2015-2016学年高中物理56电能的输送学案新人教版选修3-2

1电能的输送[目标定位]1.了解远距离输电线路的基本构成.2.掌握远距离输电线上的能量损失与哪些因素有关.3.应用理想变压器、电路知识对简单的远距离输电线路进行定量计算．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：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：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输电线上的功率损失ΔP＝I2R线，I为输电电流，R线为输电线的电阻．(1)减小输电线的电阻：在输电距离一定的情况下，为了减小电阻，应当选用电阻率小的金属材料，还要尽可能增加导线的横截面积．(2)减小输电导线中的电流：为减小输电电流，同时又要保证向用户提供一定的电功率，就要提高输电电压．二、电网供电1．远距离输电的基本原理：远距离输电的基本电路如图1所示．图1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压降到所需的电压．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．电网送电的优点：(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．想一想在图1中，甲同学说U2＝I2R线，乙同学说P2＝I22R线．他们的说法对吗？正确关系是2什么？答案都不对．I2R线是输电线上损失的电压，I22R线是输电线上损失的功率，正确关系是U2＝I2R线＋U3，P2＝I22R线＋P3.一、降低输电损耗的两个途径1．输电线上的功率损失(1)损失功率计算：设输电电流为I，输电线电阻为R线，则输电线上的功率损失为ΔP＝I2R线．(2)减小输电线上功率损失的方法．①减小输电线的电阻R线：由R线＝ρlS得，要减小R线，在l保持不变的情况下，可以减小ρ，增大S.②减小输电电流I：由P＝UI得，在输送功率一定的情况下，提高输电电压，即可减小输电电流．采用高压输电是减小输电线上功率损失最有效、最经济的措施．2．输电线上的电压损失(1)输电线路始端电压U跟末端电压U′的差值，称为输电线上的电压损失，ΔU＝U－U′，如图2所示，电压损失还可以表示为ΔU＝IR线＝PUR线．图2(2)减少输电线上电压损失的方法．①减小输电线的电阻．②提高输送电压．例1远距离输送一定功率的交变电流，若输电电压升高为原来的n倍，关于输电线上的电压损失和功率损失正确的是(不考虑电抗产生的损失)()A．功率损失是原来的1nB．功率损失是原来的1n23C．电压损失是原来的1nD．电压损失是原来的n倍解析设输电电压为U，所输送的功率为P，输电线路总电阻为R线，则输电电流I线＝PU，线路的功率损失ΔP＝I2线R线＝P2R线U2，可知ΔP∝1U2，当输电电压U升高为原来的n倍时，功率损失变为原来的1n2，故选项A错误，选项B正确；线路上的电压损失ΔU＝I线R线＝PR线U，可知ΔU∝1U，当输电电压升高为原来的n倍时，电压损失变为原来的1n，故选项C正确，选项D错误．答案BC针对训练发电厂发电机的输出电压为U1，发电厂至学校的输电线总电阻为R线，通过输电线的电流为I，学校输入电压为U2，下列计算输电线功率损耗的式子中，正确的是()A.U21R线B.U1－U22R线C．I2R线D．I(U1－U2)答案BCD解析输电线功率损耗P损＝I2R线＝U2线R线＝IU线，其中U线＝U1－U2，故B、C、D正确．二、远距离输电的输送电路及基本关系1．输电线路的构成由发电机、升压变压器、输电导线、降压变压器、用电器构成．2．远距离输电的基本关系(如图3所示)图3(1)功率关系P1＝P2，P3＝P4，P2＝ΔP＋P3→能量守恒(2)电压、电流关系U1U2＝n1n2＝I2I1，U3U4＝n3n4＝I4I3→理想变压器4U2＝ΔU＋U3，I2＝I3＝I线→串联电路中电压、电流关系输电线中电流：I线＝P2U2＝P3U3＝U2－U3R线.输电线上损耗的电功率：ΔP＝ΔUI线＝I2线R线＝P2U22R线.3．特别强调(1)升压变压器副线圈的电压不等于降压变压器原线圈的电压，输电线上的电压损失ΔU＝I线R线，输电线上的功率损耗ΔP＝I2线R线．(2)输电线的电阻计算时，应注意输电线长度为距离的两倍．(3)处理远距离输电问题．首先要画出输电线路示意图，并将已知量和待求量写在电路图的相应位置．其次解题时要抓“两头”——电源、用电器．要注意“中间一条线”——输电线，以变压器为界将整个输电电路划分为三个独立的回路．以变压器为联系的纽带将“两头”与中间“输电线”联系起来，利用能量守恒、变压比、变流比等规律进行分析与计算．例2如图4所示，发电站通过升压变压器、输电导线和降压变压器把电能输送到用户(升压变压器和降压变压器都可视为理想变压器)，若发电机的输出功率是100kW，输出电压是250V，升压变压器的原、副线圈的匝数比为1∶25，求：图4(1)升压变压器的输出电压和输电导线中的电流；(2)若输电导线中的电功率损失为输入功率的4%，求输电导线的总电阻和降压变压器原线圈两端的电压．解析(1)对升压变压器，据公式U2U1＝n2n1，有U2＝n2n1U1＝251×250V＝6250VI2＝P2U2＝P1U2＝1000006250A＝16A(2)P损＝I22R线，P损＝0.04P1所以R线＝0.04P1I22＝15.625Ω因为ΔU＝U2－U3＝I2R线所以U3＝U2－I2R线＝6000V5答案(1)6250V16A(2)15.625Ω6000V例3发电机两端的电压为220V，输出功率44kW，输电导线的总电阻为0.2Ω，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到用户，求用户得到的电压和功率．解析(1)线路示意图如图所示．