2018-2019學(xué)年高中物理 第二章 交變電流 7 電能的輸送學(xué)案 教科版選修3-2

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1、 7.電能的輸送 學(xué) 習(xí) 目 標(biāo) 知 識(shí) 脈 絡(luò) 1.理解輸電線上損失的電能與哪些因素有關(guān),以及減小損失的兩個(gè)途徑.(重點(diǎn)) 2.理解高壓輸電的原理.會(huì)計(jì)算輸電損失.(重點(diǎn)) 3.了解遠(yuǎn)距離輸電的典型電路,并能利用變壓器和電路的規(guī)律解決實(shí)際問題.(難點(diǎn)) 4.輸電網(wǎng)絡(luò)的分析.(難點(diǎn)) [自 主 預(yù) 習(xí)·探 新 知] [知識(shí)梳理] 一、電能輸送中的電壓損失和電能損耗 1.兩種損失比較 兩種損失 原因分析 大小表示 減小辦法 電壓損失 導(dǎo)線自身存在電阻r U損=Ir 減小r 減小I 功率損失 導(dǎo)線有電阻 電流熱效應(yīng) P損=I2r 減小I 減小

2、r 2.降低兩種損耗的途徑——高壓輸電 (1)由r=ρ知,導(dǎo)線一般選鋁為材料,因而ρ一定,在導(dǎo)線長度l確定的情況下,要減小電阻,只能通過增大輸電線的橫截面積,這種方法給架設(shè)施工帶來困難. (2)由P=UI知,輸送電功率不變的前提下,提高輸電電壓,會(huì)減小輸電電流,從而減小導(dǎo)線上的發(fā)熱損失和電壓損失.這是降低兩種損耗的有效途徑. 二、遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)和直流輸電 1.遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng) 在發(fā)電站附近用升壓變壓器升高電壓,用輸電線輸送到遠(yuǎn)方,在用電地區(qū)附近,用降壓變壓器降到所需電壓. 遠(yuǎn)距離輸電電路圖如圖2-7-1所示: 圖2-7-1 2.直流輸電 (1)采用高壓直流輸電的原因 當(dāng)

3、交流輸電功率很大時(shí),導(dǎo)線的電感、電容引起的電壓及電能損失很大;同一電網(wǎng)供電的發(fā)電機(jī)同步運(yùn)行,技術(shù)上也存在困難. (2)直流輸電的使用環(huán)節(jié):當(dāng)前的直流輸電,只有高壓輸電環(huán)節(jié)中使用直流. (3)直流輸電系統(tǒng) 發(fā)電機(jī)升壓變壓器整流設(shè)備輸電線逆變器降壓變壓器用戶 [基礎(chǔ)自測] 1.思考判斷 (1)由P=UI知,功率損耗與電流成正比. (×) (2)電能的損耗受電流的影響比受電阻的影響更為顯著. (√) (3)減小輸電線電阻是降低電能損耗的最佳途徑. (×) (4)高壓輸電是通過減小輸電電流來減小電路的電能損耗. (√) (5)遠(yuǎn)距離輸電時(shí),若輸送的電功率一定,輸電電壓越高,輸電

4、電流就越小,電能損失就越小,所以輸電電壓越高越好. (×) (6)直流輸電比交流遠(yuǎn)距輸電技術(shù)要求更高,輸電原理也更復(fù)雜. (√) 2.(多選)遠(yuǎn)距離輸送交流電都采用高壓輸電,其優(yōu)點(diǎn)是(  ) 【導(dǎo)學(xué)號(hào):24622083】 A.可節(jié)省輸電線的銅材料 B.可根據(jù)需要調(diào)節(jié)交流電的頻率 C.可減少輸電線上的能量損失 D.可加快輸電的速度 AC [由P=IU得I=,輸送的電功率P一定,采用高壓輸電,輸電線中的電流就小,由P線=I2r,要求輸電線損耗一定的情況下,就可選橫截面積較小的輸電線,從而可以節(jié)省輸電線的銅材料.若輸電線確定,則可減少輸電線上的能量損失,故A、C正確;交流電的頻率是

