2020版高中物理 第五章 5 电能的输送课件 新人教版选修3-2

5电能的输送[学习目标]1.知道电能输送的基本要求及电网供电的优点.2.知道远距离输电时输电线上电能的损失与哪些因素有关.3.理解减小电能损失的两个途径以及高压输电的道理.4.知道远距离输电线路的典型电路,能利用变压器和电路的规律解决远距离输电问题.课前预习掌握新知知识梳理一、输送电能的基本要求二、降低输电损耗的两个途径1.输电线的功率损失:P=,I为输电电流,r为输电线的电阻.I2r2.降低输电损耗的两个途径(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,应当选用的金属材料,还要尽可能增加导线的.(2)减小输电导线中的电流:为了减小输电电流,同时又要保证向用户提供一定的电功率,就要提高输电.前一种方法的作用十分有限,一般采用后一种方法.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110kV,220kV,330kV,输电干线已采用500kV,西北电网甚至达到750kV.电阻率小横截面积电压(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电压.三、电网供电1.远距离输电基本原理:在发电站内用变压器,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.3.电网供电的优点:电网供电可以减小断电的风险,调剂不同地区电力供需的平衡,保障供电的质量.使用电网,可以根据、水电、的特点,合理地调度电力.升压升压输电网络火电核电科学思维1.思考判断(1)在输送功率和输电电压一定,使用同种材料的导线时,越粗的导线损失的电压越小.()√(3)远距离输电线上的功率损失与输电线上电压损失的平方成正比.()(4)从发电厂发出的电输送到用户均需要采用高压输电.()(5)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.()(6)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.()(2)由P=2Ur可知,输电电压越小,输电线上电功率的损失就越小.()×√××√2.思维探究(1)增加导线的横截面积、采用高压输电都可以减少输电损失,为什么远距离输电都要采用高压输电呢?答案:利用升压变压器升压提高输送电压以减小输电线上的电流容易做到,且成本较低.比如电压升高到原来的2倍,输电电流变为原来的12,损失功率将增大为原来的14;而如果增加输电导线的横截面积,使功率损失变为原来的14,则输电线的横截面积将增大为原来的4倍,大大增加了一次性架设成本,并且导线的横截面积不可能无限地增大.(2)为什么在用电高峰期家中的白炽灯灯光较暗、洗衣机转动力度减弱?答案:用电高峰期高压输电线和变压器到家庭的输电线中电流较大,有较大的电压损失,加在用电器上的电压变低,达不到额定功率,因此白炽灯灯光较暗、洗衣机转动力度减弱.课堂探究突破要点要点一输电线上的电压和功率损失[探究导学]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).那么:(1)输到用户两端的电压U′与U,P,I及r之间有哪些关系式?(2)用户得到的电能与发电厂输出的电能相等吗?为什么?(3)功率损失的表达式是什么?降低功率损耗有哪些途径?(2)不相等.由于输电线有电阻,有一部分电能转化为电热而损失掉了.答案:(1)U′=U-ΔU=U-Ir=U-PU·r.(3)ΔP=I2r=22PU·r.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,即提高输送电压U.[要点归纳]1.输电线上的电压损失ΔU输电线路始端电压U与输电线路末端电压U′的差值,ΔU=U-U′=I·R线=PU·R线.③ΔP=2UR线.2.输电线上的功率损失ΔP(1)原因:输电导线有电阻R线,电流I流过输电线时,电流的热效应引起电功率的损失.(2)计算式:①ΔP=I2R线;②ΔP=ΔU·I;3.减少电压损失和功率损失的方法(1)减小输电线的电阻R线:根据R线=ρLS,可减小电阻率ρ,目前一般用电阻率较小的铜或铝作为导线材料;也可增大导线的横截面积S,但这要多耗费金属材料,增加成本,同时给输电线的架设带来很大的困难.(2)减小输电电流I:根据I=PU,在输送功率P一定,输电线电阻R线一定的条件下,输电电压提高到原来的n倍,输送电流可减为原来的1n,输电线上的功率损耗将降为原来的21n.注意:交流输电时,导线不但有电阻,还有线路的电感、电容产生的感抗和容抗,但高中阶段计算中,可将输电线看做纯电阻电路,不再考虑感抗和容抗对交流电路的影响.[例1]中国已投产运行的1000kV特高压输电,是目前世界上电压最高的输电工程.假设甲、乙两地原来用500kV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1000kV特高压输电,不考虑其他因素的影响.则()CA.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12D.输电线上损耗的电功率将变为原来的12核心点拨:(1)根据输送电功率P输=U输I输计算输电电流.(2)根据U降=I输R线计算输电线上降落的电压.(3)根据P损=I输2R线计算输电线上损耗的电功率.解析:由于P输不变,根据输送电功率P输=U输I输可知,输电电流I输=PU输输∝1U输,当U输变为原来的2倍时,则I输变为原来的12,故A错误;当输电电流变为原来的12时,根据输电线上降落的电压U降=I输R线∝I输可知,输电线上降落的电压也变为原来的12,故B错误,C正确;输电线上损耗的电功率P损=2I输R线∝2I输,所以输电线上损耗的电功率将变为原来的14,故D错误.