Get清风高中物理教科版选修3-2学案：第二章 7 电能的输送

高中物理教科版选修3-2学案:第二章7电能的输送［目标定位］1.了解远距离输电线路的根本构成.2.掌握远距离输电线上的能量损失与哪些因素有关.3.应用理想变压器、电路知识对简单的远距离输电线路进行定量计算.一、电能输送中的电能损耗和电压损失L输电线上的电压损失⑴输电线路始端电压U跟末端电压U’的差值，称为输电线上的电压损失，AU=U—U',如图1所示，电压损失还可以表示为AU=IR=PR线U线.图1⑵减少输电线上电压损失的方法：①减小输电线的电阻.②提高输送电压.2.输电线上的电能损耗(1)损失功率计算：AP=12R,I为输电电流，R 线为输电线的总电阻.线(2)减小输电线上功率损失的方法：①减小输电线的电阻K线：由火线得,要减小R线,在/保持不变的情况下，可以减小〃增大S.②减小输电电流/：由P=O得，在输送功率一定的情况下，提高输电电压,即可减小输电电流.采用通（填“高〃或“低〃）压输电是减小输电线上功率损失最有效、最经济的措施.深度思考】“提高电压，减小电流〃与欧姆定律矛盾吗？答案不矛盾.欧姆定律是对纯电阻耗能元件而成立的定律，而“提高电压，减小电流〃是从输送角度，由P=UI，且P一定的条件下得出的结论，两者没有矛盾.例1中国已投产运行的1000kV特高压输电，是目前世界上电压最高的输电工程.假设甲、乙两地原来用500kV的超高压输电，在保持输送电功率和输电线电阻都不变的条件下，现改用1000kV特高压输电，不考虑其他因素的影响.那么()A.输电电流变为原来的2倍B.输电线上降落的电压将变为原来的2倍,一八，J—∙I一一一，一一•1C.输电线上降落的电压将变为原来的221D.输电线上损耗的电功率将变为原来的22解析根据输送电功率P输=U输I输及P输不变,可知，输电电流1输,当U输变为原来的2倍时，I输变为原来的2，选项A错误；输电线上降落的电压U降=I输R线8I输，所以，当输电电流变为原来的2时输电线上降落的电压也变为原来的1，选项B错误，C正确；输电线上损耗的电功率P损=I输R线8I输，所以输电线上损耗的电功率将变为原来的:，选项D错误.答案C⑴注意区别：①输电电压U与输电线上降落的电压ΔU；②输电功率P与输电线上损失的功率ΔP.(2)抓住不变量：输送电功率不变，由P=UI判断出输电电流I的变化，从而由ΔU=IR、ΔP=12R判断ΔU、ΔP的变化.例2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,以下计算输电线功率损耗的式子中，正确的选项是()A.独∙i线 线C2R线DKU1—U2)解析输电线功率损耗P损=I2R线=j=IU线,其R线中U线=U1-U2,故B、CD正确.答案BCDP损=I2R=等=ΔU∙I式中必须注意AU为输电线路上的电压损失，而不是输电线电压.二、高压输电线路的分析与计算.输送过程图(如图2所示)：图2(1)功率关系P1=P2,P3=P4,P2=ΔP+P3-能量守恒⑵电压、电流关系U=n=I2，U=n=⅛一理想变压器错误！.特别强调(1)升压变压器副线圈的电压不等于降压变压器原线圈的电压,输电线上的电压损失AU=/J?线,输电线上的功率损耗XP=I2R线线・⑵输电线的电阻计算时，应注意输电线长度为距离的两倍.I深度思考】在电能的输送过程中，U为输电电压，r为输电线电阻，那么输电线中电流为I=1L,对不对？为r什么？答案不对.U为输电电压，而不是加在输电导线上的电压，即U≠Ir,而输电电流可通过I2=n1求得.In2例3一台发电机最大输出功率为4000kW、输出电压为4000V，经变压器TI升压后向远方输电.输电线路总电阻R=1床。.到目的地经变压器T2降压，负载为多个正常发光的灯泡(220V,60W).假设在输电线路上消耗的功率为发电机输出功率的10%,变压器TI和T2的损耗可忽略，发电机处于满负荷工作状态，那么()A.T1原、副线圈电流分别为103A和20AB.T2原、副线圈电压分别为1.8×105V和220VC.T1和T2的变压比分别为1：50和40：1D.有6×104盏灯泡(220V,60W)F常发光解析远距离输电的电路如下图，在升压变压器原线圈中有P=U111,故得原线圈中电流为103A,在远距离输电线路中由ΔP=I线R线得T1副线圈中电流为20A，应选项A正确；在远距离输电线路中由P=U212和I线=I2得U2=2×105V，由ΔU=I线R线，δU=U2-U3可得T2原线圈电压为1.8×105V，由于灯泡能正常发光，故T2副线圈电压为220V，应选项B正确；由变压器变压特点知变压比与匝数成正比，故可得T1变压比为1：50，而T2的变压比为9000：11，应选项C错误；正常发光时每盏灯的功率为60W,由90%P=NP额，可得N=6X10,盏，应选项D正确•答案ABD远距离输电问题的四个关键：⑴画出一个模型——远距离输电模型图.⑵抓住输电的两端——电源和用电器.⑶分析两条导线一^电导线.(4)研究两次电压变换一一升压和降压.1例4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∙2Ω,如果用原、副线圈匝数比为1：10的升压变压器升压，经输电线后，再用原、副线圈匝数比为10：1的降压变压器降压供应用户.(1)画出全过程的线路示意图；⑵求用户得到的电压和功率；⑶假设不经过变压而直接送到用户，求用户得到的电压和功率.解析(1)线路示意图如下图.⑵由图可知，升压变压器副线圈两端的输出电压U22=n1uU1=2200"据理想变压器P入=P出，那么升压变压器副线圈的输出电流12=r42×003A=20A，输电线上的功率损失和电压损失分别为P损=I2R线=202×0.2W=80W.U损=I2R线=20X0ZV=4V.所以降压变压器原线圈的输入电压和电流为U3=U2.U损=2200V-4V=2196V,I3=I2=20A.降压变压器副线圈的输出电压和电流为U4=n4U3=10×2196V=219.6V,I44=nɪI^3=10×20A=200A.用户得到的功率为P4=U4414=219.6×200W=4.392×104W.⑶假设直接用220V低压供电，线圈示意图如下图，那么输电电流I'=P==4422103A=200A.输电线路上的电压损失Au'=I'R线=200×0.2V=40V.所以用户得到的电压U2,=U1∙ΔU'=220V・40V=180V,用户得到的功率为P'=U2'I'=180×200W=3.6×104W.答案见解析1（输电线上的损耗）500千伏超高压输电是我国目前正在实施的一项重大工程，我省超高压输电工程正在紧张建设之中.假设输送功率为3200万千瓦，原来采用200千伏输电，由于输电线有电阻而损失的电功率为P，那么采用500千伏超高压输电后，在输电线上损失的电功率为（设输电线的电阻未变）（）A.0.4PB.0.16PC.2.5PD.6.25P答案BP送一解析根据P损二舒可知：当输电电压由200kV升高到500kV时其线路损耗由P减小到0.16P,选项B正确.2.（输电线上的损耗）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％、n2,在T的原线圈两端接入一电压u=Ummsinωt的交流电源，假设输送电功率为P,输电线的总电阻为2r，不考虑其他因素的影响，那么输电线上损失的电功率为()图3nU2A.(n2)MC.4(n