5、一定的,升高電壓無法改變交流電的頻率.輸電的速度就是電磁波的傳播速度,是一定的,故B、D錯(cuò)誤.] 3.(多選)在遠(yuǎn)距離輸電時(shí),輸送的電功率為P,輸送電壓為U,所用導(dǎo)線的電阻率為ρ,橫截面積為S,總長度為L,輸電線損失的電功率為P′,用戶得到的電功率為P用,則P′、P用的關(guān)系式正確的是(  ) A.P′=      B.P′= C.P用=P- D.P用=P BD [輸電線電阻R=ρ,輸電電流I=,故輸電線上損失的電功率為P′=I2R=ρ=,用戶得到的功率為P用=P-P′=P.] [合 作 探 究·攻 重 難] 電能輸送中的電壓損失和電能損耗 1.降低輸電損耗的兩個(gè)途徑 (1

6、)減小輸電線的電阻r 從公式r=ρ來看,在輸電距離一定的情況下,可以增大導(dǎo)線的橫截面積,但這樣會(huì)多耗費(fèi)材料,同時(shí)也給架設(shè)施工帶來難度;還可以選用電阻率較小的導(dǎo)體. (2)減小輸電線的電流I 從公式P=IU來看,在輸送功率一定的情況下,要減小輸送電流就必須提高輸電電壓. 2.計(jì)算功率損失的幾個(gè)公式 (1)P損=I2r. (2)P損=IU損. (3)P損=. (4)P損=r. (5)P損=P送-P用.  (多選)某發(fā)電廠原來用11 kV的交流電壓輸電,后來改用升壓變壓器將電壓升高到220 kV輸電,輸電功率都是P,若輸電線路的電阻為R,則下列說法中正確的是 (  ) A.根據(jù)

7、公式I=,提高電壓后,輸電線上的電流降為原來的 B.根據(jù)公式I=,提高電壓后,輸電線上的電流增為原來的20倍 C.根據(jù)公式P損=I2R,提高電壓后,輸電線上的功率損失減為原來的 D.根據(jù)公式P=,提高電壓后,輸電線上的功率損失增大為原來的400倍 思路點(diǎn)撥:在輸電功率P一定時(shí),輸電電壓提高到原來的n倍,由輸電線上功率損失P損=I2R=·R知,輸電線上功率損失將降為原來的. AC [A、B項(xiàng),根據(jù)I=知,輸電功率不變,輸電電壓變?yōu)樵瓉淼?0倍,則輸電電流降為原來的,故A項(xiàng)正確,B項(xiàng)錯(cuò)誤.C、D項(xiàng),根據(jù)P損=I2R得,輸電電流降為原來的,則輸電線上損耗的功率減為原來的,故C項(xiàng)正確,D項(xiàng)錯(cuò)

8、誤.綜上所述,本題正確答案為A、C.] 設(shè)輸送的電功率為P,輸電電壓為U,輸電導(dǎo)線的電阻為R,則輸電線上損失的電功率為P損=I2R=R,輸電線上損失的電壓為U損=IR=R. [針對(duì)訓(xùn)練] 1.遠(yuǎn)距離輸送交流電,在一定功率的條件下,要通過提高輸電電壓來減少線路的損耗,若輸電電壓提高n倍.則(  ) A.輸電導(dǎo)線上損失的電功率不變 B.輸電導(dǎo)線的電壓損失是原來的倍 C.輸電導(dǎo)線的電功率損失是原來的倍 D.輸電導(dǎo)線的電功率損失是原來的倍 D [因?yàn)檩斔凸β室欢?,根?jù)公式P=UI可得若輸電電壓提高n倍,則輸送電流減小為原來的,設(shè)輸電線總電阻為r,則輸電導(dǎo)線上損失的電功率為P

9、損=I′2r=I2r,即損失的電功率變?yōu)樵瓉淼模珹、C錯(cuò)誤,D正確;根據(jù)歐姆定律可得輸電導(dǎo)線的電壓損失ΔU=I′r=Ir,即變?yōu)樵瓉淼?,故B錯(cuò)誤.] 2.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2P,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 D [由P=UI知I=,則輸電線上損失的功率ΔP=I2R=R,得輸電電壓U=P,若輸送的電功率增加為2P,而輸電線中損失的電功率減為,由上式得輸電電壓U應(yīng)增為4U;故D正確,A、B、C錯(cuò)誤.]

