物理选择性必修 第二册4 电能的输送导学案

这是一份物理选择性必修 第二册4 电能的输送导学案，共9页。学案主要包含了课前自主学习等内容，欢迎下载使用。
1.了解电能的输送过程中电压与功率都存在着必然的损耗；
2.知道降低输电损耗的两个途径要从控制输电电阻，提高输电电压作为出发点来进行研究；
3.能够结合物理规律与公式推导出U用、U损、P用、P损的表达式，并清楚表达式中各物理量的意义及相互关系。
【重点】高压输电的基本工作原理及降低电能消耗的两种途径。
【难点】高压输电的数学推导过程及各物理量之间的相互关系。

【课前自主学习】
一、知识前置
1. 减少输电线上电能损失的方法
(1)减小输电线的电阻R线．由R线＝ρeq \f(L,S)知，可采用加大导线的__________、采用__________的材料做导线．
(2)减小输电导线中的电流．在输电功率一定的情况下，根据P＝UI，要减小电流，必须提高__________．
2. 远距离输电各物理量间的关系(如图所示)
(1)电压、电流关系：eq \f(U1,U2)＝eq \f(n1,n2)＝eq \f(I2,I1)，eq \f(U3,U4)＝eq \f(n3,n4)＝eq \f(I4,I3)，U2＝________＋U3，I2＝I3＝I线．
(2)功率关系：P1＝P2，P3＝P4，P2＝________＋P3.
(3)输电电流：I线＝eq \f(P2,U2)＝eq \f(P3,U3)＝________．
(4)电压损失：(1)ΔU＝________；(2)ΔU＝________．
(5)功率损失：(1)ΔP＝P2－P3；(2)ΔP＝__________＝eq \f(ΔU2,R线).
二、新知学习
一、电能的输送
1.思考：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，如何减少电能的损耗？

风力发电 高压输电
2.电能的突出优点
便利性：便于远距离输送
3.输送电能的基本要求
可靠：保证供电线路可靠地工作,少有故障和停电
保质：保证电能的质量（电压和频率稳定）
经济：输电线路建造和运行的费用低,电能损耗小
二、输电损耗的两种形式
1、电压损失
2、电功率损失
输电电流，I=_______;电压损失U损=_______;功率损失P损=_______;用户得到U用=_______;
用户得到P用=_______;
随堂思考与讨论
怎样计算输电线路损失的功率?
2.在输电电流一定的情况下,如果线路的电阻减为原来的一半,线路上损失的功率减为原来的几分之一? 在线路电阻一定的情况下,如果输电电流减为原来的一半,线路上损失的功率减为原来的几分之一?
3.通过第2步的两项计算，你认为哪个途径对于降低输电线路的损耗更为有效？
4.怎样计算用户消耗的功率P用？
三、降低输电损耗的两个途径
如果输送的电功率为P，输送电压为U，输电线的总长度为L，横截面积为S，电阻率为 。则输电线损耗功率为多少呢？
则功率损耗为可表示为：
如何减少电能损失?
途径一、减小输电线电阻R：
减小输电线电阻R
①减小材料的电阻率ρ
②减小输电线的长度L
③可适当增大导线横截面积S.
减小输电电流I
途径二、提高输电电压，减小输电电流I
如果输电电压提高为原来的n倍则，P损=
说明
输电电压也不是越高越好。电压越高，对输电线路绝缘性能的要求就越高，线路修建费用就会增多。输电电压越高，变压器上的电压也越高，对变压器的要求也相应提高。实际输送电能时，要综合考虑各种因素，如输送功率的大小、距离的远近、技术和经济要求等，依照不同情况选择合适的输电电压。
三、远距离输电原理图