(2)由图可知，升压变压器副线圈两端的输出电压U2＝n2n1U1＝2200V．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＝PU2＝44×1032200A＝20A，输电线上的功率损失和电压损失分别为P损＝I22R线＝202×0.2W＝80W.U损＝I2R线＝20×0.2V＝4V.所以降压变压器原线圈的输入电压和电流为U3＝U2－U损＝2200V－4V＝2196V，I3＝I2＝20A.降压变压器副线圈的输出电压和电流为U4＝n4n3U3＝110×2196V＝219.6V，I4＝n3n4I3＝10×20A＝200A.用户得到的功率为P4＝U4I4＝219.6×200W＝4.392×104W.(3)若直接用220V低压供电，线圈示意图如图所示，则输电电流I′＝PU1＝44×103220A＝200A.输电线路上的电压损失ΔU′＝I′R线＝200×0.2V＝40V.所以用户得到的电压U2′＝U1－ΔU′＝220V－40V＝180V，用户得到的功率为P′＝U2′I′＝180×200W＝3.6×104W.答案见解析6输电线上损耗的问题1．某发电厂原来用电压为U1的交流电输电，后改用变压比为1∶50的升压变压器将电压升高为U2后输电，输送的电功率保持不变．若输电线路的总电阻为R线，则下列说法中正确的是()A．由公式I＝PU2可知，提高电压后输电线上的电流降为原来的150B．由公式I＝U2R线可知，提高电压后输电线上的电流增为原来的50倍C．由公式P＝I2R线可知，提高电压后输电线上的功率损耗减为原来的12500D．由公式P＝U22R线可知，提高电压后输电线上的功率损耗增大为原来的2500倍答案AC解析由U1U2＝n1n2可知，U2＝50U1，输送功率不变，由公式I＝PU2可知，输电线中的电流变为原来的150，选项A正确；由P＝I2R线可知，输电线上的功率损耗减为原来的12500，选项C正确；选项B、D中的U2应为损失的电压，所以选项B、D错误．2．某水电站，用总电阻为2.5Ω的输电线输电给500km外的用户，其输出电功率是3×106kW.现用500kV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2×105AB．输电线上由电阻造成的损失电压为15kVC．若改用5kV电压输电，则输电线上损失的功率为9×108kWD．输电线上损失的功率为ΔP＝U2R，U为输电电压，R为输电线的电阻答案B解析输电线上输送的电流为I＝PU＝3×106×103500×103A＝6×103A，A项错误；输电线上损失的电压为ΔU＝IR＝6×103×2.5V＝1.5×104V＝15kV，B项正确；当用5kV电压输电时，输电线上损失的功率若超过3×106kW，与实际情况相矛盾，故C项错误；当用公式ΔP＝U2R计算损失的功率时，U为输电线上损失的电压而不是输电电压，D项错误．远距离高压输电的应用3．某小型水电站的电能输送示意图如图5所示，发电机的输出电压为200V，输电线总电7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220V的用电器正常工作，则()图5A.n2n1＞n3n4B.n2n1＜n3n4C．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答案AD解析由于输电线上有电阻，所以考虑到电压损失，则有升压变压器的输出电压大于降压变压器的输入电压，根据变压器的电压与匝数的关系，可知要让用电器正常工作，必须有n2n1＞n3n4，故A项对，B、C项错；考虑到输电线上有电功率的损失，可知D项对．(时间：60分钟)题组一输电线路中的损耗问题1．远距离输送交流电都采用高压输电．我国正在研究用比330kV高得多的电压进行输电．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．可减小输电线上的能量损失D．可加快输电的速度答案AC2．超导材料电阻降为零的温度称为临界温度.1987年我国科学家制成了临界温度为90K的高温超导材料，利用超导材料零电阻的性质，可实现无损耗输电．现有一直流电路，输电线的总电阻为0.4Ω，它提供给用电器的电功率为40kW，电压为800V．如果用临界温度以下的超导电缆替代原来的输电线，保持供给用电器的功率和电压不变，那么节约的电功率为()A．1kWB．1.6×103kW8C．1.6kWD．10kW答案A3．2014年2月初，低温雨雪冰冻造成我国东部部分地区停电，为消除高压输电线上的冰凌，有人设计了这样的融冰思路：利用电流的热效应除冰．若在正常供电时，输电线上送电电压为U，电流为I，热耗功率为ΔP；除冰时，输电线上的热耗功率需变为9ΔP，则除冰时(认为输电功率和输电线电阻不变)()A．输电电流为3IB．输电电流为9IC．输电电压为3UD．输电电压为13U答案AD解析输电线上的热耗功率ΔP＝I2R线，若热耗功率变为9ΔP，则9ΔP＝I′2R线，联立得I′＝3I，A对；输送功率不变，即P＝UI＝U′I′，得U′＝13U，所以D对．4．在远距离输电时，输送的电功率为P，输电电压为U，所用导线的电阻率为ρ，横截面积为S，总长度为l，输电线损失的功率为ΔP，用户得到的功率为P′，则下列关系式正确的是()A．ΔP＝U2SρlB．ΔP＝P2ρlU2SC．P′＝P－U2SρlD．P′＝P1－PρlU2S答案BD解析输电线电阻为R线＝ρlS，输电电流为I＝PU，故输电线上损失的电功率为ΔP＝I2R线＝PU2ρlS＝P2ρlU2S，用户得到的电功率为P′＝P－ΔP＝P1－PρlU2S.5．照明供电线路的路端电压基本上是保持不变的，可是我们在晚上七八点钟用电高峰时开灯，电灯比深夜时要显得暗些，这是因为此时()A．总电阻比深夜时大，干路电流小，每盏灯分到的电压就小B．总电阻比深夜时大，干路电流小，每一支路的电流就小C．总电阻比深夜