2019-2020学年高中物理 第二章 交变电流 7 电能的输送课件 教科版选修3-2

7电能的输送[课标解读]1.知道输电线路上电压与功率损失的影响因素及解决办法.2.了解直流输电的原因及直流输电的简单过程.3.结合变压器的有关知识解决远距离输电问题．01课前自主梳理02课堂合作探究03课后巩固提升课时作业一、电能输送中的电压损失和电能损耗1．电压损失：由于导线自身存在着电阻，导致输送过程中存在着电压损失U损，U损＝.2．电能损耗：由于输电导线有电阻，在输电过程中必有一部分电能要转化成热而损失掉，即功率损耗，P损＝I2r.Ir3．减小输电导线上的功率损耗的两种方法(1)减小输电导线上的．(2)减小输电导线上的．由P＝UI可知，当传输功率P一定时，升高电压可以减小．电阻电流电流[思考]“提高电压，降低电流”与欧姆定律I＝UR矛盾吗？提示：不矛盾．欧姆定律是对纯电阻耗能元件而成立的定律，而“提高电压，降低电流”是从输送角度，由P＝IU，且P一定的条件下得出的结论．二、远距离输电系统1．电网图：目前世界各国都采用供电，如图是远距离输电示意图．电网2．基本原理：发电机发出的交变电流先送到变电站，将电压升高到220kV以上，进行送电；在用电区，先由第一级变电站将电压降到110kV，再送到第二级变电站，将电压降至10kV送到需要高压的用电区．对普通生活用电，则要用降压变压器进一步降到或220V.升压高压380V三、直流输电高压直流输电系统主要由、直流线路和三部分构成．实际上直流输电系统只在输电这个环节是直流，发电环节和用电环节仍是交流，输电过程中只用两根导线．整流站逆变站[思考]要减少输电损失，既可增加导线的横截面积，又可以采用高压输电减小输电线的电流，为什么远距离输电都采用高压输电呢？提示：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，输电电流就会变为原来的12，损失功率将为原来的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应为原来的4倍，大大增加了架设成本，再者导线的横截面积不可能无限地增大．要点一输电线上的电压损失和功率损失1．电压损失(1)概念：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′＝IR(R为输电线路电阻)．(2)减小输电线路电压损失的两种方法：①减小输电线路电阻由R＝ρlS可知，间距一定时，使用电阻率小的材料，增大导体横截面积可减小电阻．②减小输电电流I由P＝UI可知，当输送功率一定时，升高电压可以减小电流．2．功率损失(1)输送功率与损失功率：输送功率是指升压变压器输出的功率，损失功率是指由于输电线发热而消耗的功率，两者关系是ΔP＝P－P′(P为输送功率，P′为用户所得功率)．(2)除了利用ΔP＝P－P′计算输电线路上的功率损耗外，还可用下列方法计算．①ΔP＝I2R，I为输电线路上的电流，R为线路电阻.②ΔP＝ΔU2R，ΔU为输电线路上损失的电压，R为线路电阻．③ΔP＝ΔUI，ΔU为输电线路上损失的电压，I为线路上的电流．[特别提醒](1)分析电压损失时，注意U和ΔU的区别，U是输电电压，ΔU是输电线上损失的电压．(2)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，ΔU＝Ir、ΔP＝I2r＝ΔU2r＝ΔUI等公式都成立．[例1]某小型实验水电站输出功率是20kW，输电线路总电阻是6Ω.(1)若采用380V电压输电，求输电线路损耗的功率和用户得到的电压．(2)若改用5000V高压输电，用户端利用n1∶n2＝22∶1的变压器降压，求输电线路损耗的功率和用户得到的电压．[思路点拨](1)在输送功率一定时，输电电压越高，输电电流越小，且满足P＝IU.(2)计算电压损失的公式ΔU＝Ir，功率损失ΔP＝I2r.