2019-2020學(xué)年高中物理 第5章 5 電能的輸送學(xué)案 新人教版選修3-2

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1、5　電能的輸送 [學(xué)習(xí)目標(biāo)]　1.了解交變電流從發(fā)電站到用戶的輸電過程．　2.知道遠(yuǎn)距離輸電時(shí)決定電能損失的因素，了解高壓輸電的原因．(重點(diǎn))　3.知道遠(yuǎn)距離輸電線路的基本構(gòu)成，能夠?qū)唵蔚倪h(yuǎn)距離輸電線路進(jìn)行計(jì)算．(難點(diǎn)) 一、降低輸電損耗的兩個(gè)途徑 1．輸送電能的基本要求 (1)可靠：指保證供電線路可靠地工作，少有故障． (2)保質(zhì)：保證電能的質(zhì)量——電壓和頻率穩(wěn)定． (3)經(jīng)濟(jì)：指輸電線路建造和運(yùn)行的費(fèi)用低，電能損耗少． 2．降低輸電損耗的兩個(gè)途徑 要減少輸電線路上的功率損失，由公式P損＝I2R線知，必須減小輸電線電阻或減小輸電電流． (1)要減小電阻，從R＝ρ看

2、，在輸電距離一定的情況下，可以增大導(dǎo)線的橫截面積，但過粗的導(dǎo)線會(huì)耗費(fèi)太多的金屬材料，同時(shí)也給鋪設(shè)線路帶來困難；還可以選用電阻率較小的導(dǎo)體． (2)從公式P＝IU來看，在保證功率不改變的情況下，要減小輸送電流就必須提高輸電電壓． 前一種方法的作用十分有限，一般采用后一種方法． 3．高壓輸電 (1)現(xiàn)代遠(yuǎn)距離輸電都采用高壓輸電．目前我國遠(yuǎn)距離送電采用的電壓有110 kV,220 kV,330 kV，輸電干線已采用500 kV，西北電網(wǎng)甚至達(dá)到750 kV. (2)高壓輸電并不是越高越好．電壓越高，對(duì)輸電線路絕緣性能和變壓器的要求就越高，線路修建費(fèi)用會(huì)增多． (3)實(shí)際輸送電能時(shí)要綜合考

3、慮輸送功率、距離、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等要求選擇合適的電壓． 二、電網(wǎng)供電 1．遠(yuǎn)距離輸電基本原理 在發(fā)電站內(nèi)用升壓變壓器升壓，然后進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸電，在用電區(qū)域通過降壓變壓器降到所需的電壓． 2．電網(wǎng) 通過網(wǎng)狀的輸電線、變電站，將許多電廠和廣大用戶連接起來，形成全國性或地區(qū)性的輸電網(wǎng)絡(luò)． 3．電網(wǎng)輸電的優(yōu)點(diǎn) (1)降低一次能源的運(yùn)輸成本，獲得最大經(jīng)濟(jì)效益． (2)減少斷電的風(fēng)險(xiǎn)，調(diào)劑不同地區(qū)電力供需的平衡，保障供電的質(zhì)量． (3)合理調(diào)度電力，使電力的供應(yīng)更加可靠，質(zhì)量更高． 1．思考判斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”) (1)僅僅從減少能量損失的角度看，輸送功率一定的情況下，

4、輸電電壓越高，損失的能量越少． (√) (2)在輸送功率和輸電電壓一定，使用同種材料的導(dǎo)線時(shí)，越粗的導(dǎo)線損失的電壓越?。? (√) (3)從發(fā)電廠發(fā)出的電輸送到用戶均需要采用高壓輸電． (×) (4)使用升壓變壓器和降壓變壓器進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸電時(shí)，用戶得到的電壓可以高于發(fā)電機(jī)輸出的電壓． (√) (5)遠(yuǎn)距離輸電時(shí)，若升壓變壓器匝數(shù)比為1∶n，降壓變壓器匝數(shù)比為n∶1，則升壓變壓器的輸入電壓和降壓變壓器的輸出電壓相等． (×) 2．中央電視臺(tái)《焦點(diǎn)訪談》多次報(bào)道某些邊遠(yuǎn)落后農(nóng)村電價(jià)過高，農(nóng)民負(fù)擔(dān)過重，其中客觀原因是電網(wǎng)陳舊老化．近來進(jìn)行農(nóng)村電網(wǎng)改造，為減少遠(yuǎn)距離輸電的損耗而降低電費(fèi)價(jià)

