2019-2020学年高中物理 第五章 交变电流 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素养提炼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的损失与哪些因素有关，理解高压输电的道理．3.知道远距离输电线路的基本构成，会对简单的远距离输电线路进行定量计算.物理观念：输入功率、路损功率、输出功率、发电机回路、输送回路、输出回路．科学思维：(1)体会远距离输电的基本要求和电网供电的优点，并能据此设计供电框架图．(2)利用输电规律进行远距离输电的定量计算．科学探究：探究远距离输电降低输电损耗的两个途径.01课前自主梳理02课堂合作探究03随堂演练达标04课后达标检测一、输送电能的基本要求1．可靠：保证供电线路可靠地工作，少有故障．2．保质：保证电能的质量——和稳定．3．经济：输电线路建造和运行的费用低，电能少．二、降低输电损耗的两个途径1．输电线上的功率损失：ΔP＝，I为输电电流，r为输电线的电阻．电压频率损耗I2r2．降低输电损耗的两个途径(1)减小输电线的：在输电距离一定的情况下，为了减小，应当选用小的金属材料，还要尽可能增加导线的．(2)减小输电线中的：为减小输电，同时又要保证向用户提供一定的电功率，就要输电电压．电阻电阻电阻率横截面积电流电流提高[思考]如图为一高压危险标志，随着电压的增加，用电危险性也会跟着增加，为什么要采用高压输电？提示：输电功率P＝UI，在输送功率一定的情况下，提高输电电压，可减小输电电流，从而减少输电线上的电能损失．三、电网供电1．远距离输电基本原理在发电站内用升压，然后进行远距离输电，在用电区域通过降压变压器将电压降到所需的电压．2．电网通过的输电线、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．升压变压器网状输电网络3．电网输电的优点(1)降低一次能源的，获得最大经济效益．(2)减小断电的风险，不同地区电力供需的平衡，保障供电的．(3)合理电力，使电力的供应更加可靠，质量更高．[判断辨析](1)一般发电机组输出电压在10kV左右，符合远距离输电的要求．()(2)现在世界各国普遍采用一个电厂与一批用户“一对一”的供电方式．()(3)采用电网送电可以降低一次能源的运输成本，获得最大的经济效益．()××√运输成本调剂质量调度要点一输电线上的电压和能量损失[探究导入]远距离输电过程中，输电线上不可避免地有电压和能量损失，可通过哪些措施来降低输电线路的损失？提示：输电线路上的损失功率为P＝I2r，所以有两个途径可减少电能的损失，一是减少输电线路的电阻；二是减小输电导线中的电流．1．输电线路上的电压损失(1)电压损失：输电导线有电阻，电流通过输电导线时，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低，这就是输电线上的电压损失．(2)原因：对于交流输电线路来说，造成电压损失的原因既有电阻，又有感抗和容抗，在高中阶段只考虑输电线路中电阻所造成的电压损失．(3)减少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，距离一定时，输电导线使用电阻率小的材料，增大导线横截面积可减小电阻．②减小输电电流：由I＝PU可知，当输送功率一定时，升高输电电压可以减小输电电流．2．输电导线上的电功率损失(1)电功率损失①原因：任何输电导线都有电阻，因此当电流通过输电导线向远方输送时，输电线因有电阻而发热．②功率损失的计算a．ΔP＝I2R，I为输电线路上的电流，R为线路电阻．b．ΔP＝ΔU2R，ΔU为输电线路上损失的电压，R为线路电阻．c．ΔP＝ΔUI，ΔU为输电线路上损失的电压，I为线路中的电流．d．ΔP＝(PU)2·ρLS，P为输送电功率，U为输电电压，ρ为电阻率，L为输电线的总长度，S为横截面积．(2)减少功率损失的方法根据公式P损＝I2R可知，减少输电线路上功率损失的方法主要有两种：①减小输电线的电阻R，根据R＝ρLS判断：减小输电线长度L，由于输电距离一定，所以在实际中不可能用减小L来减小R；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；增大导线的横截面积S，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判断：减小输送功率P，在实际中不能以用户少用或不用电来达到减少损耗的目的；提高输电电压U，在输送功率P一定，输电线电阻R一定的条件下，输电电压提高到原来的n倍，根据P损＝(PU)2R知，输电线上的功率损耗将降为原来的1n2.[特别提醒](1)输电电压是指加在高压输电线起始端的电压U，损失电压是指降落在输电线路上的电压ΔU＝IR.(2)输送功率是指高压输电线起始端输出的功率，损失功率是输电线上消耗的功率．(3)无论从减少输电线路上的功率损失，还是减少电压损失来看，都要求提高输电电压，以减小输电电流．[典例1]在远距离输电时，要考虑尽量减少输电线上的功率损失．有一个小型发电站，输送的电功率P＝500kW，当使用U＝5kV的电压输电时，测得安装在输电线路起点和终点处的两只电度表一昼夜示数相差4800kW·h.求：(1)输电效率η和输电线的总电阻r.(2)若想使输电效率提高到98%，又不改变输电线，那么发电站应使用多高的电压向外输电？[思路点拨]输电线上损失的功率为P损＝I2r，输电功率P＝UI，要提高输电效率，就要提高输电电压．[解析](1)输送功率P＝500kW，一昼夜输送电能E＝Pt＝12000kW·h输电线上损失的电能ΔE＝4800kW·h终点得到的电能E′＝E－ΔE＝7200kW·h所以输电效率η＝E′E×100%＝60%输电线上的电流I＝PU＝100A输电线上损耗的功率Pr＝ΔEt＝200kW输电线的电阻r＝PrI2＝20Ω.(2)Pr＝(PU)2r要求输电线上损耗的功率Pr′＝2%P＝10kW，输电电压应调节为U′＝rPr′P＝22.4kV.