nnP2rD.4(n2)2("2r1m答案C解析原线圈电压的有效值：U1=UT，2可得U=n∙Um，又因为是理想变压器，所以T2n112的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=P，输电线上损失的电U功率为P'=12∙2r=4r[3}[PI2,所以C正确，

InJIUmJA、B、D错误.3.（远距离高压输电）（多项选择）如图4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,用电阻为3Ω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%，那么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，以下说法正确的选项是（）图4A∙输电线上的损失功率为300WB.升压变压器的匝数比为1：100C∙输电线上的电流为10AD∙降压变压器的输入电压为4970V答案ACD解析尸损=0∙6%P=300WA正确］线=10A,C正确；U线=I线R线=30V,U22=；=5000V,U3=U2-U线=4970V，D正确；n1=U12 2=二，B错误.104.(远距离高压输电)某小型水力发电站的发电输出功率为5X104W,发电机的输出电压为250V,输电线总电阻R=5。.为了使输电线上损失的线功率为发电机输出功率的4%，必须采用远距离高压输电的方法，在发电机处安装升压变压器，而在用户处安装降压变压器.设用户所需电压为220V，不计变压器的损失.求：(g取10m∕s2)(1)输电线上的电流；⑵升、降压变压器原、副线圈的匝数比；⑶可供多少盏“220V40W〃的白炽灯正常工作？1120 、答案(1)204(2)10_11(3)1200盏解析(1)输电线中电流：P损=ITrR线，得I2==20A.5X104(2)由P=U22I2,得U22=2~ιχv==2.5X103V.对升压变压器：nLUL 250 _11=1= =U2.5×103102对降压变压器：U3=UR-IR线=(25。。-2。×5)V=2400VHU4=220V,粽=K=R.P-P招(3)n= P报=1200(盏).P0题组一输电线路中的损耗问题.(多项选择)远距离输送交流电都采用高压输电.我国正在研究用比330kV高得多的电压进行输电.采用高压输电的优点是()A.可节省输电线的材料B.可根据需要调节交流电的频率C.可减小输电线上的能量损失D.可加快输电的速度答案AC.以下关于电能输送的分析，正确的选项是(),一∙ U2.A.由公式P=H知，输电电压越高，输电线上功R率损失越少,∙∙ U2.B.由公式P=U知，输电导线电阻越大，输电线R上功率损失越少C.由公式P=12R知，输电电流越大，输电导线上功率损失越大D.由公式P=UI知，输电导线上的功率损失与电流成正比答案C解析输电线损失的功率ΔP=12R，故C正确；A中的U不能用输电电压，因U=ΔU+U,δU为^3输电线损失的电压，U3为用户端电压或降压变压器的初级电压，故A、B、D错误.3∙（多项选择）一项名为“1100千伏特高压隔离开关〃的“破冰实验〃在我国大兴安岭漠河县取得成功，标志着我国特高压输电技术已突破低温环境制约.为消除高压输电线上的冰凌，利用电流的热效应除冰.假设在正常供电时，输电线上送电电压为U,电流为L热耗功率为ΔP；除冰时，输电线上的热耗功率需变为9ΔP，那么除冰时（认为输电功率和输电线电阻不变）（）A∙输电电流为3∕B∙输电电流为91C∙输电电压为3UD.输电电压为1U答案AD解析输电线上的热耗功率ΔP=12R线，假设热耗功率变为9ΔP,那么9ΔP=I'2R线，联立得I’=31,A对；输送功率不变，即P=UI=U'I',得U'=3U,所以D对..(多项选择)在远距离输电时，输送的电功率为P,输电电压为U,所用导线的电阻率为ρ,横截面积为S，总长度为l,输电线损失的功率为ΔP,用户得到的功率为P',那么以下关系式正确的选项是()aδ="B∙δp=向CP=P-USD.P'=Pf1-Ppl2SS答案BD解析输电线电阻为R线=Pl，输电电流为I=P，线S U故输电线上损失的电功率为ΔP=12R=线'UNPl=PPS，用户得到的电功率为P'=P-δpViS].二P(.照明供电线路的路端电压根本上是保持不变

