浙江省2018-2019版高中物理 第五章 交變電流 第5課時 電能的輸送學案 新人教版選修3-2.doc

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第5課時　電能的輸送 [研究選考把握考情] 知識內(nèi)容 電能的輸送 考試要求 加試c 教學要求 1.了解輸電導線電能損失的主要原因，知道減少電能損失的兩條途徑 2.理解采用高壓輸電的原因，認識高壓輸電的局限性 3.認識電網(wǎng)的重要作用，認識電網(wǎng)安全對社會的重要性 4.會求解輸電導線上的功率損失等問題 說明 不要求計算同時涉及升壓、降壓的輸電問題 知識點一　降低輸電損耗的兩個途徑 [基 礎 梳 理] 1.輸送電能的基本要求 (1)可靠：保證供電線路可靠地工作，少有故障。 (2)保質(zhì)：保證電能的質(zhì)量——電壓和頻率穩(wěn)定。 (3)經(jīng)濟：輸電線路建造和運行的費用低，電能損耗少。 2.降低輸電損耗的兩個途徑 輸電線上的功率損失ΔP＝I2R線，I為輸電電流，R線為輸電線的電阻。 (1)減小輸電線的電阻 在輸電距離一定的情況下，為了減小電阻，應當選用電阻率小的金屬材料，還要盡可能增加導線的橫截面積。 (2)減小輸電導線中的電流 為減小輸電電流，同時又要保證向用戶提供一定的電功率，就要提高輸電電壓。 [要 點 精 講] 1.對損失電能的分析 任何輸電線都有電阻，因此通過輸電線向遠方輸送電能時，電流流過輸電線，因輸電線有電阻而發(fā)熱，從而損失電功率。 設輸電電流為I，輸電線電阻為R，則輸電線上的功率損失P損＝I2R。 設輸送電功率為P，輸電電壓為U，輸電線的總長度為L，橫截面積為S，電阻率為ρ，則輸電電流I＝，輸電線的電阻為R＝ρ。 所以輸電線上的功率損失可表示為P損＝()2ρ。 2.對減小功率損失途徑的理解 根據(jù)P損＝I2R可知，減小輸電線路上功率損失的方法主要有兩種。 (1)減小輸電線的電阻R，根據(jù)R＝ρ 由于輸電距離一定，所以在實際中不可能通過減小L來減小R。 ①減小電阻率ρ：目前一般用電阻率較小的銅或鋁做導線材料。 ②增大導線的橫截面積S：這要多耗費金屬材料，增加成本，同時給輸電線的架設帶來很大的困難。 (2)減小輸電電流I，根據(jù)I＝ ①減小輸送功率P：在實際中不能以用戶少用或不用電來達到減小功率損失的目的。 ②提高輸電電壓U：在輸送功率P一定，輸電線電阻R一定的條件下，輸電電壓提高到原來的n倍，據(jù)P損＝()2R知，輸電線路上的功率損失將降為原來的。 根據(jù)以上分析知，采用高壓輸電是減少輸電線路上的功率損失最有效、最經(jīng)濟的措施。 【例1】 以下關于電能輸送的說法正確的是(　　) A.輸送電能的基本要求是可靠、保質(zhì)、經(jīng)濟 B.減小輸電導線上功率損失的唯一方法是要采用高壓輸電 C.增大導線的橫截面積可以減小輸電導線上的功率損失 D.實際輸送電能時，要綜合考慮各種因素，如輸送功率大小、距離遠近、技術和經(jīng)濟條件等 解析　輸送電能的基本要求是可靠、保質(zhì)、經(jīng)濟。減小輸電線上的功率損失可采用高壓輸電，也可以減小輸電線電阻，即增大導線橫截面積，但不經(jīng)濟。實際輸電時，應綜合考慮各種因素，故A、C、D正確。 