5、格，可采取的措施有(　　) A．提高輸送功率　　　 B．減小輸電導(dǎo)線的長度 C．提高輸電的電壓 D．減小輸電導(dǎo)線的橫截面積 C　[為減少遠(yuǎn)距離輸電的損耗，可以提高輸電的電壓，故C項(xiàng)正確；提高輸送功率不能減少遠(yuǎn)距離輸電的損耗，減小輸電導(dǎo)線的長度的方法不可取，減小輸電導(dǎo)線的橫截面積反而會(huì)增大損耗，故A、B、D錯(cuò)誤．] 3．遠(yuǎn)距離輸電中，當(dāng)輸送的電功率為P，輸送電壓為U時(shí)，輸電線上損失的電功率為ΔP，若輸送的電功率增加為4P，而輸電線中損失的電功率減為，(輸電線電阻不變)那么輸電電壓應(yīng)增為(　　) A．32U　　　B．16U C．8U　　　D．4U C　[根據(jù)題意知：ΔP＝2·r，

6、ΔP＝2·r得U′＝8U.] 輸電線上電壓和功率損失的計(jì)算 1．輸電線上的電功率損失 (1)原因：輸電導(dǎo)線有電阻R線，電流流過輸電線時(shí)，電流的熱效應(yīng)引起電功率的損失． (2)計(jì)算式：①P線＝I2R線；②P線＝IU線；③P線＝. 2．輸電線上的電壓損失 若用U表示輸電線始端電壓，U′表示輸電線末端電壓，則U線＝U－U′或U線＝IR線． 3．電壓損失與輸電電壓的關(guān)系 如果遠(yuǎn)距離輸電的電功率P不變，輸電電壓為U，輸電導(dǎo)線電阻為R線，則輸電導(dǎo)線上發(fā)熱損失的功率P損＝I2R線＝R線，因此輸電電壓若提高到nU，則P損將減為原來的. 4．注意：交流輸電時(shí)，導(dǎo)線不但有電阻，還有線

7、路的電感、電容產(chǎn)生的感抗和容抗，但高中階段計(jì)算中，可將輸電線看作純電阻電路，不再考慮感抗和容抗對(duì)交流電路的影響． 【例1】　中國已投產(chǎn)運(yùn)行的1 000 kV特高壓輸電，是目前世界上電壓最高的輸電工程．假設(shè)甲、乙兩地原來用500 kV的超高壓輸電，在保持輸送電功率和輸電線電阻都不變的條件下，現(xiàn)改用1 000 kV特高壓輸電，不考慮其他因素的影響．則(　　) A．輸電電流變?yōu)樵瓉淼?倍 B．輸電線上降落的電壓將變?yōu)樵瓉淼?倍 C．輸電線上降落的電壓將變?yōu)樵瓉淼? D．輸電線上損耗的電功率將變?yōu)樵瓉淼? C　[根據(jù)輸送電功率P輸＝U輸I輸及P輸不變，可知，輸電電流I輸＝∝，當(dāng)U輸變?yōu)樵瓉淼?

8、倍時(shí)，I輸變?yōu)樵瓉淼?，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；輸電線上降落的電壓U降＝I輸R線∝I輸，所以，當(dāng)輸電電流變?yōu)樵瓉淼臅r(shí)，輸電線上降落的電壓也變?yōu)樵瓉淼模x項(xiàng)B錯(cuò)誤，C正確；輸電線上損耗的電功率P損＝IR線∝I，所以輸電線上損耗的電功率將變?yōu)樵瓉淼?，選項(xiàng)D錯(cuò)誤．] 【例2】　某變電站用220 V的電壓輸電，導(dǎo)線上損失的功率為輸送功率的20%.若要使導(dǎo)線上損失的功率降為輸送功率的5%，則輸電電壓應(yīng)為多少？ [解析]　設(shè)輸送功率為P，輸電電壓U1＝220 V時(shí)，損失功率ΔP1＝20%P 又因?yàn)棣1＝IR線，I1＝ 解得ΔP1＝R線 現(xiàn)要求ΔP2＝5%P，同理ΔP2＝R線 因此可得＝＝ 所以U2＝2U

