物理选择性必修 第二册第3章 交变电流与远距离输电第4节 电能的远距离输送教学课件ppt

这是一份物理选择性必修 第二册第3章 交变电流与远距离输电第4节 电能的远距离输送教学课件ppt，共45页。PPT课件主要包含了课前自主学习，I2R，输电线电阻，输电电，输电电压U，减小电流I，输送的功率的大小，输电电压，整流器，高压直流电流等内容，欢迎下载使用。
一、采用高压输电的原因任务驱动　远距离输电为什么要采取高压输电呢？提示：这与远距离输电中的电功率损失有关。1.电流流过输电导线时，电流的热效应会引起电功率的损失。损失的电功率P=___，因此，要减小输电时的电功率损失，需要减小___________和__________。2.由P=UI可知，在保证输电功率P不变的情况下，必须提高__________，才能__________。
3.进行远距离输电时，要综合考虑_________________、_____和_____等各种因素，选择恰当的_________。输电电压为_______________的线路，称为高压输电线路；输电电压为_________________________的线路，称为超高压输电线路；输电交流电压为___________________________________的线路，称为特高压输电线路。 4.输电线路：
110 kV、220 kV
330 kV、550 kV乃至750 kV
1 000 kV(直流电压为±800 kV)及以上
二、高压交流输电与直流输电任务驱动　高压直流输电有哪些优点？提示：不存在感抗和容抗引起的电能损失等等。1.高压直流输电系统的程序：交变电流升压后输送到_______，把高压交变电流变换成_____________，经由_____________输送到用电地区后，将______________变换成_____________，再经___________降压。
2.高压直流输电的优越性：直流输电适于地下和水下电缆输电，不会受到_____和_____的影响；在输送相同电功率的电能时，直流输电所用的线材约为交流输电的三分之二；同时，直流输电杆塔结构也比同容量的交流输电_____，占地面积___；直流输电时，不需要考虑电网中的各台交流发电机的_________问题。
三、电能的利用和社会发展1.发电机、电动机在工业上运用的优越性：电能通过发电厂和电力网实现了_________、_________，便于_____和_____；与蒸汽机相比，电动机_____、_____、_________，更加广泛地应用于工业生产领域。2.电能是_________，目前使用的电能，主要来自_________________________等其他形式的能量，这些能量转换为电能都离不开_______。3.把电能转换为动力，离不开_______。
热能、水能、原子能、风能
主题一　高压输电的原理任务　理解采取高压输电的原因【生活情境】在如图所示的输电示意图中，假设两条输电线的总电阻为R，输送的功率为P，发电厂输出的电压为U，输电电流为I。
【问题探究】(1)减少输电线上的功率损失的途径有哪些？提示：减小输电线的电阻R、减小输电电流I。(2)减少输电线上的功率损失为什么要依靠高压输电？提示：①由电阻定律R=ρ 可知，在输电线长度l一定时，可选用电阻率ρ较小的铜或铝做导线；还可增大导线的横截面积。但这样会耗费大量的金属材料，输电线太重给架设带来困难。②在线路和输送功率P不变时，由P=UI可知，提高输电电压可减小电流，从而大大减少功率损失。
(3)什么是输电线路上的电压损失？怎样减少电压损失？提示：输电线路始端电压U与末端电压U′的差值ΔU=U-U′，称为输电线路上的电压损失，也就是输电线上的电势降落，即ΔU=IR。减小电阻、提高输电电压以减小输电电流，可以减小输电线路上电压损失。(4)“提高电压，降低电流”与欧姆定律矛盾吗？提示：不矛盾。欧姆定律是对纯电阻元件而成立的定律，而“提高电压，降低电流”是从输送角度，由P=IU，且在P一定的条件下得出的结论，两者没有联系。