[解析](1)输电线上的电流为：I＝PU＝20×103380A≈52.63A，输电线路损耗的功率为：P损＝I2r＝52.632×6W≈16620W＝16.62kW.用户得到的电压为：U′＝U－Ir＝(380－52.63×6)V＝64.22V.(2)改用高压输电后，输电线上的电流变为：I1＝PU1＝20×1035000A＝4A，输电线路损耗的功率为P损1＝I21r＝42×6W＝96W.用户端在变压器降压前获得的电压为：U2＝U1－I1r＝(5000－4×6)V＝4976V.根据U2U3＝n1n2知，用户得到的电压为U3＝n2n1U2＝122×4976V≈226.18V.[答案](1)16.62kW64.22V(2)96W226.18V研究电压、功率损失要注意几个概念(1)输电电压是指加在高压输电线始端的电压U，损失电压是指在输电线路上降落的电压ΔU＝IR.(2)输送功率是指高压输电线始端输出的电功率．损失功率是指输电线上消耗的功率．1．(多选)远距离输送一定功率的交流电，若输送电压升高为原来的n倍，下列关于输电线上的电压损失和功率损失正确的是()A．输电线上的电功率损失是原来的1nB．输电线上的电功率损失是原来的1n2C．输电线上的电压损失是原来的1nD．输电线上的电压损失是原来的1n2解析：根据P＝IU知I＝PU，输电线上的功率损失P损＝I2R＝P2U2R.因输送功率一定，P损跟输送电压的平方成反比；U损＝PUR，U损跟输送电压成反比，所以正确选项为B、C.答案：BC2．关于电能输送的以下分析，正确的是()A．由公式P＝U2R知，输电电压越高，输电线上功率损失越多B．由公式P＝U2R知，输电导线电阻越大，输电线上功率损失越少C．由公式P＝I2R知，输电电流越大，输电线上功率损失越大D．由公式P＝UI知，输电导线上的功率损失与电流成正比解析：输电导线上损失的功率P线＝I2R线＝ΔU2R线，ΔU指输电线上损失的电压，而不是输电电压．答案：C由功率损失P＝P输U输2R线知：当输送功率P输一定时，减少输电线上功率损失的方法为提高输电电压或减小输电导线的电阻．要点二远距离输电的分析与计算1．解决远距离输电问题时，应首先画出输电的电路图．如图所示．2．分析三个回路，在每个回路中，变压器的原线圈是回路的用电器，而相应的副线圈是下一个回路的电源．3．综合运用下面三方面的知识求解(1)能量守恒：P＝U1I1＝U2I2＝P用户＋ΔPΔP＝I22r，P用户＝U3I3＝U4I4.(2)电路知识：U2＝ΔU＋U3，ΔU＝I2r.(3)变压器知识：U1U2＝I2I1＝n1n2，U3U4＝I4I3＝n3n4.4．(1)发电站的输送功率取决于用户消耗的功率，不是由发电站输出的功率决定用户和线路消耗的功率．(2)计算变压器的匝数比，可利用变压比计算，也可利用电流比计算，采用哪种方法，应通过分析已知条件确定．[例2]发电机的端电压为220V，输出电功率为44kW，输电导线的电阻为0.2Ω，如果用初、次级匝数之比为1∶10的升压变压器升压，经输电线后，再用初、次级匝数比为10∶1的降压变压器降压供给用户，求用户得到的电压和功率．[思路点拨]首先画出输电示意图，然后根据变压器的电压、电流、功率关系列式求解．[解析]输电线路示意图如图所示．升压变压器次级的输出电压U2＝n2n1U1＝101×220V＝2200V.据升压变压器输出电功率等于输入电功率知，升压变压器次级输出电流I2＝PU2＝44×1032200A＝20A.输电线路上的电压损失和功率损失分别为UR＝I2R＝20×0.2V＝4V，PR＝I22R＝202×0.2W＝80W.加到降压变压器初级线圈上的输入电流和电压为I3＝I2＝20A，U3＝U2－UR＝2200V－4V＝2196V降压变压器次级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＝I4U4＝200×219.6W＝4.392×104W.