電能的輸送高二物理備課必備講義（人教2019選擇性必修第二冊）（原卷版）

第三章交變電流第4節(jié)電能的輸送【核心素養(yǎng)目標】物理觀念理解遠距離輸電線上的能量損失與哪些因素有關科學思維應用理想變壓器、電路知識對簡單的遠距離輸電線路進行定量計算.科學探究了解交變電流從發(fā)電站到用戶的輸電過程．科學態(tài)度與責任通過電能的輸送知識應用的實例，感受物理中科學技術與社會的緊密聯(lián)系，體會科學知識的應用價值，進一步增強學生的學習動力和科學意識。知識點一輸電線上的電壓和功率損失【情境導入】假定輸電線路中的電流是I，用戶端的電壓是U，兩條導線的總電阻是r.在圖中，輸電線的電阻集中畫為一個電阻r.(1)怎樣計算輸電線路損失的功率？(2)在輸電電流一定的情況下，如果線路的電阻減為原來的一半，線路上損失的功率減為原來的幾分之一？在線路電阻一定的情況下，如果輸電電流減為原來的一半，線路上損失的功率減為原來的幾分之一？(3)通過對第(2)問的兩項計算，你認為哪個途徑對于降低輸電線路的損耗更為有效？(4)怎樣計算用戶消耗的功率P？(5)在保證用戶的電功率的前提下，怎樣才能減小輸電電流？【知識梳理】一、輸送電能的基本要求1．可靠：指保證可靠地工作，故障少．2．保質：保證電能的質量——和穩(wěn)定．3．經(jīng)濟：指輸電線路建造和運行的費用，電能損耗．二、降低輸電損耗的兩個途徑1．輸電線上的功率損失：P＝，I為輸電電流，r為輸電線的電阻．2．降低輸電損耗的兩個途徑(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，應當選用電阻率的金屬材料，還要盡可能增加導線的橫截面積．(2)減小輸電線中的電流：為了減小輸電電流，同時又要保證向用戶提供一定的電功率，就要輸電電壓．【重難詮釋】1．輸電線路的電壓損失輸電線始端電壓U與輸電線末端電壓U′的差值．ΔU＝U－U′＝Ir＝eq\f(P,U)r，其中I為輸電線上的電流，r為輸電線的電阻．2．輸電線路的功率損失(1)遠距離輸電時，輸電線有電阻，電流的熱效應引起功率損失，損失的電功率ΔP＝I2r.(2)若輸電線上損失的電壓為ΔU，則功率損失還可以表示為ΔP＝eq\f(?ΔU?2,r)，ΔP＝ΔU·I.3．減小電壓、功率損失的方法(1)減小輸電線的電阻由R＝ρeq\f(l,S)可知，距離l一定時，使用電阻率小的材料，增大導體橫截面積可減小電阻．(2)減小輸電電流I根據(jù)I＝eq\f(P,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，輸送電流可減為原來的eq\f(1,n)，輸電線上的功率損耗將降為原來的eq\f(1,n2).【典例精析】例1．(多選)在遠距離輸電時，輸送的電功率為P，輸電電壓為U，所有輸電導線的電阻率均為ρ，橫截面積均為S，兩地的距離為L，輸電線上損耗的電功率為P1，用戶得到的電功率為P2.下列關于P1和P2的表達式中正確的是()A．P2＝P(1－eq\f(2PρL,U2S)) B．P2＝P－eq\f(U2S,2ρL)C．P1＝eq\f(2P2ρL,U2S) D．P1＝eq\f(U2S,ρL)知識點二遠距離高壓輸電過程的分析與計算【情境導入】某發(fā)電站向遠處送電的示意圖如圖所示，其中各部分的物理量已在圖上標注，在這個電路中包括三個回路。(1)結合閉合電路的知識，分別分析三個回路中各物理量之間的關系(發(fā)電機內(nèi)阻，n1、n2、n3、n4線圈的電阻均忽略不計)。(2)若兩個變壓器均為理想變壓器，則每個變壓器中的電流、電壓、功率有什么關系？【知識梳理】電網(wǎng)供電1．遠距離輸電的基本原理：在發(fā)電站內(nèi)用變壓器升壓，然后進行遠距離輸電，在用電區(qū)域通過變壓器降到所需的電壓．