鲁科版 (2019)选择性必修 第二册第4节 电能的远距离输送教学演示课件ppt

这是一份鲁科版 (2019)选择性必修 第二册第4节 电能的远距离输送教学演示课件ppt，共60页。PPT课件主要包含了必备知识·素养奠基，热效应，I2R，整流器，交变电流，结构简单，同步运行，原子能，发电机，生产率等内容，欢迎下载使用。
一、采用高压输电的原因1.两种损失：
2.高压输电：在保证输送电功率P不变的前提下提高输送电压，会减小_____，从而减小导线上的电功率损失和电压损失。
二、高压交流输电与直流输电1.高压交流输电：(1)交流输电的缺陷：交流输电电路中不仅有电阻，而且还有电感和_____。(2)交流输电并网的要求：①并联输电线中的交变电流相位必须_____。②交变电流的频率必须_____。
2.高压直流输电：(1)工作程序：交变电流升压后输送到_______，把高压交变电流变换成高压直流电流，经高压直流线路输送到用电地区后，将高压直流电流变换成高压_________，再经降压变压器降压。
(2)高压直流输电的优点：①节约线材；输电杆塔_________，占地面积小。②不存在_____和_____引起的损耗。③不需要考虑电网中各台交流发电机的_________问题。
3.在输电过程中下列符合事实的是_____①在输送功率和输电电压一定时，使用同种材料的导线时，越粗的导线损失的电压越小。②从发电厂发出的电输送到用户均需要采用高压输电。③使用升压变压器和降压变压器进行远距离输电时，用户得到的电压可以高于发电机输出的电压。
三、电能的利用与社会发展1.电能的优点：电能通过发电厂和电力网实现了集中生产，分散使用，便于_____和分配。电动机灵活、_____、适应力强，更加广泛地应用于工农业生产领域。2.电能的来源及转化：电能是二次能源，主要来自热能、水能、_______、风能等其他形式的能，这些能量转化为电能都离不开_______。3.电能的社会价值与弊端：电能的利用提高了劳动_______，解放了劳动者。但不可再生能源的过度开发和利用，又带来了水土流失、_________、生态失衡等严重后果。
一　输电线上的电压和电能损失考查角度1 计算输电线上的电压损失和功率损失1.电压损失：由于输电导线有电阻，电流通过输电导线时，会在线路上产生电势降落，致使输电线路末端的电压U3比起始端电压要低，这就是输电线路上的电压损失，ΔU=U2-U3=IR线。对于交流电路，感抗和容抗也会造成电压损失，高中阶段暂不研究。
2.功率损失：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。设输电电流为I，输电线的电阻为R线，则功率损失为ΔP=I2R线。
【思考·讨论】在电能的输送过程中，U为输电电压，r为输电线电阻，则输电线中电流为I= ，这种说法对吗？(物理观念)提示：不对。U为输电电压，而不是加在输电导线上的电压。
【典例示范1】如图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，流入用户端的电流为I2。则(　　)
A.用户端的电压为 B.输电线上的电压降为UC.理想变压器的输入功率为 D.输电线路上损失的电功率为I1U
【解题探究】(1)理想变压器输入功率与输出功率的关系是什么？提示：输入功率等于输出功率。(2)如何求解输电线上的电压降？提示：U损=I线r线。
(3)如何求解输电线上的功率损失？提示：P损= r。【解析】选A。理想变压器输入和输出功率相同，设用户端得到的电压为U2，所以I1U1=U2I2，A项正确；输电线上电压降为ΔU=I1r，或者ΔU=U-U1，B项错误；理想变压器输入功率为P=I1U1，C项错误；损失的功率ΔP= r，D项错误。
【误区警示】(1)输电电压是指加在高压输电线起始端的电压U，损失电压是指降落在输电线路上的电压ΔU=IR。(2)输送功率是指高压输电线起始端的输出功率，损失功率是输电线上消耗的功率。
考查角度2 减小输电线上电压、功率损失的方法　　　根据电压损失的表达式ΔU=IR线和功率损失ΔP=I2R线可知，要减少输电线上的电压损失和功率损失，有两种方法：(1)减小输电线的电阻R线：根据电阻定律可知R线=ρ ，要减小输电线的电阻R线，可采用下述方法：
①减小材料的电阻率ρ。银的电阻率最小，但价格昂贵，目前选用电阻率较小的铜或铝作输电线材料。②减小输电线的长度l不可行，因为要保证输电距离。③增加导线的横截面积。可适当增大横截面积，太粗不可能，既不经济又架设困难。另外，用增大输电导线横截面积的方法来减小电阻，对低压照明电路有效，在高压线路中，因容抗和感抗造成的电压损失比电阻造成的还要大，故这种方法在高压输电中的应用效果不佳。
