高中物理第2章交变电流7电能的输送教师用书教科版选修3-2

7．电能的输送1．两种损失比较2.(1)由r ＝ρl S知，导线一般选铝为材料，ρ一定，在导线长度l 确定情况下，要减小电阻，只能通过增大输电线的横截面积，这种方法给架设施工带来困难．(2)由P ＝UI 知，输送电功率不变的前提下，提高输电电压，会减小输电电流，从而减小导线上的发热损失和电压损失．这是降低两种损耗的有效途径．[再判断](1)由P ＝UI 知，功率损耗与电流成正比．(×)(2)电能的损耗受电流的影响比受电阻的影响更为显著．(√) (3)减小输电线电阻是降低电能损耗的最佳途径．(×) [后思考]电能输送中，U 为输电电压，r 为输电线电阻，则输电线中电流为I ＝U r对不对，为什么？ 【提示】 不对，因为U 是输电电压，而不是输电线上损失的电压ΔU ，输电线中电流应为I ＝ΔU r.[合作探讨]探讨1：“提高电压，降低电流”与欧姆定律矛盾吗？【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 ，且在P 一定的条件下得出的结论，两者没有联系．探讨2：减少输电线上的功率损失为什么要依靠高压输电？【提示】 (1)电阻R ＝ρL S告诉我们，在输电距离L 一定、选用电阻率ρ较小的铜或铝作导线后，必须增大导线的横截面积．但这样会耗费大量的金属材料，输电线太重也会给架设带来困难．(2)在线路和输送功率P 不变时，P ＝UI 告诉我们提高输电电压可大大减少功率损失． [核心点击] 1．功率损失的原因在电能输送过程中，电流流过输电线时，因输电线有电阻而发热，电能必有一部分转化为内能而损失掉．2．功率损失的大小(1)设输电导线的总电阻为R ，输电电流为I ，则损失功率为P 损＝I 2R .(2)设输送的总电功率为P ，输电电压为U ，输电线的总长度为L ，横截面积为S ，电阻率为ρ，则输电电流I ＝P U ，输电线电阻R ＝ρL S，所以输电线上的功率损失可表示为P 损＝I 2R ＝⎝ ⎛⎭⎪⎫P U 2·ρL S . 3．减小功率损失的方法根据公式P 损＝I 2R 可知，减小输电线路上功率损失的方法有两种： (1)减小电阻 据R ＝ρL S判断，①减小输电线的长度L ：由于输电距离一定，所以在实际中不可能通过减小L 来减小R . ②减小电阻率ρ：目前，一般用电阻率较小的铜或铝作为输电线材料．③增大导线的横截面积S ：这要多耗费金属材料，增大成本，同时给输电线的架设带来很大的困难．(2)减小输电导线的电流I 据I ＝P U判断，①减小输送功率：在实际中不能通过用户少用或不用电来达到减少损耗的目的． ②提高输电电压U ：在输送电功率P 一定，输电线电阻一定的条件下，输电电压提高到原来的n 倍，据P 损＝⎝ ⎛⎭⎪⎫P nU 2R 可知，输电线上的功率损耗将降为原来的1n2.1．(多选)远距离输送交流电都采用高压输电，其优点是( )【导学号：31310119】A ．可节省输电线的铜材料B ．可根据需要调节交流电的频率C ．可减少输电线上的能量损失D ．可加快输电的速度【解析】 由P ＝IU 得I ＝PU，输送的电功率P 一定，采用高压输电，输电线中的电流就小，由P 线＝I 2r ，要求输电线损耗一定的情况下，就可选横截面积较小的输电线，从而可以节省输电线的铜材料．若输电线确定，则可减少输电线上的能量损失，故A 、C 正确；交流电的频率是一定的，升高电压无法改变交流电的频率．输电的速度就是电磁波的传播速度，是一定的，故B 、D 错误．【答案】 AC2．某用电器离供电电源的距离为L ，线路上的电流为I ，若要求线路上的电压降不超过U ，已知输电线的电阻率为ρ，该输电线的横截面积最小值是( )A.ρLR B.2ρLIUC.U ρLID.2UL Iρ【解析】 由欧姆定律有IR ≤U ，由电阻定律有R ＝ρ2L S ，由以上两式解得：S ≥2ρLIU，故B 正确．【答案】 B3．(多选)(2016·陕西高二检测)在远距离输电时，输送的电功率为P ，输送电压为U ，所用导线的电阻率为ρ，横截面积为S ，总长度为L ，输电线损失的电功率为P ′，用户得到的电功率为P 用，则P ′、P 用的关系式正确的是( )【导学号：31310120】A ．P ′＝U 2SρLB ．P ′＝P 2ρLU 2SC ．P 用＝P －U 2SρLD ．P 用＝P ⎝⎛⎭⎪⎫1－PρL U 2S 【解析】 输电线电阻R ＝ρL S，输电电流I ＝PU，故输电线上损失的电功率为P ′＝I 2R＝⎝ ⎛⎭⎪⎫P U 2ρL S ＝P 2ρL U 2S ，用户得到的功率为P 用＝P －P ′＝P ⎝⎛⎭⎪⎫1－PρL U 2S .【答案】 BD1．远距离输电系统在发电站附近用升压变压器升高电压，用输电线输送到远方，在用电地区附近，用降压变压器降到所需电压．远距离输电电路图如图2­7­1所示：图2­7­12．直流输电(1)使用环节：大功率高压输电环节中使用直流输电． (2)直流输电系统―交流―交流――→―交流―交流[再判断](1)高压输电是通过减小输电电流来减小电路的电能损耗．