教案发电机与电能的输送

发电机与电能的输送基本要求：1.知道交流发电机的简单结构、工作原理，知道产生的是交流电。2.知道采用高压输电的目的。3.了解电弧触电和跨步电压触电，提高安全意识。4.常识性了解电能的优越性。重点内容：交流发电机的构造及原理。难点内容：发电机工作情况的语言描述。具体内容讲述如下：一.发电机1.发电机的原理我们知道：闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线的运动时，在电路中就会产生电流，这种现象叫做电磁感应，所产生的电流叫做感应电流。但我们在实验时发现，所产生的感应电流很小，只能用灵敏电流计才能测出来。怎样才能使感应电流变强呢？一种方法是使用强磁场，再就是使切割磁感线的导体的有效长度变长。所以我们可以用线圈在磁场中切割磁感线的运动。这时我们发现电流变大了。为了便于观察和分析，我们在线圈上装一个转轴，并用铁架台固定，做成图所示的装置，转动线圈，磁感线是水平方向的，线圈转动时，ab边和cd边切割了磁感线，能够产生感应电流。发电机就是根据上述原理制成的。所以说发电机的原理是电磁感应现象。2.发电机的构造实际利用上述原理制成发电机时，还有一些技术问题需要我们去解决，如：线圈转动时，会带动输出电流的铜线缠在一起。由前面的直流电动机中的换向器可以想到，用铜环和电刷组成如上图所示的结构，这样就可以解决上面的问题了。发电机的构造。如上图所示，发电机的构造：由定子和转子两部分组成，包括磁极、线圈、铜环、电刷等。3.交流电与直流电下面我们来研究发电机产生的电流有些什么特点。要研究电流的特点，就需要借助电流表，用电流表换下小灯泡，缓慢摇动发电机的大轮，我们来观察电流表指针运动情况。事实上我们发现电流表的指针左右摆动，表明电流方向在周期性地重复变化。而且当线圈中切割磁感线的两条边垂直切割时产生的感应电流最大，在其它地方产生的感应电流则较小。所以我们把这种周期性改变电流大小和方向的电流叫做交流电。与此相对的就是我们前面所学过的由于电池提供的电流，它的大小和方向都不发生变化，这种电流叫做直流电。为什么这种发电机产生的电流方向在改变呢？感应电流的方向是由导体切割磁感线的运动方向和磁感线的方向决定的，感应电流方向的变化肯定是由这二者之一变化所引起的，在上面的这种发电机中，磁极是固定的，所以，这种发电机中电流方向的变化肯定是由于线圈切割磁感线的运动方向变化所引起的。这种发电机由于产生的电流是交流电，所以称为交流发电机。下面进一步研究电流变化的特点：我们可以把任意一边的运动路线和方向画出来（如图）,线圈每次转动到最左边和最右边的两点时，切割磁感线的方向发生改变，电流方向也要发生改变。所以线圈转动一周，电流方向变化两次。周期和频率是用来表示交流电特点的两个物理量，我国供生产和生活用的交流电的周期是0.02秒，频率是50赫兹，其意义是发电机线圈转一周用0.02秒，即1秒内线圈转50周。因为线圈每转一周电流方向变化两次，所以频率是50赫兹的交流电电流方向每秒钟改变100次。4.发电机是把机械能转化为电能的机器。发电机有两种，一种是旋转线圈式，另一种是旋转磁极式。二.电能的输送前面我们学习了电磁感应现象和发电机，通过发电机我们可以大量地生产电能。比如，葛洲坝电站通过发电机把水的机械能转化为电能，发电功率可达271.5万千瓦，这么多的电能当然要输到用电的地方去，下面我们来研究输送电能的有关知识。1.输送电能的过程发电站发出的电能是怎样输送到远方的呢？如：葛洲坝电站发出的电是怎样输送到武汉、上海等地的呢？当然是通过电线输送的。而且是通过架设很高的、很粗的高压电线输送的。输送电能的过程如下图所示：发电站→升压变压器→高压输电线→降压变压器→用电单位。2.高压输电的道理思路：输电→导线（电阻）→发热→损失电能→减小损失。输电要用导线，导线当然有电阻，如果导线很短，电阻很小可忽略，而远距离输电时，导线很长，电阻大不能忽略。