2019版高中物理 第五章 交变电流 5.5 电能的输送学案 新人教版选修3-2.doc

15 5 电能的输送电能的输送学习目标 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、降低输电损耗的两个途径1输送电能的基本要求(1)可靠：保证供电线路可靠地工作，少有故障(2)保质：保证电能的质量电压和频率稳定(3)经济：输电线路建造和运行的费用低，电能损耗小2输电线上的功率损失：PI2r，I为输电电流，r为输电线的电阻3降低输电损耗的两个途径(1)减小输电线的电阻：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)减小输电线中的电流：为减小输电电流，同时又要保证向用户提供一定的电功率，就要提高输电电压二、电网供电1远距离输电的基本原理：在发电站内用升压变压器升压，然后进行远距离输电，在用电区域通过降压变压器降到所需的电压2电网：通过网状的输电线、变电站，将许多电厂和广大用户连接起来，形成全国性或地区性的输电网络3电网输电的优点(1)降低一次能源的运输成本，获得最大的经济效益(2)减小断电的风险，调节不同地区电力供需的平衡，保障供电的质量(3)合理调度电力，使电力的供应更加可靠，质量更高即学即用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( × )U2 r(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( )2(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 U22U12一、降低输电损耗的两个途径导学探究 如图 1 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：图 1(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.P U(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个途径为：减小输电线的电阻P2 U2r；减小输电电流I，即提高输送电压U.知识深化1输电线上的电压损失：UUUIrr.P U2输电线上的功率损失(1)PI2r，其中I为输电线上的电流(2)PU·I或 P，其中 U为输电线上的电压损失U2r33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L S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P U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.1 n1 n2例 1 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？(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？它占输出功率的几分之几？(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？它占输出功率的几分之几？答案 (1)2 500 A (2)1.25×108 W 1 4(3)1 000 A 2×107 W 1 25解析 (1)由PUI得I 2 500 AP U5 × 108 W 2 × 105 V(2)输电线上损失的功率 PI2·2r2 5002×2×10 W1.25×108 W损失功率与输出功率之比为P P1.25 × 108 W 5 × 108 W1 4(3)将电压升高至 50 万伏时，I1 000 AP U5 × 108 W 5 × 105 V输电线上损失的功率 PI2·2r1 0002×2×10 W2×107 W损失功率与输出功率之比为.P P2 × 107 W 5 × 108 W1 25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.U12 R线U1U22R线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U线2 R线4P损I2rU·I.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.U2r二、远距离高压输电电路中的各种关系导学探究 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，P2PP3I线2RP3第三个回路：P4U4I4(2)、P1P2；、P3P4.U1 U2n1 n2I1 I2n2 n1U3 U4n3 n4I3 I4n4 n3知识深化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 3 所示)图 32抓住两个联系(1)理想升压变压器联系回路 1 和回路 2即，I1n1I2n2，P1P2.U1 U2n1 n2(2)理想降压变压器联系回路 2 和回路 3即，I3n3I4n4，P3P4.U3 U4n3 n43掌握一个定律5根据能量守恒定律得P2PP3.例 3 如图 4 所示，发电站通过升压变压器、输电导线和降压变压器把电能输送到用户(升压变压器和降压变压器都可视为理想变压器)，若发电机的输出功率是 100 kW，输出电压是250 V，升压变压器的原、副线圈的匝数比为 125，图 4(1)求升压变压器的输出电压和输电导线中的电流；(2)若输电导线中的电功率损失为输入功率的 4%，求输电导线的总电阻和降压变压器原线圈两端的电压答案 (1)6 250 V 16 A (2)15.625 6 000 V解析 (1)对升压变压器，据公式，有U1 U2n1 n2U2U1×250 V6 250 Vn2 n125 1I2 A16 AP2 U2P1 U2100 000 6 250(2)P损I22R线，P损0.04P1所以R线15.625 0.04P1 I22因为 UU2U3I2R线所以U3U2I2R线6 000 V.1(输电线上功率损失的计算)夏天由于用电器的增多，每年夏天都会出现“用电荒” ，只好拉闸限电若某发电站在供电过程中，用电高峰时输电的功率是正常供电的 2 倍，输电线电阻不变，下列说法正确的是( )A若输送电压不变，则用电高峰时输电电流为正常供电时的 2 倍B若输送电压不变，则用电高峰时输电线上损失的功率为正常供电时的 2 倍C若用电高峰时的输送电压变为正常供电的 2 倍，则此时输电电流为正常供电时的 4 倍D若用电高峰时的输送电压变为正常供电的 2 倍，则此时输电线损失的功率为正常供电时的 4 倍答案 A解析 高压输电时PUI，I是输送电路上的电流用电高峰时，若输送电压不变，则I为6正常时的 2 倍，A 正确；输电线上损失的功率 PI2R线，则损失功率变为正常时的 4 倍，B 错误；用电高峰时，若输送电压加倍，则I不变，与正常时相同，C 错误；由 PI2R线，知损失的功率不变，D 错误2(输电线上功率损失的计算)(多选)在如图 5 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 5A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答案 CD解析 发电厂的输出电压不变，升压变压器的输入电压不变，输出电压不变，选项 A 错误；随着发电厂输出功率的增大，输电线中电流增大，输电线上损失的电压(UIR)增大，降压变压器的输入电压减小，降压变压器的输出电压减小，选项 B 错误；随着发电厂输出功率的增大，输电线中电流增大，输电线上损耗的功率(PI2R)增大，选项 C 正确；输电线上损耗的功率 PI2R2R，输电线上损耗的功率占总功率的比例P输，增大，(P输 U输)P P输R U输2选项 D 正确3(远距离高压输电的分析与计算)如图 6 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，流入用户端的电流是I2.则( )图 6A用户端的电压为I1U1 I2B输电线上的电压降为UC理想变压器的输入功率为I12rD输电线路上损失的电功率为I1U7答案 A解析 根据理想变压器的工作原理，得I1U1I2U2，所以用户端的电压U2，选项 A 正I1U1 I2确；输电线上的电压降UI1rUU1，选项 B 错误；变压器的输入功率P1I1UI12rI1U1，选项 C 错误；输电线路上损失的电功率PI12rI1(UU1)，选项D 错误4(远距离高压输电的分析与计算)(多选)如图 7 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.当用户用电器的总电阻减小时( )图 7AU1U2U4U3B用户的电压U4增加C输电线上的损失功率增大D用户消耗的功率等于发电机的输出功率答案 AC解析 根据，以及n1n2n4n3，知U1U2U4U3，故 A 正确用户用电U1 U2n1 n2U3 U4n3 n4器总电阻减小，则电流增大，所以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，发电机的输出电压不变，则升压变压器的输出电压不变，降压变压器的输入电压变小，用户的电压U4减小，故 B 错误，C 正确用户消耗的功率等于发电机的输出功率与输电线上损失的功率之差，故 D 错误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 500 kW，路端电压为 500 V，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)升压变压器的副线圈两端电压；(2)输电导线上的功率损失；(3)降压变压器原、副线圈的匝数比；(4)用户得到的功率答案 (1)2 500 V (2)60 kW (3)101 (4)440 kW解析 输电线路原理图如图所示8(1)升压变压器的副线圈两端电压U22 500 V.n2U1 n1(2)输电导线上的电流I2200 AP2 U2P1 U2输电导线上的功率损失P损I22r线60 kW(3)输电导线上的电压UI2r线300 V降压变压器原线圈的电压U3U2U2 200 V，降压变压器原、副线圈的匝数比为101n3 n4U3 U4(4)用户得到的功率 P用P1P损440 kW