[答案](1)60%20Ω(2)22.4kV[总结提升](1)计算输电线上损失的功率可以有多种方法：P损＝I2R线＝U2损R线＝U损I.(2)用户得到的功率可以根据用户所用的用电器去求，也可以根据公式P用＝P输－P损去求．1．(多选)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，随用电器电功率的增加将导致()A．升压变压器初级线圈中的电流变小B．升压变压器次级线圈两端的电压变小C．高压输电线路的电压损失变大D．降压变压器次级线圈两端的电压变小解析：用电器电功率增加导致输出功率变大，在输出电压一定时，使输出电流变大，由于ΔU＝IR，所以输出电流变大导致输电线路的电压损失变大，从而导致降压变压器初级线圈电压变小，次级线圈电压也变小，所以选项C、D正确．答案：CD2．(多选)在远距离输电中，输电导线的总电阻为R，升压变压器输出的电压为U1，输出功率为P，降压变压器得到的电压为U2，则下面表示导线上的功率损失正确的式子是()A.U21RB．(PU1)2RC.U1－U22RD.U21R－U22R解析：升压变压器的输出电压为U1，降压变压器的输入电压为U2，则输电线上的电压损失ΔU＝U1－U2，升压输电线上损失的功率P损＝ΔUI＝(U1－U2)I，P损＝ΔUI＝ΔU2R＝U1－U22R，因为输电线上的电流为I，则输电线上损失的功率P损＝I2R＝(PU1)2R，故B、C正确，A、D错误．答案：BC要点二高压输电线路的分析与计算[探究导入]高压输电可以减少输电线上的电压和能量损失．(1)如何完成高压输电和低压用电？(2)若两个变压器均为理想变压器，则每个变压器中的电流、电压、功率有什么关系？提示：(1)利用升压器提高电压进行远距离输电，到达用户利用降压变压器提供低压用电．(2)对于升压变压器：U1U2＝n1n2，I1I2＝n2n1，P1＝P2.对于降压变压器：U3U4＝n3n4，I3I4＝n4n3，P3＝P4.1．输送过程图2．输电过程电路被划分为三个独立的回路，每个回路均可以应用闭合电路欧姆定律，串、并联电路规律，而变压器的电压、电流、功率关系是联系不同回路的桥梁．3．对高压输电中几个电压的理解(1)输送电压：输电线始端电压，如图中的U2.(2)用户电压：最终用户得到的电压，如图中的U4.(3)损失电压：输电线始端电压与末端电压的差值(U线＝U2－U3＝I2R线)，形成的原因是输电导线有电阻，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．4．减小输电线路上电压损失的方法根据U线＝I线R线可知有两种：(1)减小输电线路的电阻．(2)减小输电电流即提高输电电压．5．基本关系式(1)功率关系P1＝P2，P2＝P线＋P3，P3＝P4.(2)电压、电流关系U1U2＝n1n2＝I2I1，U3U4＝n3n4＝I4I3，U2＝U线＋U3，I2＝I3＝I线．(3)输电电流：I线＝P2U2＝P3U3＝U2－U3R线.(4)输电导线上损耗的电功率P线＝I线U线＝I2线R线＝(P2U2)2R线．[特别提醒]在高压输电线路中升压变压器的输出电压大于降压变压器的输入电压，但升压变压器的输出电流等于降压变压器的输入电流．[典例2]风力发电作为新型环保新能源，近几年来得到了快速发展．如果风车阵中某发电机输出功率为100kW，输出电压是250V，先后经过一升压变压器和一降压变压器传输后送到用户，设用户得到的电压是220V，输电线总电阻为10Ω.若输电线中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、副线圈的匝数比各为多少？(2)用户得到的电功率是多少？[解析](1)输电线中损失的功率为：P损＝P1×4%＝I22R得I2＝20A，由I1＝P1U1得I1＝400A故升压变压器原、副线圈匝数比为：n1n2＝I2I1＝120输电线上损失的电压为：U损＝I2R＝200V输送电压为U2，由n1n2＝U1U2得U2＝5000V降压变压器原线圈两端的电压为：U3＝U2－U损＝4800V故降压变压器原、副线圈匝数比为：n3n4＝U3U4，即n3n4＝24011.(2)用户得到的电功率为：P用＝P1－P损，即P用＝96kW.[答案](1)12024011(2)96kW[总结提升]远距离输电问题的分析思路(1)明确远距离输电的过程，画出输电的过程图．(2)清楚远距离输电过程图的三个独立的回路．(3)变压器是连接三个回路的关键，明确各个回路的电压、电流间的关系．(4)利用输电电压、输电功率或输电线的功率损失与输电线的电阻计算输电电流．(5)分清输电电压和输电线上的电压，确定输电功率、输电线损失功率和用户得到的功率．(6)根据欧姆定律确定用户回路中各个元件的电压、电流和功率．3．如图为远距离的简化电路图．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，流入用户端的电流为I2.则()A．输电线路上损失的电功率I1UB．输电线上的电压降为UC．理想变压器的输入功率为I21rD．用户端的电压为I1U1I2解析：发电厂的输出电压是U，末端间的电压为U1，输电线路上损失的电功率是I1(U－U1)，故A错误；发电厂的输出电压是U，所以输电线上的电压不可能降为U，故B错误；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，所以输电线损耗的功率是I21r，故C错误；由于输电线与用户间连有一理想变压器，设用户端的电压是U2，则U1I1＝U2I2，得U2＝I1U1I2，故D正确．答案：D4．(多选)一台发电机最大输出功率为4000kW，电压为4000V，经变压器T1升压后向远方输电，输电线路总电阻R线＝1kΩ，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“220V60W”)．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()A．T1原、副线圈电流分别为103A和20AB．T2原、副线圈电压