高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册4 电能的输送学案

高二物理导学案

第三章    交变电流     第四节  电能的输送

【情景导入】

我国很多发电厂建在能源聚集的西部地区，而用电量大的城市多在东部沿海地区。从发电厂到用电量大的区域的远距离输电中，如何减小电能的损耗呢？

【学习目标】

1、知道电能输送的基本要求及电网供电的优点．

2、知道远距离输电时输电线的损耗与哪些因素有关，理解高压输电的道理．

3、知道远距离输电线路的基本构成，会对简单的远距离输电线路进行定量计算.

【教材阅读知识提纲与填空】

一、降低输电损耗的两个途径

1．输送电能的基本要求

(1)可靠：指保证供电线路可靠地工作，故障少．

(2)保质：保证电能的质量——电压和频率稳定．

(3)经济：指输电线路建造和运行的费用低，电能损耗少.

2．降低输电损耗的两个途径

由公式P损＝I2r知，有两个途径能减少输电损耗：

(1)减小输电线的电阻：在输电距离一定的情况下，选用电阻率较小的金属材料，尽可能增大导线的横截面积.但过粗的导线会耗费太多的金属材料，而且输电线太重、太粗也给铺设工程带来困难．

(2)减小输电线中的电流：在保证功率不改变的情况下，要减小输送电流就必须提高输电电压.

3．高压输电

(1)现代远距离输电的电压都很高，目前我国远距离送电采用的电压有110 kV、220 kV、330 kV，输电干线已经采用500 kV和750 kV的超高压，西北电网甚至达到1 100 kV的特高压．

(2)高压输电也不是越高越好．电压越高，对输电线路绝缘性能和变压器的要求就越高，线路修建费用会增多．

(3)实际输送电能时要综合考虑输送功率、距离、技术和经济等要求选择合适的电压．

二、电网供电

1．电网

通过网状的输电线、变电站，将许多电厂和广大用户连接起来，形成全国性或地区性的输电网络.

2．电网输电的优点

(1)降低一次能源的运输成本，获得最大的经济效益．

(2)减小断电的风险，调剂不同地区电力供需的平衡．

(3)合理调度电力，使电力的供应更加可靠，质量更高．

【探究思考】      

探究点一　输电线上电压和功率损耗的计算

问题1、(1)为什么在用电高峰期家中的白炽灯灯光较暗？

(2)“提高电压，降低电流”与欧姆定律矛盾吗？

　(1)用电高峰期高压输电线和变压器到家庭的输电线中电流较大，有较大的电压损失，因此加在白炽灯上的电压变低，达不到额定功率，因此白炽灯灯光较暗．

(2)不矛盾．欧姆定律是对纯电阻耗能元件而成立的定律，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．

探究点二　高压输电线路的分析与计算

问题2、我们日常生活离不开电，电是由发电厂产生的．为了合理地利用自然资源，火力发电厂通常建在煤矿附近，水电站建在水力资源丰富的河流上，但用电的地方可能距离很远，需要将电能安全、保质地由发电厂送往远方，同时又不能浪费太多的电能．请探究以下几个问题：

(1)火力发电厂或水电站发出电的电压一定很高吗？怎样才能提高输送电压？

(2)电能的远距离传输一般要经过哪几个环节？

　(1)电厂发出的电的电压最大值由公式Em＝NBSω决定，因机械制造等因素，电压不会很高，通常借助变压器将低电压变为高电压．

(2)一般要经历三个环节，即升压变压器升压、电能的输送线路、降压变压器降压．

【成果展示】

【精讲点评】

一．输电线上的损耗：

1．输电线上的电功率损耗

(1)原因：输电导线有电阻R线，电流流过输电线时，电流的热效应引起电功率的损耗．

(2)计算式：①P线＝I2R线；②P线＝IU线；③P线＝.

2．输电线上的电压损耗

若用U表示输电线始端电压，U′表示输电线末端电压，则U线＝U－U′或U线＝IR线．

3．电压损失与输电电压的关系

如果远距离输电的电功率P不变，输电电压为U，输电导线电阻为R线，则输电导线上发热损失的功率P损＝I2R线＝R线，因此输电电压若提高到nU，则P损将减为原来的.

