粵教高中物理選修(3-2)第二章《遠(yuǎn)距離輸電》學(xué)案

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1、2019最新粵教版高中物理選修（3-2）第二章《遠(yuǎn)距離輸電》學(xué)案 ［學(xué)習(xí)目標(biāo)定位］1.理解輸電線上電能的損失與哪些因素有關(guān) .2.理解減小電能損失的兩個途 徑以及高壓輸電的原理.3.知道遠(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 際問題. 混打啤本溯海推麻方可即知 知識,儲備區(qū) X知識鏈接 1 .電阻定律：在溫度不變時，同種材料的導(dǎo)體，其電阻R與它的長度l成正比，與它的橫截面 積S成反比，導(dǎo)體電阻與構(gòu)成它的材料有關(guān) ，即R=《. 2 .電功率 P=UI,熱功率 P= I2R. 3 .理想變壓器原、副線圈的三個關(guān)系： 新知呈現(xiàn) 一、從發(fā)電站到用戶的輸電線路 遠(yuǎn)

2、距離輸電過程：發(fā)電機輸出的電壓通過變壓器升高到幾十萬伏 ，然后進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸電.當(dāng) 電能被輸送到用電區(qū)域后，再用變壓器將電壓降低. 二、為什么要用高壓輸電 減小電能損失的方法有兩種： （1）減小導(dǎo)線的電阻.（2）減小輸電導(dǎo)線中的電流，即提高輸電 的電壓. 三、直流輸電：現(xiàn)代的直流輸電 ，只有輸電這個環(huán)節(jié)使用高壓直流 ，發(fā)電、用電及升、降電壓 仍然是交變電流. 基礎(chǔ)自學(xué)落實 重臣瓦司探究 學(xué)習(xí)?探究區(qū) 一、降低輸電損耗的兩個途徑 ［問題設(shè)計］ 如圖1所示，假定輸電線路中的電流是 I,兩條導(dǎo)線的總電阻是 r,在圖中導(dǎo)線電阻集中畫為 r, 輸送功率為P發(fā)電廠輸出的電壓為 U.那

3、么： 12 / 10 (1)遠(yuǎn)距離大功率輸電面臨的困難是什么？ (2)輸電線上功率損失的原因是什么？功率損失的表達(dá)式是什么？降低輸電損耗的兩個途徑 是什么？ (3)為什么遠(yuǎn)距離輸電必須用高壓呢？ 答案(1)在輸電線上有功率損失. (2)由于輸電線有電阻，當(dāng)有電流流過輸電線時 ，有一部分電能轉(zhuǎn)化為電熱而損失掉了.這是 輸電線上功率損失的主要原因. 功率損失表達(dá)式： AP= I2r,所以降低輸電損耗的兩個途徑為：①減小輸電線的電阻 r；②減 小輸電電流I. (3)因為發(fā)電廠的輸出功率 P是一定的，由P= UI得，要減小輸電電流I,必須提高輸出電壓 U. ［要點提煉］

4、 輸電線上的電壓損失和功率損失(設(shè)輸電線上電阻為 R,電流為I) 1 .電壓損失 輸電線始端電壓 U與輸電線末端電壓 U的差值.AU=U-UI，= IR. 2 .功率損失 (1)遠(yuǎn)距離輸電時，輸電線有電阻，電流的熱效應(yīng)引起功率損失，損失的電功率 AP=I2R. (2)若輸電線上損失的電壓為 A U則功率損失還可以表示為 AP=JzU2 A UI - I. R 3 .減小電壓、功率損失的方法 (1)減小輸電線的電阻 定時，使用電阻率小的材料 ，增大導(dǎo)體橫截面積可減小電阻. (2)減小輸電電流I 由P= UI可知，當(dāng)輸送功率一定時，升高電壓可以減小電流. ［延

5、伸思考］為什么在用電高峰期家中的白熾燈燈光較暗？ 答案 用電高峰期到用戶家中的輸電線電流 I較大,輸電線上損失的電壓 AU= IR較大，用戶 得到的電壓U —AU變低，達(dá)不到額定電壓，因此白熾燈燈光較暗. 二、遠(yuǎn)距離輸電電路中的各種關(guān)系 ［問題設(shè)計］ 某發(fā)電站向遠(yuǎn)處送電的示意圖如圖 2所示，其中各部分的物理量已在圖上標(biāo)注 ，在這個電路中 包括三個回路. 升壓變壓器 降壓變壓器 圖2 ⑴結(jié)合閉合電路的知識，分別分析三個回路中各物理量之間的關(guān)系 (發(fā)電機內(nèi)阻、n1、n2、 n3、n4線圈的電阻均忽略不計). (2)每個變壓器中的電流、電壓、功率有什么關(guān)系？ 答案 (1)