9、1＝440 V. [答案]　440 V 　上例中，若輸電電壓不變，輸電線的電阻應(yīng)變?yōu)樵瓉淼亩嗌俦叮? 提示：ΔP＝I2R線 則＝＝＝ 輸電線的電阻應(yīng)變?yōu)樵瓉淼? 計(jì)算輸電線上功率損失的兩種方法 計(jì)算輸電線上損失的功率時(shí)，要注意區(qū)分兩個(gè)電壓：輸電電壓(輸電線始端的電壓)U和輸電線上的損失電壓ΔU. (1)P損＝ΔUI＝，ΔU是輸電線兩端的電壓，即輸電線上損失的電壓． (2)P損＝2R線，U是指輸送電壓，即從發(fā)電站發(fā)出后，經(jīng)過變壓器升高后的電壓． 1．遠(yuǎn)距離輸電，輸電功率一定，當(dāng)輸電電壓為U0時(shí)，輸電線上的電流為I0，損失的電功率為P0.則當(dāng)輸電電壓提高為2U0時(shí)(　

10、　) A．由I＝得，輸電線上的電流變?yōu)?I0 B．由I＝得，輸電線上的電流變?yōu)? C．由P＝得，輸電線上損失的電功率為4P0 D．由P＝IU得，輸電線上損失的電功率為2P0 B　[設(shè)輸電線的電阻為R，當(dāng)輸電線上的電流為I0時(shí)，損失的電功率為P0＝IR.當(dāng)輸電電壓提高為2U0時(shí)，由I＝可知輸電線上的電流變?yōu)椋旊娋€上損失的電功率為P損＝2R＝，故選項(xiàng)B正確． 遠(yuǎn)距離輸電 1.遠(yuǎn)距離輸電的幾個(gè)基本關(guān)系式 (1)功率關(guān)系：P1＝P2，P2＝P損＋P3，P3＝P4. (2)電壓關(guān)系：＝，U2＝U線＋U3，＝. (3)電流關(guān)系：＝，I2＝I線＝I3，＝. (4)輸電電流：I線

11、＝＝＝＝. (5)輸電導(dǎo)線上損耗的電功率 P損＝P2－P3＝IR線＝＝U線I線． (6)輸電導(dǎo)線上的電壓損失 U線＝I線R線＝U2－U3. 2．兩個(gè)聯(lián)系 (1)線圈1(匝數(shù)為n1)和線圈2(匝數(shù)為n2)中各個(gè)量間的關(guān)系是：＝，I1n1＝I2n2，P1＝P2. (2)線圈3(匝數(shù)為n3)和線圈4(匝數(shù)為n4)中各個(gè)量間的關(guān)系是：＝，I3n3＝I4n4，P3＝P4. 【例3】　發(fā)電機(jī)的輸出電壓為220 V，輸出功率為44 kW，每條輸電線的電阻為0.2 Ω，求： (1)此時(shí)用戶得到的電壓和電功率各為多少？ (2)如果發(fā)電站先用變壓比為1∶10的升壓變壓器將電壓升高，經(jīng)同樣的輸電

12、線路后經(jīng)10∶1的降壓變壓器將電壓降低后供給用戶，則用戶得到的電壓和電功率各是多少？ [解析]　(1)輸電線上的電流IR＝＝ A＝200 A 損失的電壓UR＝IRR＝2×0.2×200 V＝80 V 損失的功率PR＝URIR＝80×200 W＝16 kW 故用戶得到的電壓U用戶＝U－UR＝140 V 用戶得到的功率為P用戶＝P－PR＝28 kW. (2)已知升壓變壓器的匝數(shù)比n1∶n2＝1∶10 輸入電壓U1＝220 V 因此，升壓變壓器的輸出電壓U2＝U1＝2 200 V 輸電線上的電流IR′＝＝ A＝20 A 損失的電壓UR′＝IR′R＝2×0.2×20 V＝8

13、V 損失的功率PR′＝UR′IR′＝8×20 W＝160 W 因此，降壓變壓器的輸入電壓U3＝U2－UR′＝2 192 V 已知降壓變壓器的匝數(shù)比n3∶n4＝10∶1 所以用戶得到的電壓U4＝U3＝219.2 V 用戶得到的功率P用戶′＝P－PR′＝43.84 kW. [答案]　(1)140 V　28 kW　(2)219.2 V　43.84 kW 處理遠(yuǎn)距離輸電的方法技巧 (1)畫好一張圖——遠(yuǎn)距離輸電示意圖 (2)抓住電兩端——發(fā)電站和用戶 (3)分析一條線——輸電線 (4)研究兩次變——升壓變壓器升壓和降壓變壓器降壓 (5)區(qū)分三個(gè)量——輸送電壓(功率)、損失電