二、远距离输电

1．输送过程图

2．对高压输电中几个电压的理解

(1)输送电压：输电线始端电压，如图中的U2.

(2)用户电压：最终用户得到的电压，如图中的U4.

(3)损失电压：输电线始端电压与末端电压的差值(U线＝U2－U3＝I2R线)，形成的原因是输电导线有电阻，电流通过输电线时，会在线路上产生电势降落，致使输电线路末端的电压比起始端电压要低，这就是输电线上的电压损失．

3．基本关系式

(1)功率关系：P1＝P2，P2＝P线＋P3，P3＝P4.

(2)电压、电流关系

＝＝，＝＝，

U2＝U线＋U3，I2＝I3＝I线．

(3)输电电流：I线＝＝＝.

(4)输电导线上损耗的电功率P线＝I线U线＝IR线＝2R线．

【例题精讲】 

例1、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＝IR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

例2、发电机的输出电压为220 V，输出功率为44 kW，每条输电线的电阻为0.2 Ω，求：

(1)此时用户得到的电压和电功率各为多少？

(2)如果发电站先用变压比为1∶10的升压变压器将电压升高，经同样的输电线路后经10∶1的降压变压器将电压降低后供给用户，则用户得到的电压和电功率各是多少？

解析　(1)输电线上的电流IR＝＝ A＝200 A

损失的电压UR＝IRR＝2×0.2×200 V＝80 V         损失的功率PR＝URIR＝80×200 W＝16 kW

故用户得到的电压U用户＝U－UR＝140 V            用户得到的功率为P用户＝P－PR＝28 kW.

(2)已知升压变压器的匝数比n1∶n2＝1∶10            输入电压U1＝220 V

因此，升压变压器的输出电压U2＝U1＝2 200 V    输电线上的电流IR′＝＝ A＝20 A

损失的电压UR′＝IR′R＝2×0.2×20 V＝8 V       损失的功率PR′＝UR′IR′＝8×20 W＝160 W

因此，降压变压器的输入电压U3＝U2－UR′＝2 192 V   (1)140 V　28 kW　(2)219.2 V　43.84 kW

【练习】

1、在远距离输电过程中，为减少输电线路上的电能损失，可采用的最佳方法是(　D　)

A．使输电线粗一些　 B．减短输电线长度

C．减少通电时间 D．采用高压输电

2、随着社会发展，人类对能源的需求日益增加，节能变得愈加重要．甲、乙两地采用电压U进行远距离输电，输电线上损耗的电功率为输入总功率的k(0＜k＜1)倍．在保持输入总功率和输电线电阻都不变的条件下，现改用5U的电压输电，若不考虑其他因素的影响，输电线上损耗的电功率将变为输入总功率的多少倍(A　)

A．　         B．　          C．5k　          D．25k

3、远距离输电的简化电路图．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( D　)

A．输电线路上损失的电功率I1U

B．输电线上的电压降为U

C．理想变压器的输入功率为Ir

D．用户端的电压为

4、以下关于电能输送的分析，正确的是(　C　)

A．由公式P＝知，输电电压越高，输电线上功率损失越少

B．由公式P＝知，输电导线电阻越大，输电线上功率损失越少

C．由公式P＝I2R知，输电电流越大，输电线上功率损失越大

D．由公式P＝UI知，输电导线上的功率损失与电流成正比

5、(多选)在远距离输电中，输电导线的总电阻为R，升压变压器输出的电压为U1，输出功率为P，降压变压器得到的电压为U2，则下面表示导线上的功率损失正确的是(　BC　)

A．　　　　　　 B．()2R

C． D．－

5、(多选)在如图所示的远距离输电电路图中，升压变压器和降压变压器均为理想变压器，发电厂的输出电压和输电线的电阻均不变，随着发电厂输出功率的增大，下列说法中正确的有(　cd　)

A．升压变压器的输出电压增大

B．降压变压器的输出电压增大

C．输电线上损耗的功率增大

D．输电线上损耗的功率占总功率的比例增大

6、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＝ρ＝ρ，

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U2′为降压变压器原线圈两端的电压，则U2′＝U2－IR＝2.8×104 V.

答案　(1)1∶16　(2)2.8×104 V