2．電網(wǎng)：通過網(wǎng)狀的輸電線、，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——．3．電網(wǎng)輸電的優(yōu)點(1)降低一次能源的運輸成本，獲得最大的．(2)減小斷電的風險，調(diào)劑不同地區(qū)的平衡．(3)合理調(diào)度電力，使的供應更加可靠，質量更高．【重難詮釋】解決遠距離高壓輸電問題的基本方法1．首先應畫出遠距離輸電的電路圖(如圖)，并將已知量和待求量寫在電路圖的相應位置．2．理清三個回路：回路1：P1＝U1I1回路2：U2＝ΔU＋U3，P2＝ΔP＋P3＝I22R線＋P3，I2＝I3回路3：P4＝U4I4.3．常用關系(1)功率關系：P1＝P2，P2＝ΔP＋P3，P3＝P4.(2)電壓關系：eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)，U2＝ΔU＋U3，eq\f(U3,U4)＝eq\f(n3,n4).(3)電流關系：eq\f(I1,I2)＝eq\f(n2,n1)，I2＝I線＝I3，eq\f(I3,I4)＝eq\f(n4,n3).(4)輸電電流：I線＝eq\f(P2,U2)＝eq\f(P3,U3)＝eq\f(ΔU,R線).(5)輸電線上損耗的電功率：ΔP＝P2－P3＝I線2R線＝eq\f(?ΔU?2,R線)＝ΔU·I線．(6)輸電線上的電壓損失：ΔU＝I線R線＝U2－U3.(7)輸電效率η＝eq\f(P3,P2)×100%.【典例精析】例2．(多選)如圖所示，某小型發(fā)電站發(fā)電機輸出的交流電壓為500V，輸出的電功率為50kW，用總電阻為3Ω的輸電線向遠處送電，要求輸電線上損失功率為輸電功率的0.6%，則發(fā)電站要安裝一升壓變壓器，到達用戶再用降壓變壓器變?yōu)?20V供用戶使用(兩個變壓器均為理想變壓器)．對整個送電過程，下列說法正確的是()A．輸電線上的損失功率為300WB．升壓變壓器的匝數(shù)比為1∶100C．降壓變壓器的輸入電壓為4970VD．降壓變壓器的匝數(shù)比為100∶1針對訓練一、單選題1．如圖所示，一小型水電站通過升壓變壓器和降壓變壓器給某生活區(qū)供電，發(fā)電機組輸出電壓恒定，輸電線電阻保持不變。該生活區(qū)夜晚用電量大于白天用電量，則夜晚與白天比較（）A．發(fā)電機的輸出功率不變B．用戶獲得的電壓升高C．輸電線上損失的功率減小D．降壓變壓器輸入電壓降低2．圖（a）是目前世界上在建規(guī)模最大、技術難度最高的水電工程——白鶴灘水電站，是我國實施“西電東送”的大國重器，其發(fā)電量位居全世界第二，僅次于三峽水電站。白鶴灘水電站遠距離輸電電路示意圖如圖（b）所示，如果升壓變壓器與降壓變壓器均為理想變壓器，發(fā)電機輸出電壓恒定，R表示輸電線電阻，則當用戶功率增大時（????）A．示數(shù)增大，示數(shù)減小 B．、示數(shù)都減小C．輸電線上的功率損失增大 D．、示數(shù)的乘積等于、示數(shù)的乘積3．隨著經(jīng)濟發(fā)展，加之寒冬來臨，用電需求增加，當火力發(fā)電供應緊張時，通過遠距離調(diào)度方式，會及時將其他地區(qū)的風力發(fā)電、太陽能發(fā)電并入電網(wǎng)保障電力供應。如圖是遠距離輸電的原理圖，假設發(fā)電廠輸出電壓恒定不變，兩個變壓器均為理想變壓器。當用戶用電器增加（假設所有用電器均可視為純電阻），電網(wǎng)中數(shù)據(jù)發(fā)生變化，下列說法正確的是（????）A．降壓變壓器的輸出電流減小B．輸電線上損失的功率減小C．升壓變壓器的輸出電壓增大D．發(fā)電廠輸出的總功率增大4．