14、壓(功率)、用戶電壓(功率) 2．輸送4.0×106 W的電能，若發(fā)電機(jī)輸出電壓為2 000 V，選用變壓器升壓后應(yīng)用橫截面積為4.25 cm2的銅導(dǎo)線，把電能送到400 km遠(yuǎn)處，線路損耗的功率為5.0×105 W．若已知銅的電阻率ρ＝1.7×10－8 Ω·m，求： (1)應(yīng)選用匝數(shù)比為多少的升壓變壓器； (2)在用戶方使用降壓變壓器，其原線圈兩端的電壓為多大． [解析]　(1)由P＝I2R得I＝，式中P為線路損耗功率，R為線路總電阻， 兩條導(dǎo)線總電阻R＝ρ＝ρ， 則R＝1.7×10－8× Ω＝32 Ω 所以I＝＝125 A 因?yàn)镻輸入＝P輸出，所以在升壓變壓器副線圈兩端

15、的電壓為 U2＝＝3.2×104 V 故＝＝. (2)設(shè)U′2為降壓變壓器原線圈兩端的電壓，則U′2＝U2－IR＝2.8×104 V. [答案]　(1)1∶16　(2)2.8×104 V 課 堂 小 結(jié) 知 識(shí) 脈 絡(luò) 1.輸送電能的基本要求是可靠、保質(zhì)、經(jīng)濟(jì)． 2．根據(jù)P損＝I2R線可知，減小輸電線上的功率損失有兩個(gè)途徑：一是減小輸電線的電阻，二是減小輸電電流． 3．在輸送功率一定時(shí)，提高輸送電壓，可以減小輸電電流. 1．關(guān)于電能輸送的以下分析，正確的是(　　) A．由公式P＝知，輸電電壓越高，輸電線上功率損失越少 B．由公式P＝知，輸電導(dǎo)線電阻越大，輸電線上

16、功率損失越少 C．由公式P＝I2R知，輸電電流越大，輸電導(dǎo)線上功率損失越大 D．由公式P＝UI知，輸電導(dǎo)線上的功率損失與電流成正比 C　[輸電線上損失的功率P損＝I2R線＝，U損指輸電線上的分壓，而不是輸電電壓，選項(xiàng)C正確．] 2．某用電器離供電電源的距離為l，線路上的電流為I.若要求線路上的電壓降不超過U.已知輸電導(dǎo)線的電阻率為ρ，那么該輸電導(dǎo)線的橫截面積的最小值是(　　) A.　　　B．I2ρ　　　C.　　　D. C　[因?yàn)閷?dǎo)線的總長度為2l，所以電壓降U＝IR＝Iρ，解得S＝，故選項(xiàng)C正確．] 3．(多選)某小型水電站的電能輸送示意圖如圖所示，發(fā)電機(jī)的輸出電壓為200 V，

17、輸電線總電阻為r，升壓變壓器原、副線圈匝數(shù)分別為n1、n2.降壓變壓器原、副線圈匝數(shù)分別為n3、n4(變壓器均為理想變壓器)．要使額定電壓為220 V的用電器正常工作，則(　　) A.＞ B.＜ C．升壓變壓器的輸出電壓等于降壓變壓器的輸入電壓 D．升壓變壓器的輸出功率大于降壓變壓器的輸入功率 AD　[由于輸電線上的功率損耗，故升壓變壓器的輸出功率大于降壓變壓器的輸入功率．P出－P損＝P入，故D正確；＝，＝，因?yàn)閁1＝200 V＜U4＝220 V，U2＞U3＝U2－U線，故＞，選項(xiàng)B、C錯(cuò)誤，A正確．] 4．如圖所示為遠(yuǎn)距離交流輸電的簡化電路圖．發(fā)電廠的輸出電壓是U，用等效總電阻是r的兩條輸電線輸電，輸電線路中的電流是I1，其末端間的電壓為U1.在輸電線與用戶間連有一理想變壓器，流入用戶端的電流為I2，則(　　) A．用戶端的電壓為 B．輸電線上的電壓降為U C．理想變壓器的輸入功率為Ir D．輸電線路上損失的電功率為I1U A　[理想變壓器輸入和輸出功率相同，設(shè)用戶端得到的電壓為U2，則有I1U1＝U2I2，U2＝，選項(xiàng)A正確；輸電線上的電壓降為ΔU＝I1r，或者ΔU＝U－U1，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；理想變壓器的輸入功率為P＝I1U1，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；輸電線路上損失的電功率為ΔP＝Ir，選項(xiàng)D錯(cuò)誤．] - 9 -