【结论生成】1.减小输电线路上功率损失的方法主要有两种：(科学思维)(1)减小输电线的电阻R，根据R=ρ 可知：①减小输电线长度l：由于输电距离一定，所以在实际中不可能用减小l来减小R。②减小电阻率ρ：目前一般用电阻率较小的铜或铝作导线材料。③增大导线的横截面积S：这要耗费更多金属材料，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= 可知：①减小输送功率P：在实际中不能以用户少用或不用电来达到减少损耗的目的。②提高输电电压U：在输送功率P一定，输电线电阻R一定的条件下，输电电压提高到原来的n倍，据P损=( )2R知，输电线上的功率损耗将降为原来的 。故采用高压输电是减小输电线上功率损耗最有效、最经济的措施。2.输电导线损失电压的计算误区：(物理观念)在已知输电电压U和导线电阻R的情况下，不能用I= 计算输电电流，因为导线电阻R上的电压不是输电电压U。同样原因，也不能够用ΔP= 计算输电导线上的功率损失。
【典例示范】如图为远距离输电线路的简化电路图。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，流入用户端的电流为I2。则(　　)A.用户端的电压为 B.输电线上的电压降是UC.理想变压器的输入功率为 rD.输电线路上损失的电功率为I1U
【解题指南】解答本题应注意以下两点：(1)理想变压器的输入功率由输出功率决定。(2)远距离输电过程中的功率、电压的损失与哪些因素有关。
【解析】选A。由于输电线与用户间连有一理想变压器，设用户端的电压是U2，则U1I1=U2I2，得U2= ，故A正确；发电厂的输出电压是U，所以输电线上的电压降不可能是U，故B错误；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，所以输电线路上损耗的功率是 r，这个功率并不是理想变压器的输入功率，故C错误；发电厂的输出电压是U，末端间的电压为U1，输电线路上损失的电功率是I1(U-U1)，故D错误。
【规律方法】计算输电线上功率损耗的方法(1)ΔP=I2R，I为输电线上的电流，R为线路电阻。(2)ΔP= ，U线为输电线路上损失的电压，R为线路电阻。(3)ΔP=U线·I，U线为输电线上损失的电压，I为线路上的电流。
【探究训练】(多选)(2020·全国Ⅱ卷)特高压输电可使输送中的电能损耗和电压损失大幅降低。我国已成功掌握并实际应用了特高压输电技术。假设从A处采用550 kV的超高压向B处输电，输电线上损耗的电功率为ΔP，到达B处时电压下降了ΔU。在保持A处输送的电功率和输电线电阻都不变的条件下，改用1 100 kV特高压输电，输电线上损耗的电功率变为ΔP′，到达B处时电压下降了ΔU′。不考虑其他因素的影响，则(　　)A.ΔP′= ΔPB.ΔP′= ΔPC.ΔU′= ΔUD.ΔU′= ΔU
【解析】选A、D。由电功率公式得ΔP=I2R， 输电线上电压下降ΔU=IR，输电电流为I= ，在输送的电功率和输电线电阻都不变时，U变为原来的2倍，电流变为原来的 ，则ΔP′= ΔP，ΔU′= ΔU，选项A、D正确，B、C错误。
【补偿训练】(多选)在电能输送过程中，若输送的电功率、输电线电阻一定，则在输电线上损耗的电功率(　　)A.和输送电压的二次方成反比B.和输送电流的二次方成反比C.和输电线上的电压降的二次方成正比D.和输送电流的二次方成正比
【解析】选A、C、D。此题考查了输电线上的功率损失和导线电阻、输送电压、导线上的电压损失、输电电流的关系。输电线上的功率损失ΔP=I2R，电压损失ΔU=U-U′=IR，输电电流I= ，所以ΔP=I2R= R。可见，在输送功率P、输电线电阻R一定时，ΔP与I2成正比，与(ΔU)2成正比，与U2成反比。
主题二　高压输电过程的分析和计算【生活情境】如图为远距离输电的基本过程示意图。
【问题探究】(1)一般远距离输电电压要经历几次变化？提示：发电机组输出电压10 kV，用变压器升压到几百千伏，在“一次变电站”降到100 kV左右， “二次变电站”降到10 kV左右，低压变电站降到220 V或380 V。
(2)最简单的远距离输电电路是如何构成的？提示：如图所示，最简单的输电电路的构成：发电机、升压变压器、输电导线、降压变压器、用户。
【结论生成】1.远距离输电电路的特点：远距离输电的简化电路原理图，可以划分为三个回路，如图所示。(物理观念)
2.远距离输电线路的三个回路、两个联系和一个定律的有关关系：(科学思维)