遠距離輸電的模擬電路如圖所示，升壓變壓器原、副線圈的匝數(shù)比為，輸電線的電阻為R，降壓變壓器原、副線圈的匝數(shù)比為n，降壓變壓器副線圈連接多個并聯(lián)的燈泡。電路工作時交流電源的輸出電壓不變，升壓變壓器原線圈兩端的電壓為，其中的電流為；降壓變壓器副線圈兩端的電壓為，其中的電流為。以下說法正確的是（）A． B．C．若增加并聯(lián)燈泡的個數(shù)，會增大 D．若增加并聯(lián)燈泡的個數(shù)，會減小5．2022年夏天我國南方地區(qū)持續(xù)高溫，用戶用電量激增，使用戶端電壓有所降低。遠距離輸電的示意圖如圖所示，發(fā)電廠的輸出電壓保持不變，升壓變壓器和降壓變壓器均為理想變壓器，輸電線總電阻一定，當用戶用電量增加時，下列說法正確的是（）A．升壓變壓器的輸出電壓降低B．降壓變壓器的輸出電流增加C．輸電線上損失的功率不變D．發(fā)電廠的輸出功率不變二、多選題6．某同學在實驗室中研究遠距離輸電。由于輸電線太長，他將每100米導線卷成一卷，共卷成8卷來代替輸電線路（忽略輸電線路的自感作用）。第一次直接將輸電線與學生電源及用電器相連，測得輸電線上損失的功率為P1。第二次采用如圖所示的電路輸電，其中理想變壓器T1與電源相連，其原、副線圈的匝數(shù)比為，理想變壓器T2與用電器相連，測得輸電線上損失的功率為P2。下列說法錯誤的是（）A．前后兩次實驗都可用于研究遠距離直流輸電B．實驗可以證明，減小輸電電流能減小遠距離輸電的能量損失C．若輸送功率一定，則D．若輸送功率一定，則7．如圖所示，為了減少電能損失，一小型水電站用變壓比的理想升壓變壓器向距離較遠的用戶供電，已知發(fā)電機的輸出功率為46kW，輸電線路導線總電阻為，最后用戶得到220V、44kW的電力，則下列說法正確的是（）A．發(fā)電機的輸出電壓是460VB．輸電線上的電流是40AC．輸電線上損失的電壓是200VD．用戶降壓變壓器原、副線圈匝數(shù)比8．如圖為某水電站遠距離輸電的原理圖。升壓變壓器的原副線圈匝數(shù)比為，輸電線總電阻為，升壓變壓器和降壓變壓器均為理想變壓器，發(fā)電廠輸出的電壓恒為，若由于用戶端負載變化，使發(fā)電廠輸出功率增加了。下述正確的是（????）A．電壓表的示數(shù)不變，電壓表的示數(shù)減小B．電流表、的示數(shù)均增大C．輸電線上損失的電壓增加了D．輸電線上損失的功率增加了9．我國特高壓輸電技術全球領先。若在傳輸電能總功率不變情況下，從原先150kV高壓輸電升級為1350kV特高壓輸電，則下列說法正確的是（）A．若輸電線不變，則輸電線上損失的電壓變?yōu)樵鹊腂．若輸電線不變，則輸電線上損失功率變?yōu)樵鹊腃．如果傳輸距離相同，用相同材料、但橫截面積是原來的輸電線，則損失功率不變D．如果傳輸距離是原來的81倍，用相同材料、相同粗細的輸電線，則損失功率不變10．如圖所示，導線框繞垂直于勻強磁場的軸勻速轉動，產(chǎn)生的交變電動勢，導線框與理想升壓變壓器相連進行遠距離輸電。輸電線路的電流為2A，輸電線路總電阻為25Ω，理想降壓變壓器副線圈接人一臺電動機，電動機恰好正常工作，且電動機兩端的電壓為220V，電動機內(nèi)阻為8.8Ω，電動機的機械效率恒為80%，導線框及其余導線電阻不計，不計一切摩擦，則（）A．該發(fā)電機的電流方向每秒鐘改變50次，圖示位置線圈的磁通量變化率為0B．不計摩擦，線框轉動一圈過程中，克服安培力做功24JC．保持線框轉速不變，若電動機突然卡住，輸電線上的損耗功率將增加D．升壓變壓器原副線圈匝數(shù)比為2：5，降壓變壓器原副線圈匝數(shù)比為6：1三、解答題11．發(fā)電機輸出電壓為U1＝245V，先由變壓比為1:10的升壓變壓器升壓后輸送到用戶處，再用變壓比為10:1的降壓變壓器降壓后對11