远距离输电原理图
功率关系：
电压关系：
输电电流：
损耗功率：
四、电网供电
什么是电网供电？
现在世界各国都不采用一个电厂与一批用户的“一对一”的供电方式，而是通过网状的输电线、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，这就是电网.
电网供电有什么好处？
1、次能源产地使用大容量的发电机组，降低一次能源的运输成本，获得最大的经济效益；
2、可以减小断电的风险，调剂不同地区电力供需的平衡；
3、可以根据火电、水电、核电的特点，合理地调度电力。
五、输电技术的发展
1882年，爱迪生在美国修建了第一个电力照明系统；每隔3 km 左右就要建立一个发电厂，否则灯泡因电压过低而不能发光；
1882年，一个法国工程师修建了第一条远距离输电电路，将一个水电站发出的电送到57 km之外的慕尼黑；
1891 年，德国建成170 km 的1530 kV 的高压输电线路，效率高达70% 80%。1893年，国修建尼亚加拉水电站时，经过反复论证，决定采用交流供电系统。
1909至1912年，美国、德国建造100 kV的高压输电线路，从此高压输电技术迅速普及。
现代，直流输电技术。在送电端有专用的“整流”设备将交流变换为直流，在用户端也有专用的“逆变”设备再将直流变换为交流。
思考：为什么要使用直流输电技术呢？
长距离输电时，线路上的电容、电感对交变电流的影响也不能忽略，有时它们引起的电能损失甚至大于导线电阻引起的电能损失，为了减少感抗和容抗，在输电这个环节可以使用直流。直流输电需要专门的“整流设备”与“逆流设备”。
1．(多选)远距离输送交流电都采用高压输电，采用高压输电的优点是( )
A．可节省输电线的材料
B．可根据需要调节交流电的频率
C．可减少输电线上的能量损失
D．可加快输电的速度
2．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．减小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功率损耗
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．高压输电一定是电压越高越好
3．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。变压器为理想变压器，则下列关系式中正确的是( )
A.eq \f(I1,I2)＝eq \f(n1,n2) B．I1U1＝Ieq \\al(2,2)R
C．I1U1＝I2U2 D．I2＝eq \f(U2,R)
4．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eq \f(ΔP,4)，输电线电阻不变，那么输电电压应增为( )
A．32U B．16U C．8U D．4U
5．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。变压器为理想变压器，则下列关系式中正确的是( )
A.eq \f(I1,I2)＝eq \f(n1,n2) B．I2＝eq \f(U2,R)
C．I1U1＝Ieq \\al(2,2)R D．I1U1＝I2U2
6．如图所示，某小型水电站的发电机输出电压为220 V，正常情况下输出的总功率P0＝8.8×104 W，为了减少远距离输电过程中的电能损失，往往采用高压输电。输送电压为u＝1 100eq \r(2)sin 200πt (V)，输电导线的总电阻为r＝5 Ω，现要使额定电压为220 V的用电器正常工作，下列说法正确的是( )
A．输电线上的电流为220 A
B．降压变压器原、副线圈匝数比eq \f(n3,n4)＝eq \f(5,1)
C．用电器的额定功率P＝5.6×104 W
D．用电器上的交流电的频率是50 Hz

参考答案
1.【答案】 AC
【解析】 设输电功率为P，输电电压为U，输电线的电阻为R，则输电线上损失的功率为P损＝eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(P,U)))2R，若P、R一定，则P损∝eq \f(1,U2)，采用高压输电可以减少输电线上的电功率损失；若P损、P一定，则R∝U2，又R＝ρeq \f(L,S)，ρ、L一定时输电导线的横截面积S∝eq \f(1,U2)，采用高压输电可使输电导线的横截面积大大减小，从而节省输电线的材料。故选项A、C正确。
2.【答案】 B
【解析】 依据题中输电原理，电路中的功率损耗ΔP＝I2R线，而R线＝ρeq \f(L,S)，减小输电线的横截面积，输电线的电阻会增大，则会增大输电线上的功率损失，A错误；由P＝UI可知，P一定的情况下，输送电压U增大，I减小，ΔP减小，B正确；若输送电压一定，输送功率越大，则电流I越大，ΔP越大，C错误；输送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错误。
3.【答案】 C
【解析】 升压变压器原、副线圈的电流之比等于原、副线圈匝数的反比，故A错误；理想变压器的输入功率不等于输电线上损耗的功率，B错误；理想变压器的输入功率等于输出功率，则U1I1＝U2I2，C正确；U2等于输电导线电阻两端电压及降压变压器初级线圈两端的电压之和，所以U2≠I2·R，则I2≠eq \f(U2,R)，D错误。
4.【答案】C
【解析】输电线上损失的电功率ΔP＝I2R＝eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(P,U)))2R，当输送的电功率P′＝4P，而输电线中损失的电功率ΔP′＝eq \f(ΔP,4)时，由ΔP′＝eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(P′,U′)))2R得，输电电压U′＝8U。故选C。
5.【答案】D
【解析】根据变压器的工作原理可知eq \f(I1,I2)＝eq \f(n2,n1)，所以选项A错误；因U2、I2、R不满足欧姆定律公式中物理量之间的对应关系，所以选项B错误；U1I1＝U2I2，但U2I2≠Ieq \\al(2,2)R，选项C错误，D正确。
6.【答案】C
【解析】由交流电瞬时值表达式u＝1 100eq \r(2)sin 200πt (V)，可得交流电频率为100 Hz，电压有效值为U2＝1 100 V，输电线上的电流I＝eq \f(P0,U2)＝80 A，故A错误；降压变压器的输入电压U3＝U2－Ir＝700 V，降压变压器原、副线圈匝数比eq \f(n3,n4)＝eq \f(700,220)＝eq \f(35,11)，故B错误；用电器的额定功率P＝P0－I2r＝5.6×104 W，故C正确；变压器不改变交流电的频率，所以用电器上的交流电的频率是100 Hz，故D错误。