率都是P. 若输电线路的电阻为R, 则下列说法中正确的是()P1A根据公式 I U, 提高电压后输电线上的电流降为原来的20B根据公式U20 倍I , 提高电压后输电线上的电流增为原来的R2P21C根据公式 P损 IR U2R, 提高电压后输电线上的功率损耗减为原来的400U2D根据公式 P损 R, 提高电压后输电线上的功率损失增大为原来的400 倍答案AC

20、PU损解析输电线上电流为I U, 也可以用 I R来表示 ,其中 U 损 为输电线电阻R 两端的电压 , 而不2P2U2是输送电压 , 故 A 正确 ,B 错误；输电线上的功率损耗为P 损 IRU2R,C正确；如果用P 损 R,则 U 应为 R 两端的电压 U损 , 故 D 错误题组三 远距离输电问题7如图2 所示 , 图甲是远距离输电线路的示意图, 图乙是发电机输出电压随时间变化的图像, 则()9 / 13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输电线上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, 输电线上损耗的功

21、率减小答案D解析由 t图像可知 , 交流电的周期 0.02 s,故频率f 150 Hz, 选项 A 错误；交流电的uTT电压最大值m 500 V, 故有效值 Um 250 2 V, 选项 B 错误；输电线上的电流由降压变压器UU2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I 1n22I ,原线圈 ( 输电线 ) 上的电流减小 , 根据 PI 1 R 得 , 输电线损2n1耗的功率减小, 选项 D 正确8如图 3 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

22、线路中的电流是I1, 其末端间的电压为1. 在输电线与用户间连有一理想变U压器 , 流入用户端的电流是I 2. 则 ()图 3I UA用户端的电压为11I 2B输电线上的电压降为UC理想变压器的输入功率为2I 1rD输电线路上损耗的电功率为I 1U答案AI U解析根据理想变压器的工作原理, 得 I U IU, 所以用户端的电压U11, 选项 A 正确；输电I21122210 / 13线上的电压降U Ir U U , 选项 B 错误；变压器的输入功率P I2r I U , 选项 C 错1U I111111误；输电线路上损耗的功率2rI1 ( 1), 选项 D 错误1PIU U9一台发电机最大输出

23、功率为4 000 kW,电压为 4 000 V,经变压器T 升压后向远方输电 , 输电1线路总电阻 1 k , 到目的地经变压器2 降压 , 负载为多个正常发光的灯泡( 规格为“ 220 VRT60 W”) 若在输电线路上损耗的功率为发电机输出功率的10%,变压器 T 和 T 的损耗可忽略 , 发12电机处于满负荷工作状态 ,则 ()1103A和 20 AA T 原、副线圈电流分别为B 2 原、副线圈电压分别为1.8 10 5 V 和 220 VTC T 和 T 的变压比分别为150 和 40112D有 610 4 盏灯泡 (220 V60W)正常发光答案ABD解析根据题意画出输电线路示意图如

24、图所示对升压变压器有P1 U1I1, 可知 I 1 103A, 由输电线上损耗的功率2P 损 I 2 R 线 400 kW 可知 , 输电线上电流为 I2 20 A,A项正确； T 的变压比为 n n I I150, 根据P U I, 得 U 11221222210 5 V, 输电线上电压U 线 I 2R 线 210 4 V, 则变压器T2 的输入电压为 U3 U2 U 线 1.810 5V, 又灯泡正常发光, 可知 T 的输出电压U 为 220 V,B项正确； T 的变压比为n n U U24234341.8 10 5220,C项错误；降压变压器的输入功率等于输出功率U3I 3 60 W n, 解得n 610 4,D 项正确10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120 kW, 输出电压是240 V, 升压变压器原、副线圈的匝数之比为 125, 输电线的总电阻为10 , 用户需要的电压为220 V 则：(1) 输电线上损耗的电功率为多少；(2) 降压变压器原、副线圈的匝数比为多少290