(√)(2)远距离输电时，若输送的电功率一定，输电电压越高，输电电流就越小，电能损失就越小，所以输电电压越高越好．(×)(3)直流输电比交流远距输电技术要求更高，输电原理也更复杂．(√) [后思考]交流输电有哪些局限性？要克服这些局限性，应怎样去做？【提示】 交流输电的局限性有：(1)当交流输电功率很大时，电容、电感引起的电压及电能损失很大；(2)同一电网供电的发电机同步运行，技术存在困难．要克服上述局限性，大功率输电线路可采用直流输电．[合作探讨]探讨1：一般远距离输电电压要经历几次变化？【提示】 发电机组输出电压10 kV ，发电站内升压到几百千伏，在“一次高压变电站”降到100 kV 左右，“二次变电站”降到10 kV 左右，低压变电站降到220 V 或380 V.探讨2：请根据输电原理图(如图2­7­2所示)写出图中标出的各量之间的关系．图2­7­2【提示】 (1)电压、电流与匝数关系：U 1U 2＝n 1n 2，I 1I 2＝n 2n 1，U 3U 4＝n 3n 4，I 3I 4＝n 4n 3. (2)电压关系：ΔU ＝U 2－U 3＝I 2r .(3)功率关系：ΔP ＝P 2－P 3＝I 22r ；P 1＝U 1I 1＝P 2＝U 2I 2，P 3＝U 3I 3＝P 4＝U 4I 4. [核心点击]1．对几个电压的理解图2­7­3输送电压：输电线始端电压，如图2­7­3中的U 2. 用户电压：最终用户使用的电压，如图中的U 4.损失的电压：输电线始端电压与末端电压的差值(ΔU ＝U 2－U 3)，形成的原因是由于输电导线上存在电阻和感抗．2．线路电压损失的原因输电导线有电阻，电流通过输电线时，会在线路上产生电势降落，致使输电线路末端的电压比起始端电压要低，这就是输电线上的电压损失，如图2­7­4所示，U 为发电厂的输出电压，P 为发电厂的输出功率，U ′为用电设备两端的电压，P ′为用电设备的输入功率，则输电线上损失的电压为ΔU ＝U －U ′＝IR .图2­7­43．减小输电线路上电压损失的方法根据ΔU ＝IR 可知，减小输电线路上电压损失的方法主要有两种： (1)减小输电线路的电阻．(2)减小输电电流I ，即提高输电电压．4．小型水力发电站的发电机有稳定的输出电压，它发出的电先通过电站附近的升压变压器升压，然后通过输电线路把电能输送到远处用户附近的降压变压器，经降低电压后再输送至各用户．设变压器都是理想的，那么在用电高峰期，随用电器总功率的增加将导致( )A ．发电机的输出电流变小B ．高压输电线路的功率损失变大C ．升压变压器次级线圈两端的电压变小D ．降压变压器次级线圈两端的电压变大【解析】 随着用电器总功率的增加，负载电流增大，导致线路上损耗加大，降压变压器初级电压减小，其次级电压也随之减小；由于发电机输出电压稳定，所以升压变压器初级电压不变，其次级电压也不变．【答案】 B5．发电厂发电机的输出电压为U 1，发电厂至学校的输电导线总电阻为R ，通过导线上的电流为I ，学校得到的电压为U 2，则输电导线上损耗的功率下列表达式错误的是( )【导学号：31310121】A.U 21RB.U 1－U 22RC ．I 2RD ．I (U 1－U 2)【解析】 用P ＝U 2R求电阻上损失的功率时，U 要与电阻R 相对应，A 中的U 1是输出电压不是输电线电阻上的电压，故A 是错误的．B 中的U 1－U 2是输电线电阻上的电压，因此，B 是正确的；C 、D 中的电流I 是输电线中的电流，故C 、D 都是正确的．【答案】 A6．如图2­7­5所示，某小型水电站发电机的输出功率为10 kW ，输出电压为400 V ，向距离较远的用户供电，为了减少电能损耗，使用2 kV 高压输电，最后用户得到“220 V 9.5 kW”的电能，求：图2­7­5(1)水电站升压变压器原、副线圈匝数比n 1n 2； (2)输电线路导线电阻R ；(3)用户降压变压器原、副线圈匝数比n 3n 4.【解析】 (1)水电站升压变压器原、副线圈匝数比n 1n 2＝U 1U 2＝4002 000＝15. (2)由P 损＝I 22R ，输送电流取决于输出电压及输送功率，有I 2＝P U 2所以R ＝P 损I 22＝P 损⎝ ⎛⎭⎪⎫P U 22＝10 000－9 500⎝ ⎛⎭⎪⎫10 0002 0002Ω＝20 Ω. (3)设降压变压器原线圈上电压为U 3，U 3＝U 2－I 2R ＝(2 000－5×20) V＝1 900 V所以降压变压器原、副线圈匝数比为：n 3n 4＝U 3U 4＝1 900220＝9511. 【答案】 (1)15 (2)20 Ω (3)9511(1)远距离输电问题的四个关键： ①画出一个模型——远距离输电模型图． ②抓住输电的两端——电源和用电器． ③分析两条导线——输电导线．④研究两次电压变换——升压和降压．(2)分析输电类问题时要注意的三点：①要弄清输电导线的电阻是功率损失和电压损失的原因所在．②在高压输电中，一般是通过电流来计算相关的电压、功率或热量等．③结合欧姆定律、焦耳定律和变压器的相关知识来解出正确答案．。