2019-2020学年高中物理 第5章 交变电流 5 电能的输送课件 新人教版选修3-2

第5节电能的输送第五章交变电流1．了解远距离输电线上的能量损失与哪些因素有关。2．应用理想变压器、电路知识对简单的远距离输电线路进行定量计算。3．了解交变电流从变电站到用户的输电过程及电网设计。1．输送电能的基本要求是可靠、保质、经济。2．根据P损＝I2r可知，减小输电线上的功率损失有两个途径：一是减小输电线的电阻，二是减小输电电流。3．在输送功率一定时，提高输送电压，可以减小输电电流。01课前自主学习一、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。□1电压□2频率□3损耗想一想电能的应用具有哪些优点？提示：(1)使用方便；(2)便于转化且转化率高；(3)便于输送、快捷。二、降低输电损耗的两个途径1．输电线上的功率损失P＝_________，I为输电电流，r为输电线的电阻。2．降低输电损耗的两个途径□1I2r(1)减小输电线的_________：在输电距离一定的情况下，为了减小电阻，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_________：为减小输电电流，同时又要保证向用户提供一定的电功率，就要_________输电电压。□2电阻□3电阻率□4横截面积□5电流□6提高想一想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______________降到所需的电压。2．电网通过网状的输电线、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______________。□1升压变压器□2降压变压器□3输电网络3．电网输电的优点(1)降低一次能源的运输成本，获得最大经济效益。(2)减小断电的风险，调剂不同地区电力供需的平衡，保障供电的质量。(3)合理调度电力，使电力的供应更加可靠，质量更高。判一判(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。()×提示：一般发电机组输出电压在10kV左右，不符合远距离输电的要求，一般要升压到几百千伏后再向远距离输电。(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。()×提示：提示：现在世界各国不采用一个电厂与一批用户“一对一”的供电方式，而是通过电网向用户供电。(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。()√提示：采用电网送电使电能更容易输送，故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。02课堂合作探究考点远距离输电损耗的产生及减损方法1．输电线上的电压损失(1)电压损失ΔU输电线路始端电压U跟末端电压U′的差值，称为输电线路上的电压损失，ΔU＝U－U′，如图所示。(2)造成电压损失的因素①输电线电阻造成电压损失。②输电线的感抗和容抗造成电压损失。注：高中阶段在计算时只考虑输电线电阻所造成的电压损失。(3)减小输电线路上电压损失的方法①减小输电线电阻r用增大输电导线的横截面积来减小电阻，对低压照明电路有效，对高压输电线路效果不佳。②减小输电电流I在输送电功率不变的前提下，提高输电电压是有效的措施。高压输电既能减小功率损失，又能减小电压损失，但在实际输送电能时，还需综合考虑各种因素，依照不同的情况，选择合适的输电电压。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．P损＝I2r，I为输电线路上的电流，r为线路电阻；b．P损＝ΔU2r，ΔU为输电线路上损失的电压，r为线路电阻；c．P损＝ΔUI，ΔU为输电线路上损失的电压，I为线路上的电流；d．P损＝PU2ρLS，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＝PU2r知，输电线上的功率损耗将降为原来的1n2。(1)输电电压是指加在高压输电线起始端的电压U，损失电压是指输电线上的电压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。例1(多选)远距离输送一定功率的交流电，若输电电压升高为原来的n倍，关于输电线上的电压损失和功率损失正确的是(不考虑电抗产生的损失)()A．功率损失是原来的1nB．功率损失是原来的1n2C．电压损失是原来的1nD．电压损失是原来的n倍1.远距离输送一定功率的交流电，输电线上的电压损失ΔU＝PU·r。2．远距离输送一定功率的交流电，输电线上功率损失ΔP＝PU2·r。[解析]设输电电压为U，所输送的功率为P，输电线路总电阻为r，则输电电流I＝PU，线路的功率损失ΔP＝I2r＝P2rU2，可知ΔP∝1U2，当输电电压U升高为原来的n倍时，功率损失变为原来的1n2，A错误，B正确；线路上的电压损失ΔU＝Ir＝PrU，可知ΔU∝1U，当输电电压升高为原来的n倍时，电压损失变为原来的1n，C正确，D错误。