(2)减小输电电流。①在输电功率一定的条件下，根据P=UI可知，要减小输电线中的电流I，必须提高输电电压U。②在输送功率P一定，输电线电阻R线一定的条件下，输电电压提高到原来的n倍，根据ΔU=IR线= R线知，输电线上的电压损失将变为原来的 。③根据ΔP=( )2·R线知，输电线上的功率损失将降为原来的 。所以减小输电电流，采用高压输电的方法比减小输电线电阻的方法更有效。
【典例示范2】某变电站用220 V的电压输电，导线上损失的功率为输送功率的20%。若要使导线上损失的功率降为输送功率的5%，则输电电压应为多少？【解析】设输送功率为P，输电电压U1=220 V时，损失功率ΔP1=20%P又因为ΔP1= R线，I1= 解得ΔP1= R线现要求ΔP2=5%P，同理ΔP2= R线因此可得 所以U2=2U1=440 V。答案：440 V
【规律方法】计算输电线上功率损失的两种方法(1)P损=ΔUI= ，ΔU是输电线两端的电压，即输电线上损失的电压。(2)P损=( )2R线，U是指输送电压，即从发电站发出后，经过变压器升高后的电压。
【素养训练】(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′= ΔP　　　　　B.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)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少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的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。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，可减小输电线的电阻，则能够减小输电线上的功率损耗，A项正确；由P=UI来看，在输送功率一定的情况下，输送电压U越大，则输电电流越小，则功率损耗越小，B项正确；若输电电压一定，输送功率越大，则电流I越大，电路中损耗的电功率越大，C项错误；输电电压并不是电压越高越好，因为电压越高，对于安全和技术的要求越高，D项正确。
二　高压输电过程中的分析与计算1.远距离输电的几个基本关系式
(1)功率关系：P1=P2，P2=P损+P3，P3=P4。(2)电压关系： ，U2=U线+U3， 。(3)电流关系： ，I2=I线=I3， 。(4)输电电流：I线= 。
(5)输电导线上损耗的电功率P损=P2-P3= R线= =U线 (6)输电导线上的电压损失U线=I线R线=U2-U3。
2.两个联系(1)线圈1(匝数为n1)和线圈2(匝数为n2)中各个量间的关系是： ，I1n1=I2n2，P1=P2。(2)线圈3(匝数为n3)和线圈4(匝数为n4)中各个量间的关系是： ，I3n3=I4n4，P3=P4。
【思考·讨论】如图是我们常见的高压输电线路。 (1)由电厂输出的电压采用什么方法获得高电压？(物理观念)(2)如何获得用户所需的220 V的电压？(科学思维)提示：(1)采用升压变压器变压获得高电压。(2)用户端采用降压变压器变压获得220 V电压。
【典例示范】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，求： (1)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 ，则升压变压器的输出电压U2= U1= ×250 V=6 250 V，输电导线中的电流I2= A=16 A。
(2)P损= R线=0.04P1，所以R线= Ω=15.625 Ω，因为ΔU=U2-U3=I2R线，所以U3=U2-I2R线=6 250 V-16×15.625 V=6 000 V。答案：(1)6 250 V　16 A　(2)15.625 Ω　6 000 V
【规律方法】远距离输电问题的解题步骤(1)正确画出输电过程示意图并在图上标出各物理量。(2)抓住变压器变压前后各量间的关系，求出输电线上的电流。(3)计算电路功率问题时常用关系式：P损= R线，注意输电线上的功率损失和电压损失。(4)电网送电遵循“用多少给多少”的原则，说明原线圈中的电流由副线圈中的电流决定。