电流通过很长的导线要发出大量的热，如：河南平顶山至湖北武昌的高压输电线电阻约400欧，如果通的电流是100安，每秒钟导线发热就是400万焦耳。这些热都散失到大气中，白白损失了电能。所以，输电时，必须设法减小导线发热损失。如何减小导线发热呢？由焦耳定律Q=I2Rt，减小发热Q有以下三种方法：一是减小输电时间t，二是减小输电线电阻R，三是减小输电电流I。哪种方法能被实际使用呢？第一种方法等于停电，没有实际价值。第二种方法从材料、长度、粗细三方面来说都有实际困难。适用的超导材料还没有研究出来。排除了前面两种方法，就只能考虑第三种方法了。从焦耳定律公式Q=I2Rt可以看出，第三种办法是很有效的：电流减小一半，损失的电能就降为原来的四分之一。通过后面的学习，我们将会看到这种办法也是很可行的。所以说要减小电能的损失，必须减小输电电流。但从另一方面讲，输电就是要输送电能，输送的功率必须足够大，才有实际意义。怎样才能满足上述两个要求呢？根据公式P=UI，要使输电电流I减小，而输送功率P不变（足够大），就必须提高输电电压U。所以说通过高压输电可以保证在输送功率不变，减小输电电流来减小输送电的电能损失。3.变压器能把交流电的电压升高（或降低）在发电站都要安装用来升压的变压器，实现高压输电。但是我们用户使用的是低压电，所以在用户附近又要安装降压的变压器。高压电输送到用电区附近时，为什么要把电压降下来？一是为了安全，二是用电器只能用低电压。三.高压触电的形式同学们有没有见过这个标志？这是高压危险的标志。高压电弧触电：当人体靠近高压带电体到一定距离时，高压带电体和人体之间会发生放电现象。这时有电流通过人体，造成高压电弧触电。跨步电压触电：高压输电线落在地面上，地面上与电线断头距离不同的各点存在着电压，当人走近断头时，两脚位于离断头远近不同的位置上，因而两脚之间有了电压（跨步电压）。这时电流通过人体，造成跨步电压触电。四.电能的优越性通过下面的两幅图，我们不难发现电能的优越性：【典型例题】例1.在如图所示的发电机工作原理图中，放在水平方向磁场中的矩形线圈逆时针方向转动，当转动到甲图位置时，由于线框______磁感线，因而电路中______，当转到乙、丁两图的位置时，由于ab边切割磁感线的方向______，因而外电路中的电流方向______。分析：当线框转到图甲位置时，线框ab的运动方向水平向左，线框cd的运动方向水平向右，都和磁感线的方向平行，因而此瞬间，两线框都不切割磁感线，不产生感生电流。当转到图乙位置时，ab边的运动方向竖直向下，转到图丁的位置时，ab边的运动方向竖直向上，切割磁感线的方向正好相反，因而在图乙位置时，电流经A流出，而在图丁位置时，电流经A流入，即在外电路中是交流电。解：依次填写：不切割；无电流；相反；相反。例2.在远距离输电时，如果把输出电流减小到原来的1001，则相同时间内在线路上因发热而损失的电能将是原来损失电能的（）A.100倍B.10000倍C.1001D.100001分析：根据焦耳定律，电流通过导体产生的热量Q=I2Rt，线路中的解：选项D正确例3.一座水电站输送的电功率是4800kw，输电线电压是220kV，若输电线总电阻为0.5Ω，那么输电线路损失的电功率是多少？如果改用10kV的电压输电，输电线路上损失的电功率是多少？分析：根据输送功率和输电电压，算出输电电流，即可用公式P=I2R算出输电线上的损失功率。解：当用220kV电压输电时，线路中的电流当用10kV电压输电时，线路中的电流线路上损失的电功率分别为P1=I12R=(21.8)2×0.5W=273.6WP2=I22R=(480)2×0.5W=1.15×105W答：两情况下线路损失的功率分别是273.6W和1.15×105W。说明：通过上述计算可知，当输电线的总电阻一定时，输电电压提高n倍，输电电流就减小n倍，而输电线上损失的电功率则增大n2倍。如例4.为什么第一个登上月球的车是用电来驱动的？分析：根据电驱动的优越性和月球的自然环境加以考虑。