人教版 (2019)选择性必修 第二册4 电能的输送导学案

这是一份人教版 (2019)选择性必修 第二册4 电能的输送导学案，共16页。学案主要包含了降低输电损耗的两个途径，电网供电等内容，欢迎下载使用。
电能的输送课 程 标 准素 养 目 标知道远距离输电时通常采用高压输电的原因。1.了解输电线上电能损失的影响因素和远距离高压输电的原理。（物理观念）2.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计算。（科学思维）3.探究电压损失、功率损失的关系。（科学探究）4.知道交变电流从发电站到用户的输电过程。（科学态度与责任）必备知识·自主学习一、降低输电损耗的两个途径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。探讨：从发电厂到用电量大的区域的远距离输电中，如何减少电能的损耗？提示：（1）减少输电线的电阻。（2）减少输电线中的电流。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，少有故障。（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：要减少输电线路上的功率损失，由公式P损＝I2R线知，必须减小输电线电阻或减小输电电流。（1）要减小电阻，从R＝ρ看，在输电距离一定的情况下，可以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，同时也给铺设线路带来困难；还可以选用电阻率较小的导体。（2）从公式P＝UI来看，在保证功率不改变的情况下，要减小输电电流就必须提高输电电压。3.高压输电：（1）现代远距离输电都采用高压输电。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）高压输电并不是越高越好。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输电电压。二、电网供电1.远距离输电基本原理：在发电站内用升压变压器升压，然后进行远距离输电，在用电区域通过降压变压器降到所需的电压。2.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。3.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，保障供电的质量。（3）合理调度电力，使电力的供应更加可靠，质量更高。（4）关于电能的输送解释符合科学实际的有：①③。①输电线上电功率的损失，与输电线的电阻成正比，与输电线电流的平方成正比。②由P＝可知，输电电压越小，输电线上电功率的损失就越小。③使用变压器进行远距离输电，用户得到的电压可以高于发电机输出的电压。④远距离输电时，若升压变压器匝数比为1∶n，降压变压器匝数比为n∶1，则升压变压器的输入电压和降压变压器的输出电压相等。【易错辨析】（1）输电线上电功率的损失，与输电线的电阻成正比，与输电线电流的平方成正比。（√）（2）由P＝可知，输电电压越小，输电线上的电功率损失就越小。（×）（3）使用变压器进行远距离输电，用户得到的电压可以高于发电机输出的电压。（√）（4）远距离输电时，若升压变压器匝数比为1∶n，降压变压器匝数比为n∶1，则升压变压器的输入电压和降压变压器的输出电压相等。（×）关键能力·合作学习知识点一 　电能输送中的电压损失和电能损耗1.输电线上的电功率损失：（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失。（2）计算式：①P线＝I2R线；②P线＝U线I；③P线＝。2.输电线上的电压损失：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＝（）2R线，因此输电电压若提高到nU，则P损将降低为原来的。如图所示，假定发电厂输出的电压为U，输送功率为P，输电线路中的电流是I，两条导线的总电阻是r（在图中把导线电阻集中画为r）。（1）用户两端的电压是多大？（2）用户得到的电能与发电厂输出的电能相等吗？（3）输电线上功率损失的原因是什么？功率损失的表达式是什么？降低功率损耗有哪些途径？提示：（1）U′＝U－ΔU＝U－r。（2）不相等，由能量守恒知，发电厂输出的电能等于用户得到的电能与输电线上损失的电能之和。（3）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。功率损失表达式：ΔP＝I2r＝r，所以降低功率损耗的两个途径为：①减小输电线的电阻r；②减小输电电流I，即提高输电电压U。【典例】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？【解题探究】降低功率损耗方便、可行的途径是什么？