[变式训练1](多选)在远距离输电时，输送的电功率为P，输电电压为U，所用导线的电阻率为ρ，横截面积为S，总长度为l，输电线损失的功率为ΔP，用户得到的功率为P′，则下列关系式正确的是()A．ΔP＝U2SρlB．ΔP＝P2ρlU2SC．P′＝P－U2SρlD．P′＝P1－PρlU2S解析输电线电阻为R线＝ρlS，输电电流为I＝PU，故输电线上损失的电功率为ΔP＝I2R线＝PU2ρlS＝P2ρlU2S，用户得到的电功率为P′＝P－ΔP＝P1－PρlU2S。B、D正确。考点高压输电线路的分析与计算1．输电线路的构成由发电机、升压变压器、输电导线、降压变压器、用电器构成即“三个回路两个变压器”，如图所示。由于发电机本身的输出电压不可能很高，所以采用高压输电时，在发电站内需用升压变压器升压后再由输电线输出，到用电区再用降压变压器降到用户所需的电压。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，如上图中的U2。(2)用户电压：最终用户得到的电压，如上图中的U4。(3)损失电压：输电线始端电压与末端电压的差值(ΔU＝U2－U3＝I2R)，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．远距离输电的基本关系(1)功率关系P1＝P2，P3＝P4，P2＝ΔP＋P3。―→能量守恒(2)电压、电流关系U1U2＝n1n2＝I2I1，U3U4＝n3n4＝I4I3。―→理想变压器U2＝U线＋U3，I2＝I3＝I线。(3)输电电流：I线＝P2U2＝P3U3＝U2－U3r。(4)输电导线上损耗的电功率：ΔP＝I线U线＝I2线r＝P2U22r。例2如图所示，学校有一台应急备用发电机，内阻为r＝1Ω，升压变压器匝数比为n1∶n2＝1∶4，降压变压器的匝数比为n3∶n4＝4∶1，输电线总电阻为R线＝4Ω，全校有22间教室，每间教室安装“220V40W”的电灯6盏，要求所有的电灯都正常发光，求：(1)输电线上损耗的电功率P损多大？(2)发电机的电动势E多大？高压远距离输电过程中，各部分的电压关系为U1U2＝n1n2，U3U4＝n3n4，U2＝U3＋ΔU，高压远距离输电过程中，各部分的功率关系为P1＝P2，P3＝P4，P2－ΔP＝P3。[答案](1)144W(2)250V[解析](1)所有电灯正常发光时消耗的功率为P灯＝40×22×6W＝5280W＝P4，由于灯正常发光时，降压变压器副线圈两端电压U4＝220V，所以降压变压器原线圈两端电压U3＝n3n4U4＝41×220V＝880V。两变压器之间输电线上的电流为I线＝P3U3＝P4U3＝5280880A＝6A，输电线上损失的功率P损＝I2线R线＝62×4W＝144W。(2)输电线上损失的电压U损＝I线R线＝6×4V＝24V，升压变压器副线圈两端电压U2＝U3＋U损＝(880＋24)V＝904V，升压变压器原线圈两端电压U1＝n1n2U2＝14×904V＝226V，升压变压器原线圈中的电流I1＝n2n1I线＝41×6A＝24A，发电机内阻上的电压：Ur＝I1r＝24V，发电机的电动势E＝U1＋Ur＝226V＋24V＝250V。远距离输电线路定量计算的方法(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。[变式训练2]通过一理想变压器，经同一线路输送相同的电功率P，原线圈的电压U保持不变，输电线路的总电阻为R。当副线圈与原线圈的匝数比为k时，线路损耗的电功率为P1，若将副线圈与原线圈的匝数比提高到nk，线路损耗的电功率为P2，则P1和P2P1分别为()A.PRkU，1nB.PkU2R，1nC.PRkU，1n2D.PkU2R，1n2解析原线圈的电流为I1＝PU，由于P、U不变，故I1不变，由I1I2＝n2n1＝k得P1＝I22R＝PkU2R；由I1I2′＝n2′n1′＝nk得P2＝I2′2R＝PnkU2R，则P2P1＝1n2，故选项D正确。解题技能⊳输电问题中找准对应物理量的技巧在远距离输电的题目中，涉及的物理量多，而且还比较相近，因此容易混淆，所以找准公式中物理量的对应关系是做对题目的前提，此时应注意以下三点：(1)高压输电的电路划分为三个独立的回路。(2)不同回路之间通过功率以及变压器的电流和电压相联系。(3)只有在某一个确定的回路中才可以应用闭合电路欧姆定律或串、并联电路规律，从而确保公式中物理量的对应性。[例]某发电站用11kV交变电压输电，输电线的电阻为R，现若用变压器将电压升高到220kV送电，输送功率不变，下面说法正确的是()A．因I＝UR，所以输电线上的电流增为原来的20倍B．因I＝PU，所以输电线上的电流减为原来的120C．因P＝U2R，所以输电线上损失的功率为原来的400倍D．若要使输电线上损失的功率不变，可将输电线的电阻减为原来的120[解析]电压提高了20倍，由公式I＝PU可知，电流将是原来的120，选项A错误，B正确。再由P损＝PU2·R，输电导线不变时，损失的功率减为原来的1400，选项C错误；在功率损失不变的情况下，输送电压的平方与导线电阻成正比，从而得出电阻增为原来的400倍，选项D错误。远距离输电分析技巧(1)第一个回路：P1＝U1I1。(2)第二个回路：①电流关系：I2＝I线＝I3②电压关系：U2＝ΔU＋U3③功率关系：P2＝ΔP＋P3P3＝U3I3，P2＝U2I2，