10、遠(yuǎn)距離輸電問題 解決遠(yuǎn)距離輸電問題時(shí),需要畫輸電的電路圖,理清三個(gè)回路,抓住兩個(gè)聯(lián)系,掌握一個(gè)定律. (1)畫圖,理清三個(gè)回路(如圖2-7-2所示) 圖2-7-2 (2)抓住兩個(gè)聯(lián)系 ①理想升壓變壓器聯(lián)系回路1和回路2 即=,I1n1=I2n2,P1=P2. ②理想降壓變壓器聯(lián)系回路2和回路3 即=,I3n3=I4n4,P3=P4. (3)掌握一個(gè)定律 根據(jù)能量守恒定律得P2=ΔP+P3.  有條河流,流量Q=2 m3/s,落差h=5 m,現(xiàn)利用其發(fā)電,若發(fā)電機(jī)總效率為50%,輸出電壓為240 V,輸電線總電阻r=30 Ω,允許損失功率為輸出功率的6%,為滿足用電的需

11、求,則該輸電線路所使用的理想的升壓、降壓變壓器的匝數(shù)比各是多少?能使多少盞“220 V,100 W”的電燈正常發(fā)光?(g取10 m/s2,ρ水=1.0×103 kg/m3) 思路點(diǎn)撥:解答本題可按以下思路進(jìn)行: 【解析】 輸電電路圖如圖所示. 電源端:P輸出=Qρ水 gh×50%=5×104 W 線路損耗ΔP=Ir I2=== A=10 A 輸電電壓U2== V=5×103 V 升壓變壓比:n1∶n2=U1∶U2==6∶125 輸電線損失電壓 ΔU=I2r=10×30 V=300 V U3=U2-ΔU=4 700 V,U4=220 V 降壓變壓比: n3∶n4=

12、U3∶U4=235∶11 燈盞數(shù)N= ==470(盞). 【答案】 6∶125 235∶11 470盞 處理遠(yuǎn)距離輸電問題的方法及步驟 (1)處理方法:處理遠(yuǎn)距離輸電問題的方法,關(guān)鍵是抓住一圖三線,一圖即輸電的電路圖,三線即三個(gè)關(guān)系:功率關(guān)系、電壓關(guān)系和電流關(guān)系,抓住一圖三線,按照從前到后或從后向前的順序,即可找到突破口. (2)處理輸電問題的步驟 ①畫出圖上所示的輸電過程的示意圖; ②在示意圖上標(biāo)出各物理量,找出已知量、未知量和待求量; ③圍繞三條線展開分析. [針對(duì)訓(xùn)練] 3.如圖2-7-3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

13、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,流入用戶端的電流是I2.則(  ) 圖2-7-3 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 [根據(jù)理想變壓器的工作原理,得I1U1=I2U2,所以用戶端的電壓U2=,選項(xiàng)A正確;輸電線上的電壓降U′=I1r=U-U1,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;變壓器的輸入功率P1=I1U-Ir=I1U1,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;輸電線路上損失的電功率P′=Ir=I1(U-U1),選項(xiàng)D錯(cuò)誤.] 4.(多選)為消除高壓輸電線上的冰凌,有人

14、設(shè)計(jì)了這樣的融冰思路:利用電流的熱效應(yīng)除冰.若在正常供電時(shí),高壓線上送電電壓為U,電流為I,熱耗功率為P;除冰時(shí),輸電線上的熱耗功率需變?yōu)?P,則除冰時(shí)(認(rèn)為輸電功率和輸電線電阻不變)(  ) 【導(dǎo)學(xué)號(hào):24622084】 A.輸電電流為3I   B.輸電電流為9I C.輸電電壓為3U D.輸電電壓為U AD [輸電線上的熱耗功率P線=I2R線,熱耗功率由P變?yōu)?P,則電流I變?yōu)?I,A正確;輸電功率P不變,由P=UI知,電流變?yōu)?I,輸電電壓變?yōu)閁,D正確.] [當(dāng) 堂 達(dá) 標(biāo)·固 雙 基] 1.夏天由于用電器的增多,每年夏天都會(huì)出現(xiàn)“用電荒”,只好拉閘限電.若某發(fā)電站在供電