提示：减小输电电流I，即提高输电电压U。【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计算输电线上功率损失的两种方法计算输电线上损失的功率时，要注意区分两个电压：输电电压（输电线始端的电压）U和输电线上的损失电压ΔU。（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是指输电电压，即从发电站发出后，经过变压器升高后的电压。1.（母题追问）在【典例】中，若输电电压不变，输电线的电阻应变为原来的多少倍？提示：ΔP＝I2R线，则＝＝＝输电线的电阻应变为原来的。2.中国输电工程目前是世界上电压最高的，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＝IR线∝I，所以输电线上损耗的电功率将变为原来的，选项D错误。3.（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′＝ΔU      D．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。【加固训练】　　远距离输电，输电功率一定，当输电电压为U0时，输电线上的电流为I0，损失的电功率为P0。则当输电电压提高为2U0时（　　）A．由I＝得，输电线上的电流变为2I0B．由I＝得，输电线上的电流变为C．由P＝得，输电线上损失的电功率为4P0D．由P＝UI得，输电线上损失的电功率为2P0【解析】选B。设输电线的电阻为R，当输电线上的电流为I0时，损失的电功率为P0＝IR。当输电电压提高为2U0时，由I＝可知输电线上的电流变为，输电线上损失的电功率为P损＝（）2R＝，故选项B正确。知识点二 　远距离高压输电过程的分析与计算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＝IR线＝＝U线I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。3.掌握一个定律：根据能量守恒定律得P2＝ΔP＋P3。某发电站向远处送电的示意图如图所示，其中各部分的物理量已在图上标注，在这个电路中包括三个回路。（1）结合闭合电路的知识，分别分析三个回路中各物理量之间的关系（发电机内阻、n1、n2、n3、n4线圈的电阻均忽略不计）。（2）若两个变压器均为理想变压器，则每个变压器中的电流、电压、功率有什么关系？提示：（1）第一个回路：P1＝U1I1第二个回路：U2＝ΔU＋U3，P2＝ΔP＋P3＝IR＋P3第三个回路：P4＝U4I4（2）＝、＝、P1＝P2；＝、＝、P3＝P4【典例】发电机两端的电压为①，输出②，输电导线的总③，如果用原、副线圈匝数比为1∶10的升压变压器升压，经输电线后，再用原、副线圈匝数比为10∶1的降压变压器降压供给用户。（1）画出全过程的线路示意图；（2）求用户得到的电压和功率；（3）若不经过变压而直接送给用户，求用户得到的电压和功率。【审题关键】序号解题依据信息提取①交变电流的规律输电电压220 V②理想变压器的规律输出功率4.4×104 W③电阻的特点输电线电阻R线＝0.2 Ω【解析】（1）线路示意图如图甲所示（2）由图甲可知，升压变压器副线圈两端的输出电压U2＝U1＝2 200 V。据理想变压器P入＝P出，则升压变压器副线圈的输出电流I2＝＝ A＝20 A，输电线上的功率损失和电压损失分别为P损＝IR线＝202×0.2 W＝80 W，U损＝I2R线＝20×0.2 V＝4 V，所以降压变压器原线圈的输入电压和电流分别为U3＝U2－U损＝2 200 V－4 V＝2 196 V，I3＝I2＝20 A降压变压器副线圈的输出电压和电流分别为U4＝U3＝×2 196 V＝219.6 V，I4＝I3＝10×20 A＝200 A用户得到的功率为P4＝U4I4＝219.6×200 W＝4.392×104 W。（3）若直接给用户供电，线路示意图如图乙所示，则输电电流I′＝＝ A＝200 A。输电线路上的电压损失U′损＝I′R线＝200×0.2 V＝40 V。所以用户得到的电压U2′＝U1－U′损＝220 V－40 V＝180 V。用户得到的功率为P′＝U2′I′＝180×200 W＝3.6×104 W答案：（1）见解析图　（2）219.6 V　4.392×104 W（3）180 V　3.6×104 W处理远距离输电的方法技巧（1）画好一张图——远距离输电示意图（2）抓住电两端——发电站和用户（3）分析一条线——输电线（4）研究两次变——升压变压器升压和降压变压器降压（5）区分三个量——输送电压（功率）、损失电压（功率）、用户电压（功率）1.（2021·江苏适应性测试）小明分别按照图1和图2电路探究远距离输电的输电损耗，将长导线卷成相同的两卷A、B来模拟输电线路，忽略导线的自感作用。