学霸笔记(3)注意:①输电线为两条,不要光看到送电电路,还有一条回电电路.②区分输电电压U(指加在高压输电线始端的电压)与损失电压ΔU.输电线上功率损失的两种计算方法(1)P损=ΔUI=2RU,ΔU是输电线两端的电压,即输电线上损失的电压.(2)P损=(PU)2·R,U是指输送电压,即从发电站发出后,经过变压器升高后的电压.(教师备用)例1-1:某变电站用220V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?解析:设输送功率为P,输电电压U1=220V时,损失功率ΔP1=20%P;又因为ΔP1=21IR线,I1=1PU,解得ΔP1=221PUR线;现要求ΔP2=5%P,同理ΔP2=222PUR线,因此可得12PP=20%5%=2221UU,所以U2=2U1=440V.答案:440V[针对训练1-1](2018·陕西渭南期中)电站向远方送电,输送的电功率恒定,若将送电电压提高到原来的K倍,则()DA.输电电流也为原来的K倍B.输电导线上损失的电压为原来的K倍C.输电导线上损失的电功率为原来的K2倍D.输电导线上损失的电功率为原来的21K解析:设输电功率是P,输电电压为U,输电导线电阻为R,输电电流I=PU,故输电电流为原来的1K,故A错误;输电线上损失的电压ΔU=IR,为原来的1K,故B错误;输电损失的功率P损=I2R=(PU)2R,输电导线电阻R与输电功率P一定,如果输电电压提高到原来的K倍,输电功率损失减小到原来的21K,故C错误,D正确.要点二远距离输电过程的分析和计算[探究导学]如图是某发电站向远处送电的示意图.答案:(1)第一个回路:P1=U1I1;第二个回路:U2=ΔU+U3,P2=ΔP+P3=R+P3;第三个回路:P4=U4I4.(2)12UU=12nn,12II=21nn,P1=P2;34UU=34nn,34II=43nn,P3=P4.(1)分别分析三个回路中各物理量之间的关系.(2)两个理想变压器中的电流、电压、功率有什么关系?[要点归纳]1.画图、理清三个回路(如图所示)2.三个回路中各量关系(1)回路1中:I1=11PU,P输送=P1.(2)回路2中:①U2=ΔU+U3,②I2=22PU=I线=RU线=I3=33PU,③P2=ΔP+P3.(3)回路3中:I4=44PU,P4=P用.3.三个回路之间的联系(1)升压变压器回路1与回路2的联系:12UU=12nn=21II,P1=P2(或U1I1=U2I2).(2)降压变压器回路2与回路3的联系:34UU=34nn=43II,P3=P4=P用户(或U3I3=U4I4).[例2](2019·辽宁大连检测)发电站的输出电压为220V,输出功率为44kW,每条输电线的电阻为0.2Ω,求:(1)此时用户得到的电压和电功率各为多少?(2)如果发电站先用变压比为1∶10的升压变压器将电压升高,经同样的输电线路后经10∶1的降压变压器将电压降低后供给用户,则用户得到的电压和电功率各是多少?思维导图画出输电线路简图⇒标注两个变压器的匝数、输入及输出电压、电流、功率等⇒寻找突破口解析:(1)输电线上的电流IR=PU=44000220A=200A损失的电压UR=IRR=200×0.2×2V=80V损失的功率PR=URIR=80×200W=16kW故用户得到的电压U用户=U-UR=140V用户得到的功率P用户=P-PR=28kW.(2)已知升压变压器的匝数比n1∶n2=1∶10输入电压U1=220V因此,升压变压器的输出电压U2=21nnU1=2200V输电线上的电流IR′=2PU=440002200A=20A损失的电压UR′=IR′R=20×0.2×2V=8V损失的功率PR′=UR′IR′=8×20W=160W因此,降压变压器的输入电压U3=U2-UR′=2192V已知降压变压器的匝数比n3∶n4=10∶1所以用户得到的电压U4=43nnU3=219.2V用户得到的功率P用户′=P-PR′=43.84kW.答案:(1)140V28kW(2)219.2V43.84kW学霸笔记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)分析一条线——输电线,ΔP=I2R,ΔU=I2R往往是解题的切入点.(3)研究两次变——升压变压器升压和降压变压器降压.(4)区分三个量——输送电压(或功率)、损失电压(或功率)、用户电压(或功率).(教师备用)例2-1:如图所示,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.解析:(1)对升压变压器,据公式12UU=12nn,有U2=21nnU1=251×250V=6250VI2=22PU=12PU=1000006250A=16A.(1)求升压变压器的输出电压和输电导线中的电流;答案:(1)6250V16A解析:(2)P损=22IR线,P损=0.04P1所以R线=1220.04PI=15.625Ω因为ΔU=U2-U3=I2R线所以U3=U2-I2R线=6000V.(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.答案:(2)15.625Ω6000V[针对训练2-1]输送4.0×106W的电能,若发电机输出电压为2000V,选用变压器升压后应用横截面积为4.25cm2的铜导线,把电能送到400km远处,线路损耗的功率为5.0×105W.若已知铜的电阻率ρ=1.7×10-8Ω·m,求:(1)应选用匝数比为多少的升压变压器;解析:(1)由P=I2R得I=PR,式中P为线路损耗功率,R为线路总电阻,两条导线总电阻R=ρLS=ρ2LS,则R=1.7×10-8×5441024.2510Ω=32Ω,所以I=PR=125A因为P输入=P输出,所以在升压变压器副线圈两端的电压为U2=2PI=3.2×104V,故12nn=12UU=116.答案:(1)1∶16(2)在