6、第一個回路：P1=U1I1 第二個回路：U2= AU+U3,P2= AP+P3= I2IR+P3 第三個回路：P4= U4I4 (2)若兩個變壓器為理想變壓器 則有.U1=n1、11=嗎吁P2； U3=n3、里/、P3= , U2 n2 I2 n1 U4 n4 I4 n3 P4. ［要點提煉］ 遠(yuǎn)距離輸電問題的分析 1 .解決遠(yuǎn)距離車^電問題時，應(yīng)首先畫出輸電的電路圖，并將已知量和待求量寫在電路圖的相 應(yīng)位置(參考圖2). 2 .分析三個回路，在每個回路中，變壓器的原線圈是回路的用電器 ，而相應(yīng)的副線圈是下一個 回路的電源. 3 .綜合運用下面三方面的知識求解 (1

7、)能量守恒： P= U1I1 = U2I2 = P 用戶+ AP AP= I2R P 用戶=U3I3 = U4I4. (2)電路知識：U2= AU+ U3 AU= I2R (3)變壓器知識: U3 I4 n3 U1_I2_n1 U2=I1 =n2 U4 I3 n4- 其中AP= I2R,AU=I2R往往是解題的切入點. X典例精析 一、輸電線上功率損失的計算 【例1 三峽電站某機組輸出的電功率為 50萬千瓦. ⑴若輸出的電壓為20萬伏,則輸電線上的電流為多少？ (2)某處與電站間每根輸電線的電阻為 10歐，則輸電線上損失的功率為多少？它占輸出功率 的幾分之

8、幾？ (3)若將電壓升高至 50萬伏，輸電線上的電流為多少？輸電線上損失的功率又為多少？它占 輸出功率的幾分之幾？ 在刀工己 , I”/日? P 5M08 W 斛析⑴由 P=UI 倚 I =U= 2X105 V = 2 500 A (2)輸電線上損失的功率 AP= 12 2r = 2 5002 2M0 W=1.25 108 W 損失功率與輸出功率之比為 1汽 譽=1 P 5X108 4 (3)將電壓升高至 50萬伏時,I = P U 5M08 W 5M05 V =1 000 A 輸電線上損失的功率 AP= I 2 =2r 0002 >2X10 W= 2X107

9、 W 損失功率與輸出功率之比為仁聾7=點 P 5 A108 25 ，一 1 答案 (1)2 500 A (2)1.25 108 W 4 1 (3)1 000 A 2X107 W — 25 二、遠(yuǎn)距離輸電問題 【例2 發(fā)電機的輸出電壓為 220 V,輸出功率為44 kW,輸電導(dǎo)線的電阻為 0.2 ◎如果用原、 副線圈匝數(shù)之比為 1 ： 10的升壓變壓器升壓，經(jīng)輸電線后，再用原、副線圈匝數(shù)比為 10 ： 1的 降壓變壓器降壓供給用戶，則： (1)畫出全過程的線路示意圖; ，求用戶得到的電壓和功率. (2)求用戶得到的電壓和功率； (3)若不經(jīng)過變壓而直接將電送到用戶 解

10、析(1)示意圖如圖所示 (2)升壓變壓器的輸出電壓 n2 10 U2 = /U1 =彳 X220 V = 2 200 V ，升壓變壓器輸出電流為 根據(jù)升壓變壓器輸出功率等于輸入功率知 P 44 M03 12 = U2- 2 200 A = 20 A 輸電線路上的電壓損失和功率損失分別為 UR= I2R = 20>0.2 V = 4 V PR= I2R= 202 >0.2 W= 80 W 降壓變壓器上的輸入電流和輸入電壓分別為 I3= I2=20 A U3=U2-UR = 2 200 V-4 V=2 196 V n4 1 降壓

11、變壓器上的輸出電壓和輸出電流分別為 U4 = n3U3 = - X2 196 V = 219.6 V n3 I4=n4I3= 10 >20 A = 200 A 用戶得到的功率為 P4= I4U4 = 200X219.6 W= 4.392 104 W (3)若不采用高壓輸電，用220 V低壓直接供電時，電路如圖所示，則 輸電電流I = 1三=44普 A = 200 A,輸電線路上的電壓損失 UR = U1 220 IR= 200>0.2 V= 40 V 所以用戶得到的電壓為 U4= U1 — UR = 220 V-40 V= 180 V 用戶得到的功率為 P4=IU4=