其中T1为理想升压变压器，T2为理想降压变压器，两次实验中使用的灯泡相同，灯泡的电压相等。两次实验中（　　）A.都接直流电源B．A两端的电压相等C．A损耗的功率相等D．图1中A的电流较大【解析】选D。变压器不能改变直流电电压，A错误；两次灯泡电压相等，电流也一定相等，因为＝所以图1流过A的电流大于图2流过A的电流，P＝I2R，图1线圈A消耗的功率大于图2线圈A消耗的功率，C错误，D正确；由U＝IR可知图1A两端的电压大，B错误。2.（2021·济南高二检测）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，发电厂的输出电压及输电线的电阻R均不变。在用电高峰期，发电厂输出功率将增大，下列说法正确的是（　　）A.升压变压器副线圈中电流变小B．降压变压器副线圈中电流变小C．输电线上损耗的功率减小D．用户消耗的功率占发电厂输出总功率的比例减小【解析】选D。发电厂输出功率增大，根据P＝UI知，输出电压不变，则升压变压器原线圈中的电流增大，则副线圈中的电流也增大，故A错误；用电高峰期时，用电器增多，则降压变压器中电流变大，故B错误；升压变压器副线圈中的电流等于输电线中的电流，则输电线中的电流增大，根据P损＝I2R知，输电线上损失的功率增大，故C错误；用户消耗的功率占发电厂输出总功率的比例＝1－＝1－，因为输电线上的电流增大，则电压损失增大，U2不变，所以用户消耗的功率占发电厂输出总功率的比例减小，故D正确。【加固训练】如图所示，某发电厂通过升压变压器和降压变压器向远距离输送电能，假设输电线路电阻发热是电能损失的唯一原因。若远距离输电电压加倍，其他条件不变，下列说法正确的是（　　）A.输电线上的电流加倍B．输电线上的电能损失加倍C．输电线上的电能损失是原来的D．输电线上的电能损失是原来的【解析】选D。输电线上输送的功率一定，根据P＝UI知输电电压越高，输电电流越小，若输送电压提高到原来的2倍，则输电线上的电流减小到原来的，根据P损＝I2R可知，输电线上的电能损失为原来的，故D正确，A、B、C错误。【拓展例题】考查内容：远距离输电与交变电流图像的综合应用【典例】如图甲是远距离输电线路示意图，图乙是用户端电压随时间变化的图像，则（　　）A.发电机产生的交流电的频率是100 HzB．降压变压器输出的电压有效值是340 VC．输电线中的电流仅由输送功率决定D．仅增加升压变压器的副线圈匝数，其他条件不变，输电线上损失的功率减小【解析】选D。根据电压随时间变化的关系，由图乙可知，T＝0.02 s，故f＝＝ Hz＝50 Hz，故A错误；由图像可知交流电压的最大值为Um＝340 V，因此其有效值为U＝ V，故B错误；根据P＝UI，输电线中的电流与输送功率和输电电压有关，故C错误；保持升压变压器原线圈匝数不变，增加副线圈匝数，输出电压增大，损失的功率为ΔP＝（）2R，损失功率减小，故D正确。情境·模型·素养北京奥运会场馆的建设体现了“绿色奥运”的理念。作为北京奥运会主场馆之一的国家体育馆“鸟巢”拥有9.1万个座位，其扇形屋面和大面积的玻璃幕墙不仅给人以赏心悦目之感，还隐藏着一座年发电量约为98 550 kW·h的太阳能光伏发电系统，供给体育馆内的照明灯等使用。假如该发电系统的输出功率为1×105 W。探究：（1）按平均每天太阳照射6 h计，该发电系统一年（365天计）能输出多少电能？（2）假若发电系统的输出电压为250 V，现准备向远处输电。所用输电线的总电阻为R线＝8 Ω，要求输电时在输电线上损失的电功率不超过输送电功率的5%，用户获得220 V电压。求应选用匝数比为多大的升压变压器和降压变压器。【解析】（1）由题意可以知道：P＝1.0×105 W，时间为：t＝365×6 h＝365×6×3 600 s，一年能输出电能为E＝Pt＝1.0×105×365×6×3 600 J＝7.884×1011 J（2）依题意作出如图输电示意图当输电线上损失的电功率为输送电功率的5%时，输电线中的电流为I2，I1＝＝400 A，根据5%P＝IR线，解得I2＝25 A，升压变压器的匝数比为＝＝＝，降压变压器T2副线圈中电流I4，即为提供给所有用户的总电流I总，用户获得的总功率为P用＝P－5%P＝95%P，又P用＝U4I总＝U4I4，所以I4＝＝≈431.8 A，其原线圈中电流I3＝I2＝25 A，降压变压器的匝数比为＝＝＝。答案：（1）7.884×1011 J　（2）升压变压器的匝数比为：　降压变压器的匝数比为：近年来为响应国家“精准扶贫，产业扶贫”的战略，投资2.35亿建设30兆瓦光伏发电，光伏发电成为精准扶贫的新途径。如图是所建光伏发电项目，该项目一期光伏发电机总输出功率为8 000 kW，输出电压为500 V，先后经过升压变压器和降压变压器传输到用户。设输电线的总电阻为8 Ω，要求输电线中因发热而损失的功率为输送功率的4%，用户需要的电压为220 V，不计变压器的能量损耗。