【素养训练】1.如图所示，甲是远距离输电线路的示意图，乙是发电机输出电压随时间变化的图像，则(　　) A.用户用电器上交流电的频率是100 HzB.发电机输出交流电的电压有效值是500 VC.输电线的电流只由降压变压器原副线圈的匝数比决定D.当用户用电器的总电阻增大时，输电线上损失的功率减小
【解析】选D。由图乙可知交流电的周期为0.02 s，频率为50 Hz，则A错误；发电机输出电压的有效值是 V，则B错误；输电线上的电流由用户消耗的功率及降压变压器原副线圈的匝数比共同决定，则C错误；当用户用电器的总电阻增大时，用户消耗功率变小，降压变压器输入功率变小，I线变小，P损= R线，R线未变，则输电线上损失的功率减少，故D正确。
2.输送4.0×106 W的电能，若发电机输出电压为2 000 V，选用变压器升压后应用横截面积为4.25 cm2的铜导线，把电能送到400 km远处，线路损耗的功率为5.0×105 W。若已知铜的电阻率ρ=1.7×10-8 Ω·m，求：(1)应选用匝数比为多少的升压变压器；(2)在用户方使用降压变压器，其原线圈两端的电压为多大。
【解析】(1)由P=I2R得I= ，式中P为线路损耗功率，R为线路总电阻，两条导线总电阻R= ，则R=1.7×10-8× Ω=32 Ω所以I= =125 A
因为P输入=P输出，所以在升压变压器副线圈两端的电压为U2= =3.2×104 V故 。(2)设U′2为降压变压器原线圈两端的电压，则U′2=U2-IR=2.8×104 V。答案：(1)1∶16　(2)2.8×104 V
【补偿训练】　　 1.(多选)远距离输电的简化电路如图所示，发电厂的输出电压是U，两条输电线输电的等效总电阻为r，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降压变压器，其原副线圈匝数比为n1∶n2，流入用户端的电流是I2；下列说法正确的是(　　)
A.U、I1 、r之间满足U=I1rB.I1 、I2之间满足 C.输电线路上损失的电功率为 D.理想变压器的输入功率为UI1- r
【解析】选B、D。线路上的电势降U损=I1r=U-U1，A错误；根据变压器电流比等于匝数的反比可知 ，B正确；线路上损耗的功率P损=I2r=UI1-U1I，C错误D正确。
2.如图为远距离输电的电路原理图，变压器均为理想变压器并标示了电压和电流，其中输电线总电阻为R，则(　　)A.I2= B.输电效率为 ×100%C.用户的用电器的数量增多时，U3将减小D.用户得到的电功率可能等于电厂输出的电功率
【解析】选C。根据欧姆定律，I2= ，A错误；输电效率η= ×100%，B错误；用户的用电器的数量增多时，I4增大，I2增大，U3=U2-I2R将减小，C正确；用户得到的电功率等于电厂输出的电功率减去输电线损失的功率，D错误。
【拓展例题】考查内容：远距离输电的综合问题【典例】某小型水电站的电能输送示意图如图所示，发电机通过升压变压器T1和降压变压器T2向用户供电。已知输电线的总电阻为R，降压变压器T2的原、副线圈匝数之比为4∶1，降压变压器副线圈两端交变电压u=220 sin100πt V，降压变压器的副线圈与阻值R0=11 Ω的电阻组成闭合电路。若将变压器视为理想变压器，则下列说法中正确的是(　　)
A.通过R0电流的有效值是20 AB.降压变压器T2原、副线圈的电压之比为4∶1C.升压变压器T1的输出电压等于降压变压器T2的输入电压D.升压变压器T1的输出功率等于降压变压器T2的输入功率
【解析】选B。降压变压器副线圈两端交变电压有效值为220 V，负载电阻为11 Ω，所以通过R0电流的有效值是20 A，故A错误；降压变压器T2的原、副线圈匝数之比为4∶1，所以降压变压器T2原、副线圈的电压比为4∶1，故B正确；升压变压器T1的输出电压等于降压变压器T2的输入电压加上输电线上的电压，故C错误；升压变压器T1的输出功率等于降压变压器T2的输入功率加上输电线上的功率，故D错误。
1.(2020·浙江7月选考)如图所示，某小型水电站发电机的输出功率P=100 kW，发电机的电压U1=250 V，经变压器升压后向远处输电，输电线总电阻R线=8 Ω，在用户端用降压变压器把电压降为U4=220 V。已知输电线上损失的功率P线=5 kW，假设两个变压器均是理想变压器，下列说法正确的是(　　)
A.发电机输出的电流I1=40 AB.输电线上的电流I线=625 AC.降压变压器的匝数比n3∶n4=190∶11D.用户得到的电流I4=455 A