12、200X180 W = 3.6 M04 W 答案 （1）見解析圖 （2）219.6 V 4.392 >104 W （3）180 V 3.6 104 W ⑥課堂要點小結(jié) 1輸電的要求:可靠，保質(zhì)、經(jīng)濟(jì) 減小輸電線上的電壓、/提高輸電電壓 遠(yuǎn)距離 輸電 功率損失的方法 減小輸電發(fā)電阻 遠(yuǎn)距離輸 電線路 發(fā) 電 站 升壓變壓器 降壓變壓器 用 戶 檢測學(xué)習(xí)效果慷驗成功快樂 自我?檢測區(qū) 1 .（輸電線上功率損失的計算）（單選）已投產(chǎn)運行的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 5

13、00 kV的超高壓輸電，輸電線上損耗的電功率為 P. 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，若不考慮其 他因素的影響，則輸電線上損耗的電功率將變?yōu)?（ ） P P A.4 B.2 C. 2P D. 4P 答案 A 解析 在超高壓輸電中，設(shè)輸送電功率為 P輸電電壓為 U,輸電線電阻為 R,則輸電線上損耗 的電功率為P= ?R,當(dāng)輸電電壓升為原來的 2倍時，輸電線損耗的電功率變?yōu)樵瓉淼?《故 選A. 2 .（輸電線上功率損失的計算）（雙選）在遠(yuǎn)距離輸電時，輸送的電功率為 P輸送電壓為U,所用 導(dǎo)線的電阻率為 p橫截面積為S,總長度為L,

14、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 （ ,U2S a. p=r p L C. P用=P-U2S p L 答案 BD P2 P L B P= B U2S D. P用=P(1 — Pp U2S 解析輸電線電阻R=點 P 輸電電流i=u， 故輸電線上損失的電功率為: P= I2R = P2 P L (U)2 S U2S 用戶得到的功率為： E , P P用=P- P=P（1 -詼. 故選B、D. 3 .（遠(yuǎn)距離輸電問題）（雙選）在如圖3所示的遠(yuǎn)距離輸電電路圖中，升壓變壓器和降壓變壓器 均為理想變壓器

15、，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（ ） 升壓變壓器 降壓變壓器 圖3 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 答案 CD 解析 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A錯誤；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 （AU= 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B錯誤；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（AP

16、= I2R）增大,選項C正確；輸電線上損耗的電功 率AP= I2R= ?黑 2R,輸電線上損耗的功率占總功率的比例 .=點^輸，選項D正確. W輸」 P輸U2t 40分鐘課時作業(yè) 題組一減小輸電損失的途徑 1.（單選）中央電視臺《焦點訪談》多次報導(dǎo)某些邊遠(yuǎn)落后農(nóng)村電價過高 ，農(nóng)民負(fù)擔(dān)過重，其 客觀原因是電網(wǎng)陳舊老化.近來 ，農(nóng)村進(jìn)行電網(wǎng)改造，為減少遠(yuǎn)距離輸電的損耗而降低電費價 格可采取的措施有（） A.提高輸送功率 B.增大輸送電流 C.提高輸電電壓 D.減小輸電導(dǎo)線的橫截面積 答案 C 解析 電費高低與線路損耗有關(guān) ，損耗越大，電費越高，減少損耗的途徑：一、減小輸電導(dǎo)線

17、 中的電流，即可提高輸電電壓；二、減小輸電線的電阻 ，即增大導(dǎo)線的橫截面積，故C正確. ，下列表述正確的是 2.（雙選）如圖1所示為遠(yuǎn)距離高壓輸電的示意圖.關(guān)于遠(yuǎn)距離輸電 （ ） 發(fā)電站 升壓變壓器 圖1 A .增大輸電導(dǎo)線的橫截面積有利于減少輸電過程中的電能損失 B.高壓輸電是通過減小輸電電流來減少電路的發(fā)熱損耗 C.在輸送電壓一定時，輸送的電功率越大，輸電過程中的電能損失越小 D.高壓輸電一定是電壓越高越好 ，所以我們要盡可能地提高輸送電壓 答案 AB 解析 依據(jù)輸電原理，電路中的功率損耗 AP= I2R線，而R線=pl/S曾大輸電導(dǎo)線的橫截面 積，可減小輸

18、電線的電阻，則能夠減小輸電過程中的電能損失 ，選項A正確；由P輸=UI知，在 輸送功率P輸一定的情況下，輸送電壓U越大，則輸電電流I越小，則電路中的功率損耗越小, 選項B正確；若輸電電壓一定，輸送功率P輸越大，則電流I越大，電路中損耗的電功率越大， 選項C錯誤；因為輸電電壓越高 ，對于安全和技術(shù)白^要求也越高 ，因此并不是輸電電壓越高 越好，高壓輸電必須綜合考慮各種因素 ，選項D錯誤.所以該題正確選項為 A、B. 題組二輸電線上功率損失的計算 3.（單選）輸電線路的總電阻為 R,發(fā)電站輸出功率為 P,輸電電壓為 U,則用戶得到的功率為 （ ） P A. P B. P一（短2 R