答：宇航员在月球上用蓄电池的电力驱动的车行走，主要是由于电能的使用非常方便，它能够转化为各种其他形式的能，而且效率高、管理和操作比较简单，污染少，且适宜在没有空气的月球上使用。【模拟试题】（答题时间：40分钟）一.填空题l.发电机是根据______的原理制成的，利用线圈在磁场里转动，线圈中就有______产生，所以，发电机是将_____能转变为_____能的机器。2.周期性改变______的电流叫交流电，符号是_____，_____不变的电流叫直流电，符号是______。发电机提供的是_____电，电池提供的是_____电。3.如图所示，矩形线圈abcd在磁场中转动一周的过程中，作切割磁感应线的是____边和____边，所以线圈中有_____产生，由于ab边和cd边______切割磁感应线运动的方向不同，所以感生电流的方向要改变_______。当线圈平面跟磁感应线垂直的瞬时，ab边和cd边恰好不切割磁感线，所以在这一瞬时感生电流为______。只要线圈不停地转动，感生电流的方向就会______地变化着。4.发电机的主要构造分成____和____两部分，大型发电机的线圈作_____，电磁铁作_____。实用发电机的转子由水轮机、_____或_____等带动旋转。5.我国的交流发电机的转子每秒转_____周，即交流电的变化频率是_____赫，因此交流电的方向每秒要改变_____次。6.为了减少输电过程中电能的损耗，一般采用_____输电，即在电站先用_____变压器_____，再在用户附近用_____变压器______后供用户使用。7.根据焦耳定律，电流通过导线要______，由于远距离输送电能，导线长度较长，因此导线电阻______，所以导线上由于______损失的电能较大。8.若发电机的输出电压为U，输出电流为I，则输出功率P=______，所以要减小输电电流，在输送功率一定的条件下，必须提高______，因此远距离输电时必须采用______。9.从发电机发出的电能，要经过变压器把_____升高，用_____把电能输送到远方的用户附近，再经过______把电压_______供用户使用。10.一台发电机，输出功率是100kW，输出电压是2500V，输出电流为______A。二.选择题1.如图所示，闭合线框abcd放在均匀磁场中，它的平面和磁感应线平行，当线圈按下列方式运动时，有感生电流产生的是（）A.垂直磁感应线方向向外平动B.沿磁感应线方向向右运动C.以ab边为轴转动D.以ad边为轴转动。2.我国交流电的频率为50赫，下列说法中不正确的是（）A.交流电的周期是0.02秒B.转子的转速是3000周／分C.每秒钟电流方向改变50次D.每分钟电流方向改变6000次3.在赤道附近有一架直升飞机，竖直向上准备向正南方向飞行，则飞机在地磁场作用下，感生电流的方向（）A.在机翼上自东向西B.在机翼上自西向东C.在机身上自南向北D.在机身上自北向南4.对于交流电，下列说法中正确的是（）A.线圈转动一周，电流方向改变一次，大小改变两次B.线圈转动一周，电流方向改变两次，大小改变两次C.线圈转动一周，电流方向改变两次，大小随时改变D.线圈转动一周，电流方向改变四次，大小随时改变5.以下说法正确的是（）A.用铜导线输电比用铁导线输电经济B.用高压输电比用低压输电省电C.用高压输电比用低压输电费电6.从发电厂向某用户输电，如分别用100伏和1000伏送电，则两种情况下导线上损失的电能之比为：（）A.100∶1B.l∶100C.1∶10D.1∶10三.问答题如图所示，此装置是什么机器？工作原理是什么？工作时能量的转化情况怎样？四.计算题一座小型水电站的输出电功率是20kW，输电导线的总电阻为lΩ，若采用400V的电压输电，输电线路上损失的电功率是多少？若采用4000V的电压输电，输电线上损失的电功率又为多少？【试题答案】一.填空题：1.电磁感应，感生电流，机械，电2.方向，A·C，方向，D·C，交流，直流3.ab，cd，感生电流，前后两次，两次，零，周期性4.定子，转子，定