【解析】选C。发电机的输出电流I1 = A=400 A，选项A错误。输电线上的电流I线 = A=25 A，选项B错误。升压变压器的副线圈输出电压U2 = V=4×103 V，输电线损耗电压ΔU=I线R=25×8 V=200 V，降压变压器的原线圈电压U3=U2-ΔU= 3 800 V，故降压变压器的匝数比 ，选项C正确。降压变压器的功率P4=P3=P-P线=95 kW，故用户得到的电流I4= A=431.8 A，选项D错误。
2.远距离输电中，当输送的电功率为P，输送电压为U时，输电线上损失的电功率为ΔP，若输送的电功率增加为4P，而输电线中损失的电功率减为 ，(输电线电阻不变)那么输送电压应增为(　　)A.32U　　　B.16U　　　C.8U　　　D.4U【解析】选C。根据题意知：ΔP=( )2·r， ΔP=( )2·r得U′=8U。则C正确，A、B、D错误。
3.中国已投产运行的1 000 kV特高压输电，是目前世界上电压最高的输电工程。假设甲、乙两地原来用500 kV的超高压输电，在保持输送电功率和输电线电阻都不变的条件下，现改用1 000 kV特高压输电，不考虑其他因素的影响。则(　　)A.输电电流变为原来的2倍B.输电线上降落的电压将变为原来的2倍C.输电线上降落的电压将变为原来的 D.输电线上损耗的电功率将变为原来的
【解析】选C。根据输送电功率P输=U输I输及P输不变，可知，输电电流I输= ，当U输变为原来的2倍时，I输变为原来的 ，选项A错误；输电线上降落的电压U降=I输R线∝I输，所以，当输电电流变为原来的 时，输电线上降落的电压也变为原来的 ，选项B错误，C正确；输电线上损耗的电功率P损= R线∝ ，所以输电线上损耗的电功率将变为原来的 ，选项D错误。
【补偿训练】某电站用11 kV交变电压输电，输送功率一定，输电线的电阻为R，现若用变压器将电压升高到220 kV送电，下列说法正确的是(　　)A.因I= ，所以输电线上的电流增为原来的20倍B.因I= ，所以输电线上的电流减为原来的 C.因P= ，所以输电线上损失的功率增为原来的400倍D.若要使输电线上损失的功率不变，可将输电线的直径减为原来的
【解析】选B。因U并非全部加到输电线的电阻上，所以不能用I= 计算输电线中的电流，所以A错误；输送功率和输电电流、输电电压的关系为P=UI，在输送功率一定的条件下，I和U成反比，所以B正确；U是输电电压，它等于输电线上损失的电压和负载得到的电压之和，所以U并非是加到R上的电压，不能用P= 计算功率损失，C错误；线路上功率损失P损=I2R线= 。由于输送功率、导线材料、长度是不变的，在线路损失功率不变的条件下，送电电压的平方和导线横截面积成反比，所以电压由11 kV升高到220 kV，所需导线的横截面积减为原来的 ，导线直径减为原来的 ，D错误。
4.一小型发电机通过升压、降压变压器把电能输送给用户，发电机输出电压为250 V，输出功率为120 kW。若两变压器之间输电线总电阻为48 Ω，其余电阻不计，输电线电热损耗功率为发电站输出功率的4%。(1)求发电站所用理想升压变压器的匝数比。(2)若用户所用的理想降压变压器的匝数比为40∶1，用户得到的电压为多少？【解题指南】解答本题应注意以下两点：(1)电压与匝数的关系为 。(2)输电线上损失的电压ΔU=I线r线。
【解析】(1)输电线上损失的电功率P损=I2R=4%P输=4 800 W则输电线上电流为I=10 A则升压变压器输出电压为U2= V=1.2×104 V理想升压变压器的匝数比
(2)输电线上损失的电压ΔU=Ir=480 V降压变压器输入电压U3=U2-ΔU=11 520 V 用户得到的电压U4=288 V答案：(1) 　(2)288 V
【新思维·新考向】　情境：如图所示是备用发电机。升压变压器的匝数比为1∶4，降压变压器的匝数比为4∶1，输电线的总电阻为R=4 Ω，全校共有22间教室，每间教室用“220 V　40 W”的灯6盏，所有灯都正常发光。
问题：(1)学校应备多大输出功率的发电机？(2)输电线上损耗的电功率多大？
【解析】(1)所有灯都正常工作时的总功率P2=22×6×40 W=5 280 W，用电器总电流I3= =24 A，输电线上的电流I2= =6 A，降压变压器上的输入电压U3=4U4=880 V，输电线上的电压损失U损=I2R=24 V，因此，升压变压器的输出电压U2=U损+U3=904 V，输入电压U1= =226 V，输入电流I1=4I2=24 A，所以发电机的输出功率P1=U1I1=5 424 W。