2022年高中物理选修（3-2）第2章 第7节《电能的输送》word学案

2022年高中物理选修（3-2）第2章 第7节电能的输送word学案目标定位 1.理解输电线上电能的损失与哪些因素有关.2.理解减小电能损失的两个途径以及高压输电的原理.3.知道远距离输电的典型电路，并能利用变压器和电路的规律解决实际问题一、电能输送中的电压损失和电能损耗问题设计如图1所示，假定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，输送功率为P，发电厂输出的电压为U.那么：图1(1)远距离大功率输电面临的困难是什么？(2)输电线上功率损失的原因是什么？功率损失的表达式是什么？降低输电损耗的两个途径是什么？(3)为什么远距离输电必须用高压呢？答案(1)在输电线上有功率损失(2)由于输电线有电阻，当有电流流过输电线时，有一部分电能转化为电热而损失掉了，这是输电线上功率损失的主要原因功率损耗表达式：P损I2r.所以降低输电损耗的两个途径为：减小输电线的电阻r；减小输电电流I.(3)因为发电厂的输出功率P是一定的，由PUI知，要减小输电电流I，必须提高输出电压U.要点提炼输电线上的电压损失和功率损耗(设输电线上电阻为r，电流为I)1电压损失输电线始端电压U与输电线末端电压U的差值U损UUIr.2功率损耗(1)远距离输电时，输电线有电阻，电流的热效应引起功率损耗，损耗的功率P损I2r.(2)若输电线上损失的电压为U损，则功率损耗还可以表示为P损，P损U损I.3减小电压损失和功率损耗的方法(1)减小输电线的电阻由R可知，距离l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PUI可知，当输送功率一定时，升高电压可以减小电流二、远距离输电电路中的各种关系问题设计某发电站向远处送电的示意图如图2所示，其中各部分的物理量已在图上标注，在这个电路中包括三个回路图2(1)结合闭合电路的知识，分别分析三个回路中各物理量之间的关系(发电机内阻，n1、n2、n3、n4线圈的电阻均忽略不计)(2)每个变压器中的电流、电压、功率有什么关系？答案(1)第一个回路：P1U1I1第二个回路：U2U损U3，P2P损P3IRP3第三个回路：P4U4I4(2)若两个变压器为理想变压器，则有：、P1P2；、P3P4.要点提炼远距离输电问题的分析1远距离输电基本原理在发电站内用升压变压器升压，然后进行远距离输电，在用电区通过降压变压器降到所需的电压2解决远距离输电问题时，应首先画出输电的电路图，参考图2，并将已知量和待求量写在电路图的相应位置3分析三个回路，在每个回路中，变压器的原线圈是回路的负载，而相应的副线圈是下一个回路的电源4综合运用下面三方面的知识求解(1)能量守恒：PU1I1U2I2P用户P损P损IRP用户U3I3U4I4.(2)电路知识：U2U损U3U损I2R.(3)变压器知识：.其中P损IR，U损I2R往往是解题的切入点一、输电线上功率损耗的计算例1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90 K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0.4 ，它提供给用电器的电功率为40 kW，电压为800 V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()A1 kW B1.6103 kWC1.6 kW D10 kW解析输电线中电流I，输电线上损失功率PI2R线1 kW.答案A例2三峡电站某机组输出的电功率为50万千瓦(1)若输出的电压为20万伏，则输电线上的电流为多少？(2)某处与电站间每根输电线的电阻为10欧，则输电线上损失的功率为多少？它占输出功率的比例是多少？(3)若将电压升高至50万伏，输电线上的电流为多少？输电线上损失的功率又为多少？它占输出功率的比例是多少？解析(1)由PUI，得I2 500 A(2)输电线上损失的功率P损I22r2 5002210 W1.25108 W损失功率与输出功率之比为(3)将电压升高至50万伏时，I1 000 A输电线上损失的功率P损I22r1 0002210 W2107 W损失功率与输出功率之比为答案(1)2 500 A(2)1.25108 W(3)1 000 A2107 W二、远距离输电问题例3某小型水电站的电能输送示意图如图3所示，发电机的输出电压为200 V，输电线总电阻为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220 V 的用电器正常工作，则()图3A.B.C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解析由于输电线上的功率损耗，故升压变压器的输出功率大于降压变压器的输入功率，故选项D正确.