答案　ACD 【例2】 某發(fā)電站采用高壓輸電向外輸送電能。若輸送的總功率為P0，輸電電壓為U，輸電導線的總電阻為R。則下列說法正確的是(　　) A.輸電線上的電流I＝ B.輸電線上的電流I＝ C.輸電線上損失的功率P＝()2R D.輸電線上損失的功率P＝ 解析　因輸電線中電壓降不是U，故不能用I＝求電流；由P0＝UI，知輸電線上的電流I＝，功率損耗P＝I2R＝()2R，故選項B、C正確。 答案　BC 名師點睛　當輸送功率P一定時，輸電電流I輸與輸電電壓U輸成反比，即I輸＝，由于輸電線雖是純電阻用電器，但線路中的損耗電壓不是U輸，故不能用I輸＝求輸電線中的電流，由I輸＝，P損＝()2R知，提高輸送電壓可以大幅度減小輸電電流，減小電能在輸送過程中的損失。 知識點二　遠距離輸電 [基 礎 梳 理] 1.遠距離輸電的基本原理：遠距離輸電的基本電路如圖1所示。 圖1 在發(fā)電站內(nèi)用升壓變壓器升壓，然后進行遠距離輸電，在用電區(qū)域通過降壓變壓器降壓，降到所需的電壓。 2.電網(wǎng)：通過網(wǎng)狀的輸電線、變電站，將許多電廠和廣大用戶連接起來，形成全國性或地區(qū)性的輸電網(wǎng)絡。 3.電網(wǎng)送電的優(yōu)點： (1)降低一次能源的運輸成本，獲得最大的經(jīng)濟效益； (2)減小斷電的風險，調(diào)劑不同地區(qū)電力供需的平衡，保障供電的質(zhì)量。 (3)合理調(diào)度電力，使電力的供應更加可靠，質(zhì)量更高。 [要 點 精 講] 遠距離輸電的輸送電路及其基本關系的理解 (1)輸送過程圖(如圖2所示)： 圖2 (2)對高壓輸電中幾個電壓的理解： ①輸送電壓：輸電線始端電壓，如圖中的U2。 ②用戶電壓：最終用戶得到的電壓，如圖中的U4 ③損失電壓：輸電線始端電壓與末端電壓的差值(ΔU＝U2－U3＝I2R)，形成的原因是輸電導線有電阻，電流通過輸電線時，會在線路上產(chǎn)生電勢降落，致使輸電線路末端的電壓比起始端電壓要低，這就是輸電線上的電壓損失。 (3)基本關系式： ①功率關系： P1＝P2，P2＝P線＋P3，P3＝P4。 ②電壓、電流關系： ＝＝，＝＝， U2＝U線 ＋U3，I2＝I3＝I線。 ③輸電電流：I線＝＝＝。 ④輸電導線上損耗的電功率： P損＝I線U線＝IR線＝()2R線。 【例3】 (2014浙江高考)如圖3所示為遠距離交流輸電的簡化電路圖。發(fā)電廠的輸出電壓是U，用等效總電阻是r的兩條輸電線輸電，輸電線路中的電流是I1，其末端間的電壓為U1。在輸電線與用戶間連有一理想變壓器，流入用戶端的電流為I2。則(　　) 圖3 A.用戶端的電壓為 B.輸電線上的電壓降為U C.理想變壓器的輸入功率為Ir D.輸電線路上損失的電功率為I1U 解析　理想變壓器輸入和輸出功率相同，設用戶端得到電壓為U2，所以I1U1＝U2I2，A項正確；輸電線上電壓降為ΔU＝I1r，或者ΔU＝U－U1，B項錯誤；理想變壓器輸入功率為P＝I1U1，C項錯誤；損失的功率ΔP＝Ir，D項錯誤。 答案　A 【例4】 遠距離輸電的原理圖如圖4所示，升壓變壓器原、副線圈的匝數(shù)分別為n1、n2，電壓分別為U1、U2，電流分別為I1、I2，輸電線上的電阻為R。變壓器為理想變壓器，則下列關系式中正確的是(　　) 圖4 A.