的，可是我们在晚上七八点钟用电顶峰时开灯，

电灯比深夜时要显得暗些，这是因为此时()A.总电阻比深夜时大，干路电流小，每盏灯分到

的电压就小B.总电阻比深夜时大，干路电流小，每一支路的

电流就小C.总电阻比深夜时小，干路电流大，输电线上损

失的电压大D.干路电流一定，支路比深夜时多，分去了一局

部电压答案C解析此时用电器多，电阻小(因为用电器都是并联

的)，而变压器输出电压U不变，由I二U可知，干路电流大，输电线上损失电压大，电灯两端电压小，故比深夜暗，故C正确.题组二远距离输电问题.(多项选择)如图1所示为远距离高压输电的示意图.关于远距离输电，以下表述正确的选项是()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解析导线横截面积越大，导线的电阻越小，电能损失就越小，A对；在输送功率一定的前提下，提高输送电压U，由I=2知，电流I减小，发热损耗减小，B对；假设输送电压一定，由I=U知，输送的电功率P越大，I越大，发热损耗就越多,C错；高压输电要综合考虑材料本钱、技术、经济性等各种因素，不是电压越高越好，D对..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，那么()图2A.用户用电器上交流电的频率是100Hz.发电机输出交流电的电压有效值是500VC.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，输电线上损失的功率减小答案D解析由UT图像可知，交流电的周期T=0.02s,故频率f=T==50Hz，选项A错误；交流电的电压最大值Um=500V，故有效值U=Um=250V,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Ii==%,原线I2nI圈（输电线）上的电流减小，根据P=I2R得，输电线损失的功率减小，选项D正确.8.（多项选择）在如图3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总电阻均不变，随着发电厂输出功率的增大，以下说法中正确的有（）图3A.升压变压器的输出电压增大.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答案CD解析升压变压器原线圈两端电压不变，变压比不变，故副线圈两端电压不变，A错误；/=U,U损=IR线，U3=U2-U损，因P变大，I变大，所以U损变大，所以降压变压器原线圈两端电压U3变小，故降压变压器的输出电压减小，B错误；P损=]U}R线，因P变大，所以P损变大，C正确；rP)DP损」UP线=PR线，因P变大，所以P损变大，d正确..远距离输电的原理图如图4所示，升压变压器原、副线圈的匝数分别为n1、n2,电压分别为U1、U2，电流分别为11、12，输电线上的电阻为R.变压器为理想变压器，那么以下关系式中正确的选项是()图4AI1=n1BI=U2at2nB.12RC.11U1=122RD.11UI=I2U2答案D解析根据理想变压器的工作原理得11U1=12U2、I112=n1.U2不是加在R两端的电压故12≠UL而11U1等于R上消耗的功率122R与下一级变压器的输入2功率之和.选项D正确..图5为模拟远距离输电实验电路图，两理想变压器的匝数n1=n4<n2=n3,四根模拟输电线的电阻R1、R2、R3、R4的阻值均为R,A1、A2为相同的理想交流电流表，L1、L2为相同的小灯泡，灯丝电阻RL>2R，忽略灯丝电阻随温度的变化.当A、B端接入低压交流电源时()图5A1、A2两表的示数相同L1∖L2两灯泡的亮度相同R1消耗的功率大于R3消耗的功率R2两端的电压小于R4两端的电压答案D解析远距离输电过程中，应用高压输电能够减小输电线上的功率损失，R1上消耗的功率小于R3回上消耗的功率，C项错；而比拟两个不同输电【路，输电线电阻相同，由P损=12∙2R可知，A1示数小于A2示数，A项错；根据欧姆定律可知，R2两端电压小于R4两端电压，D项正确；由于输电线上损失电压不同故