，因为U1200 VU3U2U线，故，选项A正确答案AD例4发电机的输出电压为220 V，输出功率为44 kW，输电导线的电阻为0.2 ，如果用原、副线圈匝数之比为110的升压变压器升压，经输电线后，再用原、副线圈匝数比为 101的降压变压器降压供给用户，则：(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将电输送到用户，求用户得到的电压和功率解析(1)示意图如图所示(2)升压变压器的输出电压U2U1220 V2 200 V根据升压变压器输出功率等于输入功率知，升压变压器输出电流为I2 A20 A输电线路上的电压损失和功率损耗分别为URI2R200.2 V4 VPRIR2020.2 W80 W降压变压器上的输入电流和输入电压分别为I3I220 AU3U2UR2 200 V4 V2 196 V降压变压器上的输出电压和输出电流分别为U4U32 196 V219.6 VI4I31020 A200 A用户得到的功率为P4I4U4200219.6 W4.392104 W(3)若不采用高压输电，用220 V低压直接供电时，电路如图所示则输电电流I A200 A，输电线路上的电压损失URIR2000.2 V40 V所以用户得到的电压为U4U1UR220 V40 V180 V用户得到的功率为P4IU4200180 W3.6104 W答案(1)见解析图(2)219.6 V4.392104 W(3)180 V3.6104 W1(输电线上功率损失的计算)中国已投产运行的1 000 kV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500 kV的超高压输电，输电线上损耗的电功率为P.在保持输送电功率和输电线电阻都不变的条件下，现改用1 000 kV特高压输电，若不考虑其他因素的影响，则输电线上损耗的电功率将变为()A. B. C2P D4P答案A解析在超高压输电中，设输送电功率为P，输电电压为U，输电线电阻为R，则输电线上损耗的电功率为P2R，当输电电压升为原来的2倍时，输电线损耗的电功率变为原来的，故选A.2(输电线上电压损失问题)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用电高峰时()A总电阻比深夜时大，供电线路上的电流小，每盏灯两端的电压较低B总电阻比深夜时大，供电线路上的电流小，通过每盏灯的电流较小C总电阻比深夜时小，供电线路上的电流大，输电线上损失的电压较大D供电线路上电流恒定，但开的灯比深夜时多，通过每盏灯的电流小答案C解析照明供电线路的用电器是并联的，晚上七、八点钟用电高峰时，用电器越多，总电阻越小，供电线路上的电流越大，供电线上损失的电压较大，用户得到的电压较小，故选C.3(远距离输电问题)某小型水电站发电机输出的电功率为100 kW，输出电压为250 V，现准备向远处输电所用输电线的总电阻为8 ，要求输电时在输电线上损失的电功率不超过输送电功率的5%.用户获得220 V电压，求应选用匝数比分别为多大的升压变压器和降压变压器？答案11619011解析依题意作出输电示意图如图所示，升压变压器原线圈的电流为I1 A400 A当输电线上损失的电功率为输送电功率的5%时，输电线中的电流为I2，则IR线5%P.所以I2 A25 A升压变压器T1的匝数比为.U2U14 000 V.则U3U2R线I24 000 V825 V3 800 V.所以降压变压器T2的匝数比为.题组一减小输电损耗的途径1中央电视台焦点访谈多次报道某些边远落后农村电价过高，农民负担过重，其客观原因是电网陈旧老化近来，农村进行电网改造，为减少远距离输电的损耗而降低电费价格可采取的措施有()A提高输送功率 B增大输送电流C提高输电电压 D减小输电导线的横截面积答案C解析电费高低与线路损耗有关，损耗越大，电费越高，减少损耗的途径：一、减小输电导线中的电流，即可提高输电电压；二、减小输电线的电阻，即增大导线的横截面积，故C正确2如图1所示为远距离高压输电的示意图关于远距离输电，下列表述正确的是()图1A增加输电导线的横截面积有利于减少输电过程中的电能损耗B高压输电是通过减小输电电流来减少电路的发热损耗的C在输送电压一定时，输送的电功率越大，输电过程中的电能损耗越小D高压输电必须综合考虑各种因素，不一定是电压越高越好答案ABD解析依据输电原理，电路中的功率损耗P损I2R线，而R线，增大输电导线的横截面积，可减小输电线的电阻，则能够减少输电过程中的电能损耗，选项A正确；由P输UI知，在输送功率P输一定的情况下，输送电压U越大，则输电电流I越小，则电路中的功率损耗越小，选项B正确；若输送电压一定，输送功率P输越大，则电流I越大，电路中损耗的电功率越大，选项C错误；因为输电电压越高，对于安全和技术的要求也越高，因此并不是输送电压越高越好，高压输电必须综合考虑各种因素，选项D正确题组二输电线上功率损失的计算3输电线路的总电阻为R，发电站输出功率为P，输电电压为U，则用户得到的功率为()AP BP()2RCP D()2R答案B解析用户得到功率P得PI2RP()2R，所以B正确4发电厂发电机的输出电压为U1，发电厂至用户的输电导线的总电阻为R，通过输电导线的电流为I，输电线末端的电压为U2，下列选项表示输电导线上损耗的功率的是 ()A. B.CI2R DI(U1U2)答案BCD解析输电线上功率损耗P损I2RIU损，而U损U1U2，故B、C、D正确5输电导线的总电阻为R，输送电功率为P.现分别用U1和U2两种电压来输电，则两次输电线上损失的功率之比为()AU1U2BUUCUU DU2U1答案C解析由PUI得输电线中的电流I.