19、 C. P — U2 D. (P)2 R 答案 B P 解析 用尸得到功率P得=P—I2R = P—（石）2 R,所以B正確. 4.（單選）發(fā)電廠發(fā)電機的輸出電壓為 導(dǎo)線的電流為 I,輸電線末端的電壓為 U1,發(fā)電廠至用戶的輸電導(dǎo)線的總電阻為 R,通過輸電 A. U2 R B. UI-U2 2 U2,下面選項不能表示輸電導(dǎo)線上損耗的功率的是 C. I2R D. I（U1—U2） 答案 A 解析 輸電線上功率損耗 AP=I2R = ^U2= I - AU, AU=U1 —U2,本題選A正確. R 5.（單選）輸電導(dǎo)線的總電阻為 R,輸送電功率為 P現(xiàn)分另用U

20、1和U2兩種電壓來輸電，則兩 次輸電線上損失的功率之比為 （ ） A. U1 ： U2 B. U2 ： U2 D. U2 ： U1 C. U2 : U2 答案 C 解析由P=UI得輸電線中的電流 在輸送功率和輸電線電阻不變的情況下 i=。輸電線上損失的功率 p損=匹=增/=蕾，即 ，損失的功率與輸電電壓的平方成反比.所以兩次輸 電線上損失的功率之比 P損1 ： P損2=U2 ： U2,選項C正確. 220 kV 6.（雙選）某發(fā)電廠原來用 11 kV的交變電壓輸電，后來改用升壓變壓器將電壓升到 輸電，輸送的電功率都是 P若輸電線路的電阻為 R,則下列說法中正確的是（ ）

21、 ,_ , P 1 A .根據(jù)公式1=5提高電壓后輸電線上的電流降為原來的 20 B.根據(jù)公式I = U,提高電壓后輸電線上的電流增為原來的 20倍 R 1 400 ，一， … P2 , C.根據(jù)公式P損=I2R = U2R,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損=4，提高電壓后輸電線上的功率損失增大為原來的 400倍 答案 AC 解析 輸電線上電流為I=UP，也可以用1 =普來表示，其中AU為輸電線上電阻 R兩端的電 壓,而不是輸送電壓，故A正確,B錯誤；輸電線上的功率損失為 P損=I2R = pR,C正確；如 果用P損=U2,則U應(yīng)

22、為R兩端的電壓A U故D錯誤. R 題組三 遠(yuǎn)距離輸電問題 7 .（雙選）某小型水電站的電能輸送示意圖如圖 2所示,發(fā)電機的輸出電壓為 200 V,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（ ） 升壓變依器 降JK變壓器  An2>n3 n1 n4 n2 n3 B.ni

23、的輸出功率大于降壓變壓器的輸入功率 ，故選 U2 n2 U3 n3 一 小上”2 n3、工工 項 D 正確 ui= m，U4= n4,因為 U1 = 200 VU3 =U2-U 線，故/>五,選項 A 正確. 8 .（單選）某農(nóng)村水力發(fā)電站的發(fā)電機的輸出電壓穩(wěn)定 ，它發(fā)出的電先通過發(fā)電站附近的升壓 變壓器升壓，然后用輸電線路把電能輸送到遠(yuǎn)處村寨附近的降壓變壓器.經(jīng)變壓器降壓后 ，再 用線路接到各用戶，設(shè)兩變壓器都是理想變壓器 ，那么在用電高峰期，白熾燈不夠亮，但用電總 功率增加，這時（ ） ①升壓變壓器的副線圈的電壓變大 ②高壓輸電線路的電壓損失變大

24、 ③降壓變壓器的副 線圈上的電壓變大 ④降壓變壓器到各用戶的輸電線上的電壓損失變大 A.①② B.②③ C.③④ D.②④ 答案 D 解析 用電高峰期 用戶端總電阻由于并聯(lián)白熾燈增多而減小 ，電流增大，又由U損=Ir可知, 輸電導(dǎo)線上的電壓損失變大 ，升壓變壓器副線圈的電壓不變 ，降壓變壓器原、副線圈上的電壓 變小，而降壓變壓器到各用戶的輸電線上的電壓損失變大.故正確答案為 D. 9 .（雙選）一臺發(fā)電機最大輸出功率為 4 000 kW,電壓為4 000 V,經(jīng)變壓器T1升壓后向遠(yuǎn)方 輸電，輸電線路總電阻 R線=1 kQ到目的地經(jīng)變壓器 T2降壓，負(fù)載為多個正常發(fā)光的燈泡