＝ B.I2＝ C.I1U1＝IR D.I1U1＝I2U2 解析　對理想變壓器來說，電流與匝數(shù)成反比，A項錯誤；輸入功率等于輸出功率，D項正確；對輸電線中的電流I2＝，而U2>U損，所以B項錯誤；導線消耗的功率為P損＝IR，I1U1為升壓變壓器的輸入功率，與輸出功率相等，即I1U1＝I2U2，所以C項錯誤。 答案 D 　 1.中央電視臺多次報道某些邊遠地區(qū)落后，農(nóng)村電價過高，農(nóng)民負擔過重，其中客觀原因是電網(wǎng)陳舊老化。近年來進行農(nóng)村電網(wǎng)改造，為減少遠距離輸電的損耗而降低電費價格，可采取的措施有(　　) A.提高輸送功率 B.增大輸送電流 C.提高輸電電壓 D.減小輸電導線的橫截面積 解析　減少遠距離輸電的損耗的方法是減小導線電阻、提高輸電電壓。減小輸電導線的橫截面積使電阻增大，不可取。 答案　C 2.遠距離輸電線路的示意圖如圖5所示。若發(fā)電機的輸出電壓不變，則下列敘述中正確的是(　　) 圖5 A.升壓變壓器的原線圈中的電流與用戶用電設備消耗的功率無關 B.輸電線中的電流只由升壓變壓器原、副線圈的匝數(shù)比決定 C.當用戶用電器的總電阻減小時，輸電線上損失的功率增大 D.升壓變壓器的輸出電壓等于降壓變壓器的輸入電壓 解析　匝數(shù)比一定時，變壓器的輸入功率是由用戶消耗的功率決定的，選項A錯誤；變壓器輸入電流與變壓器匝數(shù)比和負載電阻都有關系，B錯誤；用戶用電器總電阻減小，據(jù)P＝，消耗功率增大，輸電線中電流增大，線路損失功率增大，C項正確；升壓變壓器輸出電壓等于輸電線路電阻上的損失電壓加上降壓變化器的輸入電壓，D項錯誤。 答案　C 3.遠距離高壓輸電時，已知升壓變壓器的輸出電壓為U，功率為P，降壓變壓器的輸入電壓為U′，輸電線的電阻為R，則輸電線損耗的P損的計算式為(　　) A.P損＝ B.P損＝ C.P損＝ D.P損＝ 解析　升壓變壓器的輸出電流為I＝＝，損耗的功率為P損＝I2R＝R＝。故選項D正確。 答案　D 4.利用超導材料零電阻的性質(zhì)，可實現(xiàn)無損耗輸電。現(xiàn)有一直流輸電系統(tǒng)，其輸電線總電阻R為0.4 Ω，輸送的電功率為40 kW，輸送電壓為800 V。如果用超導電纜替代原來的輸電線，保持供給用電器的功率和電壓不變，那么節(jié)約的電功率為(　　) A.1 kW B.1.6103 kW C.1.6 kW D.10 kW 解析　若用總電阻為0.4 Ω的輸電線，輸電線上損失的電功率ΔP＝I2R＝()2R＝1 kW，若用超導電纜替代原來的輸電線，ΔP′＝0，故選項A正確。 答案　A 5.發(fā)電廠輸出的交變電壓為2.2104 V，輸送功率為2.2106 W，在用戶處安裝一降壓變壓器，用戶得到電壓為220 V，發(fā)電廠到變壓器間的輸電導線總電阻為22 Ω，求： (1)輸電導線上損失的電功率； (2)降壓變壓器原、副線圈匝數(shù)之比為多少？ 解析　(1)輸送電流為I線＝＝ A＝100 A 則損失功率為P損＝I2R線＝100222 W＝2.2105 W。 (2)變壓器原線圈電壓U1為 U1＝U總－I線R線＝2.2104 V－10022 V＝19 800 V 所以原、副線圈匝數(shù)比＝＝。 