【典例示范】如图所示，学校有一台应急备用发电机，内阻为r=1 Ω，升压变压器匝数比为n1∶n2=1∶4，降压变压器的匝数比为n3∶n4=4∶1，输电线总电阻为R线=4 Ω，全校有22间教室，每间教室安装“220 V　40 W”的电灯6盏，要求所有的电灯都正常发光，求： (1)输电线上损耗的电功率P损；(2)发电机的电动势E。
【解析】(1)所有电灯正常发光时消耗的功率为P灯=40×22×6 W=5 280 W=P4由于电灯正常发光，降压变压器副线圈两端电压U4=220 V所以降压变压器原线圈两端电压U3= ×220 V=880 V两变压器之间输电线上的电流为I线= A=6 A输电线上损失的功率P损= R线=62×4 W=144 W。
(2)输电线上损失的电压U损=I线R线=6×4 V=24 V升压变压器副线圈两端电压U2=U3+U损=(880+24) V=904 V升压变压器原线圈两端电压U1= ×904 V=226 V升压变压器原线圈中的电流I1= I线= ×6 A=24 A发电机内阻上的电压：Ur=I1r=24 V发电机的电动势E=U1+Ur=226 V+24 V=250 V。
答案：(1)144 W　(2)250 V
【探究训练】某小型实验水电站输出功率是20 kW，输电线路总电阻是6 Ω。(1)若采用380 V电压输电，求输电线路损耗的功率和用户得到的电压；(2)若改用5 000 V高压输电，用户端利用n1∶n2=22∶1的变压器降压，求用户得到的电压。
【解析】(1)输电线上的电流为：I= A≈52.63 A输电线路损耗的功率为：P损=I2r=52.632×6 W≈16 620 W=16.62 kW用户得到的电压为：U1=U-Ir=(380-52.63×6) V=64.22 V。
(2)改用高压输电后，输电线上的电流变为：I′= A=4 A用户端在变压器降压前获得的电压U1′=U′-I′r=(5 000-4×6) V=4 976 V根据 用户得到的电压为U2′= U1′= ×4 976 V≈226.18 V答案：(1)16.62 kW　64.22 V　(2)226.18 V
【补偿训练】如图所示，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1∶25。
(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。
【解析】(1)对升压变压器，据公式 ，有U2= U1= ×250 V=6 250 VI2= A=16 A
(2)P损= R线，P损=0.04P1所以R线= =15.625 Ω因为ΔU=U2-U3=I2R线所以U3=U2-I2R线=6 000 V。答案：(1)6 250 V　16 A　(2)15.625 Ω　6 000 V
1.(多选)如图为远距离高压输电的示意图，关于远距离输电，下列表述正确的是(　　)
A.增加输电导线的横截面积有利于减小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
【解析】选A、B、D。根据输电原理，电路中的功率损耗ΔP=I2R线而R线=ρ ，增大输电线的横截面积，输电线的电阻会减小，则能减小输电线上的功率损失，A对；由P=UI可知，P一定的情况下，输送电压U越大，I越小，ΔP越小，B对；若输电电压一定，输送功率越大，则电流I越大，ΔP越大，C错；输电电压并不一定越高越好，因为电压越高，对于安全和技术的要求越高，D对。
2.(多选)为清除高压输电线上的凝冰，有人设计了利用电流的热效应除冰的融冰方法。若在正常供电时，高压线上输电电压为U，电流为I，热消耗功率为P损；除冰时，输电线上的热功率需要变为9P损，则除冰时(认为输电功率和输电线电阻不变)(　　)A.输电电流为3I　　　B.输电电流为9IC.输电电压为3UD.输电电压为 U
【解析】选A、D。输电线上损失的功率为P损=I2R线=( )2R线，由该式可知要使P损增大为原来的9倍，输电电流应变为原来的3倍或输电电压变为原来的 ，故选项A、D正确。
3.某发电机的输出功率为10 kW，输出电压为500 V，输电导线总电阻为5 Ω，允许输电导线上损失的功率为总功率的5%，用户所需电压为220 V。请设计供电电路并计算升压变压器和降压变压器的匝数比。
【解析】输电电路如图所示。 发电机输出功率P=10 kW，设通过发电机的电流为I1，输电导线上电流为I2，则有P损=5%×10×103 W=500 W