15、過程中,用電高峰時(shí)輸電的功率是正常供電的2倍,輸電線電阻不變,下列說法正確的是 (  ) A.若輸送電壓不變,則用電高峰時(shí)輸電電流為正常供電時(shí)的2倍 B.若輸送電壓不變,則用電高峰時(shí)輸電線上損失的功率為正常供電時(shí)的2倍 C.若用電高峰時(shí)的輸送電壓變?yōu)檎9╇姷?倍,則此時(shí)輸電電流為正常供電時(shí)的4倍 D.若用電高峰時(shí)的輸送電壓變?yōu)檎9╇姷?倍,則此時(shí)輸電線損失的功率為正常供電時(shí)的4倍 A [高壓輸電時(shí)P=UI,I是輸送電路上的電流.用電高峰時(shí),若輸送電壓不變,則I為正常時(shí)的2倍,A正確;輸電線上的熱耗功率ΔP=I2R線,則熱耗功率變?yōu)檎r(shí)的4倍,B錯(cuò)誤;用電高峰時(shí),若輸送電壓加

16、倍,則I不變,與正常時(shí)相同,C錯(cuò)誤;由ΔP=I2R線,則熱耗功率不變,D錯(cuò)誤.] 2.遠(yuǎn)距離輸電中,發(fā)電廠輸送的電功率相同,如果分別采用輸電電壓為U1=110 kV輸電和輸電電壓為U2=330 kV輸電.則兩種情況中,輸電線上通過的電流之比為I1∶I2等于(  ) A.1∶1      B.3∶1 C.1∶3 D.9∶1 B [輸送功率相同,根據(jù)P=UI得,輸電電流與輸電電壓成反比,所以==.故B正確.] 3.(多選)如圖2-7-4為遠(yuǎn)距離輸電示意圖,發(fā)電機(jī)的輸出電壓U1和輸電線的電阻、理想變壓器匝數(shù)均不變,且n1∶n2=n4∶n3.當(dāng)用戶用電器的總電阻減少時(shí) (  ) 圖2

17、-7-4 A.U1∶U2=U4∶U3 B.用戶的電壓U4增加 C.輸電線上的損失功率增大 D.用戶消耗的功率等于發(fā)電機(jī)的輸出功率 AC [根據(jù)=,=以及n1∶n2=n4∶n3,知U1∶U2=U4∶U3,故A正確;用戶用電器總電阻減小,則電流增大,所以輸電線上的電流增大,根據(jù)P損=I2r知,輸電線上損耗的功率增大,根據(jù)ΔU=Ir知,輸電線上的電壓損失變大,發(fā)電機(jī)的輸出電壓不變,則升壓變壓器的輸出電壓不變,則降壓變壓器的輸入電壓變小,用戶的電壓U4減小,故C正確,B錯(cuò)誤;用戶消耗的功率等于發(fā)電機(jī)的輸出功率與輸電線上損失的功率之差,故D錯(cuò)誤.] 4.(多選)在如圖2-7-5所示的遠(yuǎn)距離輸

18、電電路圖中,升壓變壓器和降壓變壓器均為理想變壓器,發(fā)電廠的輸出電壓和輸電線的電阻均不變,隨著發(fā)電廠輸出功率的增大,下列說法中正確的有 (  ) 圖2-7-5 A.升壓變壓器的輸出電壓增大 B.降壓變壓器的輸出電壓增大 C.輸電線上損耗的功率增大 D.輸電線上損耗的功率占總功率的比例增大 CD [發(fā)電廠的輸出電壓不變,升壓變壓器的輸入電壓不變,輸出電壓不變,選項(xiàng)A錯(cuò)誤;隨著發(fā)電廠輸出功率的增大,輸電線中電流增大,輸電線上損失的電壓(ΔU=IR)增大,降壓變壓器的輸入電壓減小,降壓變壓器的輸出電壓減小,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;隨著發(fā)電廠輸出功率的增大,輸電線中電流增大,輸電線上損耗的功率(ΔP=I2R)增大,選項(xiàng)C正確;輸電線上損耗的功率ΔP=I2R=()2R,輸電線上損耗的功率占總功率的比例=P輸,選項(xiàng)D正確.] 9

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