探究：（1）升压变压器的输出电压；（2）升压变压器和降压变压器原、副线圈的匝数比。【解析】（1）损失的功率：ΔP＝4%P＝4%×8×106 W＝3.2×105 W设输电线上的电流为I2，根据ΔP＝Ir得I2＝200 A升压变压器的输出电压为：U2＝＝ V＝4×104 V（2）升压变压器原、副线圈的匝数比为：＝＝＝电线上损失的电压为：ΔU＝I2r＝200×8 V＝1 600 V降压变压器原线圈两端的电压为：U3＝U2－ΔU＝3.84×104 V降压变压器原、副线圈的匝数比为：＝＝＝答案：（1）4×104 V　（2）1∶80　1 920∶11课堂检测·素养达标1.某水电站，用总电阻为5 Ω的输电线给940 km外的用户送电，其输出电功率是3.3×105 kW。现用110 kV的电压输电，则下列说法正确的是（　　）A．输电线上输送的电流大小为3×105 AB．输电线上损失的电压为15 kVC．该输电系统的输电效率为95%D．若改用11 kV电压输电，则输电线上损失的功率为4.5×108 kW【解析】选B。I＝＝ A＝3×103 A，故A错误；U损＝IR＝3×103×5 V＝15 kV，故B正确；P损＝I2R＝（3×103）2×5 W＝4.5×107 W，η＝×100%≈86%，故C错误；损失的功率大于输出的功率，所以D错误。2.超高压输电是指使用500～1 000 kV电压等级输送电能。超高压输电与普通高压输电（500 kV以下）在建设和输送成本方面有大幅度降低。如果输送相同的电功率，则（　　）A．超高压输电电流更大B．超高压输电频率更高C．超高压输电电能损耗会更多D．电能损耗相同的情况下，超高压输电线截面积可以更小【解析】选D。根据P＝U输I线输送相同的电功率，当输电电压增大时，则电流变小，A错误；输电频率与输送电压无关，B错误； 根据P损＝IR线，线上电流减小，损失减小，C错误；超高压输电线截面积变小，根据R＝ρ电阻增大，根据P损＝IR线输电电压增大时，则电流变小，电阻增大，则电能损耗可以相同，D正确。3.（多选）（2021·青岛高二检测）某小型水电站的电能输送示意图如图所示，发电机的输出电压为200 V，输电线总电阻为r，升压变压器原、副线圈匝数分别为n1、n2。降压变压器原、副线圈匝数分别为n3、n4（变压器均为理想变压器）。要使额定电压为220 V的用电器正常工作，则（　　）A.＞B．＜C．升压变压器的输出电压等于降压变压器的输入电压D．升压变压器的输出功率大于降压变压器的输入功率【解析】选A、D。＝，＝，因为U1＝200 V＜U4＝220 V，U2＞U3＝U2－U线，故＞，选项B、C错误，A正确；由于输电线上的功率损耗，故升压变压器的输出功率大于降压变压器的输入功率。P出－P损＝P入，故D正确。【加固训练】　　远距离输电的原理图如图所示，升压变压器原、副线圈的匝数分别为n1、n2，电压分别为U1、U2，电流分别为I1、I2，输电线上的电阻为R。降压变压器原、副线圈的匝数分别为n3、n4，电压分别为U3、U4，电流分别为I3、I4。变压器为理想变压器，则下列关系式中正确的是（　　）A.＝B．输入用户的电功率为I2U2－IRC．夜间用户用电量增大时，I3会变小D．I1U1＝I3U3【解析】选B。升压变压器电流之比等于匝数的反比；故有＝，选项A错误；升压变压器副线圈的功率P2＝I2U2，输电线上损耗的功率P损＝IR＝IR，所以降压变压器原线圈的功率P3＝I2U2－IR，输入用户的电功率等于降压变压器原线圈的功率P4＝P3＝I2U2－IR，选项B正确；如果用户用电功率增加，使得电路中的电流强度I4增大，降压变压器匝数不变，则I3会增大，选项C错误；升压变压器原线圈的输出功率等于副线圈的电功率，有I1U1＝I2U2 ，I3U3＝I4U4，而I3U3＝I2U2－IR，所以I1U1≠I3U3，选项D错误。4.（2021·烟台高二检测）在远距离输电时，要考虑尽量减少输电线上的功率损失。有一个小型发电站，发电机输出的电功率为P＝500 kW，当使用U＝5 kV的电压输电时，测得安装在输电线起点和终点处的两只电度表一昼夜示数相差4 800 kW·h。（1）求输电线上的电流I、输电线的总电阻r和输电线上损失的电压U损。（2）若想把损失功率控制为输送功率的1.6%，又不改变输电线，那么发电站应使用多高的电压向外输电？输电线上损失的电压是多少？【解析】（1）输电线上损失的功率P损＝＝ kW＝200 kW输电线上的电流I＝＝100 A由输电线上损失的功率P损＝I2r得输电线的总电阻r＝20 Ω输电线上损失的电压U损＝Ir＝2 000 V；（2）由题意知损失功率P损′＝P×1.6%＝8 kW，由P损′＝I′2r得输电线上的电流I′＝20 A输送电压U′＝＝25 kV输电线上损失的电压U损′＝I′r＝400 V。答案：（1）100 A　20 Ω　2 000 V（2）25 kV　400 V