[答案]219.6V4.392×104W解决远距离输电问题时的思路(1)首先要画出输电的示意图并标明相关物理量．(2)再以理想变压器为界将电路划分为几个独立的回路，对每个回路应用欧姆定律，串、并联规律等知识求解．(3)最后再通过变压器建立起回路间的关系．1．如图为远距离输电示意图，两变压器均为理想变压器，升压变压器T的原、副线圈匝数分别为n1、n2，在T的原线圈两端接入一电压u＝Umsinωt的交流电源，若输送电功率为P，输电线的总电阻为2r，不考虑其他因素的影响，则输电线上损失的电功率为()A.n1n2U2m4rB.n2n1U2m4rC．4n1n22PUm2rD．4n2n12PUm2r解析：电源提供的交变电流最大值为Um，因此有效值U1＝Um2，经过升压变压器，根据U1U2＝n1n2，得U2＝n2Um2n1，输电电流I＝PU2＝2n1Pn2Um，所以输电线上损失的功率ΔP＝I2·2r＝4n1n22PUm2r，C正确．答案：C2．风力发电作为新型环保新能源，近几年来得到了快速发展，如图所示风车阵中发电机输出功率为100kW，输出电压是250V，用户需要的电压是220V，输电线电阻为10Ω.若输电线因发热而损失的功率为输送功率的4%，试求：(1)在输电线路中设置的升、降压变压器原、副线圈的匝数比；(2)画出此输电线路的示意图；(3)用户得到的电功率．解析：(1)P损＝P×4%＝I22R线，I2＝400010A＝20A.P＝U2I2，U2＝100×10320V＝5000V.升压变压器原、副线圈匝数比n1n2＝2505000＝120.U3＝U2－U损＝U2－I2R线＝4800V.降压变压器原、副线圈匝数比n3n4＝4800220＝24011.(2)如图所示(3)用户得到的电功率即降压变压器的输出功率为P用＝P－P损＝P(1－4%)＝100×96%kW＝96kW.答案：(1)1∶20240∶11(2)图见解析(3)96kW在远距离输电问题中，也要时刻注意能量守恒这一线索，即发电机的总功率应等于线路上损失的热功率和用户得到的功率之和(在不考虑变压器自身的能量损失的条件下)．[随堂训练]1．在远距离输电过程中，为减少输电线路上的电能损失，可采用的最佳方法是()A．使输电线粗一些B．减小输电线长度C．减少通电时间D．采用高压输电解析：从造成电能损失的原因分析，要减少电能损失，需要减小电阻、减少输电电流，减少电阻已达到目前技术的极限了．因此，应当采用高压输电，减小输电电流．答案：D2．在远距离输电中，原来用电压U0输电，输电线上损失的电功率为P0，现在要使输电线上损失的电功率减小到原来的110，则输电电压应为()A．100U0B.10U0C.U010D.U0100解析：P损＝I2r，I＝PU0，解得P损＝P2U20r，所以P损∝1U20，所以当P损为原来的110时，U0′＝10U0，B正确．答案：B3．用U1＝U和U2＝kU两种电压来输送电能，若输送的功率相同，在输电线上损失的功率相同，导线的长度和材料也相同，则在两种情况下导线的横截面积S1∶S2为()A．k∶1B．1∶kC．k2∶1D．1∶k2解析：输电电流I＝PU，能量损失P损＝I2R＝I2ρLS，所以S＝I2ρLP损＝P2ρLP损U2，所以S∝1U2，所以S1∶S2＝(kU)2∶U2＝k2∶1.答案：C4．(多选)我国“西电东送”采用高压直流输电，继三峡至常州500kV直流输电工程后，2013年6月18日又实现了四川至上海的800kV直流输电工程，成功将四川地区704万千瓦电力高效输送至2000千米外的上海，刷新了输电工程输送功率的世界纪录，如图所示为其输电示意图．关于高压直流输电，下列说法正确的是()A．高压输电有利于减小输电电流，从而减少输电导线上的能量损失B．该装置中升、降压变压器的原副线圈中都是直流电C．直流输电有利于减小输电线路中感抗和容抗的影响D．高压输电有利于降低对输电线路绝缘性能的要求解析：A项，高压输电，功率一定，则减小了输电电流，根据P损＝I2R，知输电导线