答案　(1)2.2105 W (2)90∶1　 一、選擇題(在每小題給出的四個備選項中至少有一個是符合題目要求的。) 1.發(fā)電廠發(fā)電機的輸出電壓為U1，發(fā)電廠至學校的輸電導線的總電阻為R，通過導線的電流為I，學校得到的電壓為U2，則輸電線上損耗的電壓可表示為(　　) A.U1 B.U1－IR C.IR D.U2 解析　輸電線上的電壓損失ΔU＝U1－U2＝IR，選項B錯誤，C正確；U1為輸電電壓，U2為用戶得到的電壓，選項A、D錯誤。 答案　C 2.某山區(qū)小型水力發(fā)電站的發(fā)電機有穩(wěn)定的輸出電壓，它發(fā)出的電先通過電站附近的變壓器升壓，然后通過高壓輸電線路把電能輸送到遠處村寨附近的降壓變壓器，經(jīng)降低電壓后再輸送至村寨中各用戶。設變壓器都是理想的，那么隨著村寨中接入電路的用電器消耗的總功率的增加，則(　　) A.通過升壓變壓器初級線圈中的電流變大 B.升壓變壓器次級線圈兩端的電壓變小 C.高壓輸電線路上的電壓損失變大 D.降壓變壓器次級線圈兩端的電壓變小 解析　接入電路的用電器消耗的總功率增加，電路傳輸?shù)墓β示鸵黾樱虼送ㄟ^升壓變壓器初級線圈中的電流變大，則其次級線圈即輸電線上的電流增加，高壓輸電線路上的電壓損失變大，A、C正確；根據(jù)U1∶U2＝n1：n2知升壓變壓器次級線圈兩端的電壓不變，因輸電線上電壓降增大，所以降壓變壓器初級線圈兩端的電壓減小，則降壓變壓器次級線圈兩端的電壓變小，B錯誤，D正確。 答案　ACD 3.發(fā)電廠發(fā)出的交變電流直接送至用戶處，若輸出電壓為U1，輸電導線的總電阻為R，通過輸電導線的電流為I，輸電線末端的電壓為U2，下列式子不表示輸電導線上損耗的功率的是(　　) A. B. C.I2R D.I(U1－U2) 解析　輸電線上損耗的功率P損＝I2R＝＝IU損，而U損＝U1－U2，故選項A正確。 答案　A 4.一用電器距離電源為L，線路上的電流為I，若要求線路上的電壓降不超過U，已知輸電導線的電阻率為ρ，那么該輸電導線的橫截面積最小值是(　　) A. B. C. D. 解析　導線的電阻R＝ρ，線路上的電壓降最大為U＝IR。所以S＝。 答案　B 5.遠距離輸送一定功率的交變電流，若輸送的電壓升高為原來的n倍，關于輸電線上的電壓損失和功率損失正確的是(　　) A.輸電線上的電功率損失是原來的 B.輸電線上的電功率損失是原來的 C.輸電線上的電壓損失是原來的 D.輸電線上的電壓損失是原來的 解析　P損＝()2r，P損∝，故B項正確；U損＝r，U損∝，故C項正確。 答案　BC 6.為清除高壓輸電線上的凌冰，有人設計了這樣的融冰思路：利用電流的熱效應除冰。若在正常供電時，高壓線上送電電壓為U，電流為I，熱損耗功率為ΔP；除冰時，輸電線上的熱損耗功率需變?yōu)?ΔP，則除冰時(認為輸電功率和輸電線電阻不變)(　　) A.輸電電流為3I B.輸電電流為9I C.輸電電壓為3U D.輸電電壓為9U 解析　高壓線上的熱耗功率為ΔP＝I2R線，若熱耗功率變?yōu)?ΔP，則有9ΔP＝I′2R線，得I′＝3I，所以A項正確，B項錯誤；又輸送功率不變，由P＝UI＝U′I′得U′＝U，所以C、D項錯誤。 答案　A 7.