输电线上损失的功率P损I2R()2R，即在输送功率和输电线电阻不变的情况下，损耗的功率与输电电压的平方成反比所以两次输电线上损耗的功率之比P损1P损2UU，选项C正确6某发电厂原来用11 kV的交变电压输电，后来改用升压变压器将电压升到220 kV输电，输送的电功率都是P.若输电线路的电阻为R，则下列说法中正确的是()A根据公式I，提高电压后输电线上的电流降为原来的B根据公式I，提高电压后输电线上的电流增为原来的20倍C根据公式P损I2RR，提高电压后输电线上的功率损耗减为原来的D根据公式P损，提高电压后输电线上的功率损失增大为原来的400倍答案AC解析输电线上电流为I，也可以用I来表示，其中U损为输电线电阻R两端的电压，而不是输送电压，故A正确，B错误；输电线上的功率损耗为P损I2RR，C正确；如果用P损，则U应为R两端的电压U损，故D错误题组三远距离输电问题7如图2所示，图甲是远距离输电线路的示意图，图乙是发电机输出电压随时间变化的图像，则()图2A用户用电器上交流电的频率是100 HzB发电机输出交流电的电压有效值是500 VC输电线上的电流只由降压变压器原、副线圈的匝数比决定D当用户用电器的总电阻增大时，输电线上损耗的功率减小答案D解析由ut图像可知，交流电的周期T0.02 s，故频率f50 Hz，选项A错误；交流电的电压最大值Um500 V，故有效值U250 V，选项B错误；输电线上的电流由降压变压器副线圈上的电阻和降压变压器原、副线圈的匝数比决定，选项C错误；当用户用电器的总电阻增大时，副线圈上的电流减小，根据，原线圈(输电线)上的电流减小，根据PIR得，输电线损耗的功率减小，选项D正确8如图3所示为远距离交流输电的简化电路图发电厂的输出电压是U，用等效总电阻是r的两条输电线输电，输电线路中的电流是I1，其末端间的电压为U1.在输电线与用户间连有一理想变压器，流入用户端的电流是I2.则()图3A用户端的电压为B输电线上的电压降为UC理想变压器的输入功率为IrD输电线路上损耗的电功率为I1U答案A解析根据理想变压器的工作原理，得I1U1I2U2，所以用户端的电压U2，选项A正确；输电线上的电压降UI1rUU1，选项B错误；变压器的输入功率P1I1UIrI1U1，选项C错误；输电线路上损耗的功率PIrI1(UU1)，选项D错误9一台发电机最大输出功率为4 000 kW，电压为4 000 V，经变压器T1升压后向远方输电，输电线路总电阻R1 k，到目的地经变压器T2降压，负载为多个正常发光的灯泡(规格为“220 V60 W”)若在输电线路上损耗的功率为发电机输出功率的10%，变压器T1和T2的损耗可忽略，发电机处于满负荷工作状态，则 ()AT1原、副线圈电流分别为103 A和20 ABT2原、副线圈电压分别为1.8105 V和220 VCT1和T2的变压比分别为150和401D有6104盏灯泡(220 V60W)正常发光答案ABD解析根据题意画出输电线路示意图如图所示对升压变压器有P1U1I1，可知I1103 A，由输电线上损耗的功率P损IR线400 kW可知，输电线上电流为I220 A，A项正确；T1的变压比为n1n2I2I1150，根据PU2I2，得U22105 V，输电线上电压U线I2R线2104 V，则变压器T2的输入电压为U3U2U线1.8105 V，又灯泡正常发光，可知T2的输出电压U4为220 V，B项正确；T2的变压比为n3n4U3U41.8105220，C项错误；降压变压器的输入功率等于输出功率U3I360 Wn，解得n6104，D项正确10某发电站通过燃烧煤来发电发电站通过升压变压器、输电线和降压变压器把电能输送给生产和照明用户，发电机输出功率是120 kW，输出电压是240 V，升压变压器原、副线圈的匝数之比为125，输电线的总电阻为10 ，用户需要的电压为220 V则：(1)输电线上损耗的电功率为多少；(2)降压变压器原、副线圈的匝数比为多少答案(1)4 000 W(2)解析(1)根据理想变压器的变压规律得输电电压U2U1240 V6 000 V输电电流I2 A20 A输电线上损失的功率P损Ir20210 W4 000 W.(2)输电线上损失的电压U损I2r2010 V200 V降压变压器原线圈两端的电压U3U2U损6 000 V200 V5 800 V根据理想变压器的变压规律得.11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)(1)画出上述输电全过程的线路图；(2)若发电机的输出功率是100 kW，输出电压是250 V，升压变压器的原、副线圈的匝数比为125，求升压变压器的输出电压和输电导线中的电流；(3)在(2)中条件下，若输电导线中的电功率损耗为输入功率的4%，求输电导线的总电阻和降压变压器原线圈两端的电压；(4)计算(3)中降压变压器的输出功率答案(1)见解析图(2)6 250 V16 A(3)15.625 6 000 V(4)96 kW解析(1)或(2)对升压变压器，据公式，有U2U1250 V6 250 VI2 A16 A(3)P损IR线，P损0.04P1所以R线 15.625 因为U损U2U3I2R线所以U3U2I2R线(6 2501615.625) V6 000 V(4)P4P1P损0.96P10.961105 W9.6104 W96 kW.