25、（220 V、60 W）.若在輸電線路上消耗的功率為發(fā)電機輸出功率的 10%,變壓器T1和T2的 損耗可忽略，發(fā)電機處于滿負(fù)荷工作狀態(tài)，則（ ） 103 A 和 20 A 1.8 M05 V 和 220 V A. T1原、副線圈電流分別為 B. T2原、副線圈電壓分別為 C. T1和T2的變壓比分別為1 ： 50和40 ： 1 D.有5M04盞燈泡（220 V、60W）正常發(fā)光 答案 AB 解析根據(jù)題意畫出輸電線路示意圖如圖所示. 升壓變壓器 降壓變虛器 對升壓變壓器有 P1 = U1I1,可知11=103 A,由輸電線上消耗的功率 AP= I2R線=400 kW可

26、知,輸電線上電流為I2 = 20 A,A項正確；T1的變壓比為n1 ： n2= I2 ： I1 = 1 ： 50;根據(jù)P1 = U2I2得U2 = 2M05 V,輸電線上電壓 U線=I2R線=20 000 V,則變壓器 T2的輸入電壓為 U3 = U2—U線=1.8 >105 V,又燈泡正常發(fā)光，可知T2的輸出電壓 U4為220 V,B項正確；T2的 變壓比為 n3： n4=U3 : U4=1.8M05 : 220,C項錯誤；降壓變壓器的輸入功率等于輸出功 率U3I3=60 W?n,解得n=6X104,D項錯誤. 10 .某發(fā)電站通過燃燒煤來發(fā)電.發(fā)電站通過升壓變壓器、輸電線和降壓變壓器把

27、電能輸 送給生產(chǎn)和照明用戶，發(fā)電機輸出功率是 120 kW,輸出電壓是 240 V,升壓變壓器原、副線圈 的匝數(shù)之比為1 ： 25,輸電線的總電阻為 10 ◎用戶需要的電壓為 220 V,則： (1)輸電線上損失的電功率為多少？ (2)降壓變壓器原、副線圈的匝數(shù)比為多少? 答案 解析 U1 —= U2 290 (1)4 000 W (2)不~ (1)根據(jù)理想變壓器的變壓規(guī)律 n1得輸電電壓 n2 U2 = n2U1 =學(xué) X240 V = 6 000 V n1 1 輸電電流12 =看=嚕器A=20 A U2 6 000 輸電線上損失的功率 A P= I2r=

28、 202X10 W=4 000 W. (2)輸電線上損失的電壓 AU= 12r=20M0 V = 200 V 降壓變壓器原線圈兩端的電壓 U3= U2- AU=6 000 V-200 V = 5 800 V 根據(jù)理想變壓器的變壓規(guī)律得： n3^= U3 = 5 800 V _ 290 (升壓變壓器和降壓 n7一 U4 — 220 V — 7T. 11 .發(fā)電站通過升壓變壓器、輸電導(dǎo)線和降壓變壓器把電能輸送到用戶 變壓器都可視為理想變壓器 ). (1)畫出上述輸電全過程的線路圖； (2)若發(fā)電機的輸出功率是 100 kW,輸出電壓是250 V,升壓變壓器的原、副線圈的匝數(shù)

29、比為 1 ： 25,求升壓變壓器的輸出電壓和輸電導(dǎo)線中的電流； 4%,求輸電導(dǎo)線的總電阻和降壓 (3)在(2)中條件下若輸電導(dǎo)線中的電功率損失為輸入功率的 16 A 變壓器原線圈兩端的電壓； (4)計算降壓變壓器的輸出功率. 答案 (1)見解析圖 (2)6 250 V (3)15.625 您 000 V (4)96 kW 解析⑴ 或 、 r , U2 n2 , (2)對升壓變壓器，據(jù)公式 丁 =肉,有 n2 25 U2 = /U1 =— X250 V =6 250 V P2 P1 100 000 I2=U2=U2= 6 250 A=16 A (3)P 損=I2R 線尸損=0.04 P1 0.04P1 4 000 所以：R 線=丁丁 = 762-◎= 15.625 因為 AU=U2-U3 = I2R 線 所以 U3=U2 —I2R 線=(6 250— 16X15.625) V = 6 000 V (4)P4 = P1 — P 損=0.96P1 = 0.96 100 000 W= 96 000 W= 96 kW.