(2017湖州高二質(zhì)檢)如圖1所示是遠距離輸電的示意圖，下列說法正確的是(　　) 圖1 A.a是升壓變壓器，b是降壓變壓器 B.a是降壓變壓器，b是升壓變壓器 C.a的輸出電壓等于b的輸入電壓 D.a的輸出電壓等于輸電線上損耗的電壓 解析　遠距離輸電先升壓，后降壓，選項A正確，選項B錯誤；由于輸電線上有電壓損耗，故a的輸出電壓等于b的輸入電壓與輸電線上損耗的電壓之和，選項C、D錯誤。 答案　A 8.(2018上海中學)在遠距離輸電時，輸電的電功率為P，輸電電壓為U，所用導線的電阻率為ρ，橫截面積為S，總長度為L，輸電線損耗的電功率為P′，用戶得到的電功率為P用，則P′、P用的表達式正確的是(　　) A.P′＝ B.P′＝ C.P用＝ D.P用＝P(1－) 解析　輸電線電阻R＝ρ，輸電電流I＝，故輸電線上損耗的電功率為P′＝I2R＝ρ＝，用戶得到的電功率為P用＝P－P′＝P(1－)，故B、D正確。 答案　BD 9.(2018金華高二)遠距離輸電，輸電的電功率為P，原來用電壓U0輸電，在輸電線上損耗的電功率為P損，現(xiàn)在要使輸電線上損耗的電功率減小到原來的1/10，則輸電電壓應為(　　) A.100 U0 B. U0 C. D. 解析　設輸電線的電阻為r，損耗的電功率為P損＝I2r，線路電流為I＝，解得P損＝r，P損′＝r，P損′＝P損，則U0′＝U0，選項B正確。 答案　B 二、非選擇題 10.一居民小區(qū)有440戶，以前每戶平均消耗電功率為100 W，使用的區(qū)間變壓器匝數(shù)比為165∶6，恰好能使額定電壓為220 V的家用電器正常工作，現(xiàn)在因家用電器增加，每戶平均消耗的電功率為250 W，若變壓器輸入電壓仍為6 600 V，區(qū)間輸電線線路不變，為了使家用電器正常工作，需更換區(qū)間變壓器，則更換后的區(qū)間變壓器的匝數(shù)比為多少？ 解析　未換變壓器時，輸電電流I＝＝ A＝200 A。輸出電壓U2＝U1＝6 600 V＝240 V，則由U線＝U2－U用＝IR線知，R線＝ Ω＝0.1 Ω。換變壓器后，I′＝＝ A＝500 A。線路損失電壓U線′＝I′R線＝50 V，變壓器輸出電壓U2′＝U用＋U線′＝220 V＋50 V＝270 V。變壓器匝數(shù)之比為n1∶n2＝U1∶U2′＝6 600∶270＝220∶9。 答案　220∶9 11.風力發(fā)電作為新型環(huán)保新能源，近幾年來得到了快速發(fā)展。如圖2所示風車陣中發(fā)電機輸出功率為100 kW，輸出電壓是250 V，用戶需要的電壓是220 V，輸電線電阻為10 Ω。若輸電線因發(fā)熱而損失的功率為輸送功率的4%，試求： 圖2 (1)在輸電線路中設置的升、降壓變壓器原、副線圈的匝數(shù)比； (2)用戶得到的電功率是多少。 解析　(1)輸電線損失的功率 P損＝P4%＝100 kW4%＝4 kW 輸電線電流I2＝＝ A＝20 A 升壓變電器輸出電壓U2＝＝ V＝5103 V 升壓變壓器原、副線圈匝數(shù)比：＝＝＝ 電壓損失U損＝I2R線＝2010 V＝200 V 降壓變壓器原線圈端電壓U3＝U2－U損＝4 800 V 降壓變壓器原、副線圈匝數(shù)比＝＝ (2)用戶得到的電功率即降壓變壓器的輸出功率為 P用＝P－P損＝P(1－4%)＝10096 % kW＝96 kW 答案　(1)1∶20　240∶11　(2)96 kW