高中物理教科版2第二章交變電流 第2章7．電能的輸送

7．電能的輸送學(xué)習(xí)目標(biāo)知識(shí)脈絡(luò)1.理解輸電線上損失的電能與哪些因素有關(guān)，以及減小損失的兩個(gè)途徑．(重點(diǎn))2．理解高壓輸電的原理．會(huì)計(jì)算輸電損失．(重點(diǎn))3．了解遠(yuǎn)距離輸電的典型電路，并能利用變壓器和電路的規(guī)律解決實(shí)際問(wèn)題．(難點(diǎn))4．輸電網(wǎng)絡(luò)的分析．(難點(diǎn))電能輸送中的電壓損失和電能損耗[先填空]1．兩種損失比較兩種損失原因分析大小表示減小辦法電壓損失導(dǎo)線自身存在電阻rU損＝Ir減小r減小I功率損失導(dǎo)線有電阻電流熱效應(yīng)P損＝I2r減小I減小r2.降低兩種損耗的途徑——高壓輸電(1)由r＝ρeq\f(l,S)知，導(dǎo)線一般選鋁為材料，ρ一定，在導(dǎo)線長(zhǎng)度l確定情況下，要減小電阻，只能通過(guò)增大輸電線的橫截面積，這種方法給架設(shè)施工帶來(lái)困難．(2)由P＝UI知，輸送電功率不變的前提下，提高輸電電壓，會(huì)減小輸電電流，從而減小導(dǎo)線上的發(fā)熱損失和電壓損失．這是降低兩種損耗的有效途徑．[再判斷](1)由P＝UI知，功率損耗與電流成正比．(×)(2)電能的損耗受電流的影響比受電阻的影響更為顯著．(√)(3)減小輸電線電阻是降低電能損耗的最佳途徑．(×)[后思考]電能輸送中，U為輸電電壓，r為輸電線電阻，則輸電線中電流為I＝eq\f(U,r)對(duì)不對(duì)，為什么？【提示】不對(duì)，因?yàn)閁是輸電電壓，而不是輸電線上損失的電壓ΔU，輸電線中電流應(yīng)為I＝eq\f(ΔU,r).[合作探討]探討1：“提高電壓，降低電流”與歐姆定律矛盾嗎？【提示】不矛盾．歐姆定律是對(duì)純電阻耗能元件而成立的定律，而“提高電壓，降低電流”是從輸送角度，由P＝IU，且在P一定的條件下得出的結(jié)論，兩者沒(méi)有聯(lián)系．探討2：減少輸電線上的功率損失為什么要依靠高壓輸電？【提示】(1)電阻R＝ρeq\f(L,S)告訴我們，在輸電距離L一定、選用電阻率ρ較小的銅或鋁作導(dǎo)線后，必須增大導(dǎo)線的橫截面積．但這樣會(huì)耗費(fèi)大量的金屬材料，輸電線太重也會(huì)給架設(shè)帶來(lái)困難．(2)在線路和輸送功率P不變時(shí)，P＝UI告訴我們提高輸電電壓可大大減少功率損失．[核心點(diǎn)擊]1．功率損失的原因在電能輸送過(guò)程中，電流流過(guò)輸電線時(shí)，因輸電線有電阻而發(fā)熱，電能必有一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能而損失掉．2．功率損失的大小(1)設(shè)輸電導(dǎo)線的總電阻為R，輸電電流為I，則損失功率為P損＝I2R.(2)設(shè)輸送的總電功率為P，輸電電壓為U，輸電線的總長(zhǎng)度為L(zhǎng)，橫截面積為S，電阻率為ρ，則輸電電流I＝eq\f(P,U)，輸電線電阻R＝ρeq\f(L,S)，所以輸電線上的功率損失可表示為P損＝I2R＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(P,U)))2·ρeq\f(L,S).3．減小功率損失的方法根據(jù)公式P損＝I2R可知，減小輸電線路上功率損失的方法有兩種：(1)減小電阻據(jù)R＝ρeq\f(L,S)判斷，①減小輸電線的長(zhǎng)度L：由于輸電距離一定，所以在實(shí)際中不可能通過(guò)減小L來(lái)減小R.②減小電阻率ρ：目前，一般用電阻率較小的銅或鋁作為輸電線材料．③增大導(dǎo)線的橫截面積S：這要多耗費(fèi)金屬材料，增大成本，同時(shí)給輸電線的架設(shè)帶來(lái)很大的困難．(2)減小輸電導(dǎo)線的電流I據(jù)I＝eq\f(P,U)判斷，①減小輸送功率：在實(shí)際中不能通過(guò)用戶少用或不用電來(lái)達(dá)到減少損耗的目的．②提高輸電電壓U：在輸送電功率P一定，輸電線電阻一定的條件下，輸電電壓提高到原來(lái)的n倍，據(jù)P損＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(P,nU)))2R可知，輸電線上的功率損耗將降為原來(lái)的eq\f(1,n2).1．(多選)遠(yuǎn)距離輸送交流電都采用高壓輸電，其優(yōu)點(diǎn)是()【導(dǎo)學(xué)號(hào)：31310119】A．可節(jié)省輸電線的銅材料B．可根據(jù)需要調(diào)節(jié)交流電的頻率C．可減少輸電線上的能量損失D．可加快輸電的速度【解析】由P＝IU得I＝eq\f(P,U)，輸送的電功率P一定，采用高壓輸電，輸電線中的電流就小，由P線＝I2r，要求輸電線損耗一定的情況下，就可選橫截面積較小的輸電線，從而可以節(jié)省輸電線的銅材料．若輸電線確定，則可減少輸電線上的能量損失，故A、C正確；交流電的頻率是一定的，升高電壓無(wú)法改變交流電的頻率．輸電的速度就是電磁波的傳播速度，是一定的，故B、D錯(cuò)誤．【答案】AC2．某用電器離供電電源的距離為L(zhǎng)，線路上的電流為I，若要求線路上的電壓降不超過(guò)U，已知輸電線的電阻率為ρ，該輸電線的橫截面積最小值是()\f(ρL,R) \f(2ρLI,U)\f(U,ρLI) \f(2UL,Iρ)【解析】由歐姆定律有IR≤U，由電阻定律有R＝ρeq\f(2L,S)，由以上兩式解得：S≥eq\f(2ρLI,U)，故B正確．【答案】B3．(多選)(2023·陜西高二檢測(cè))在遠(yuǎn)距離輸電時(shí)，輸送的電功率為P，輸送電壓為U，所用導(dǎo)線的電阻率為ρ，橫截面積為S，總長(zhǎng)度為L(zhǎng)，輸電線損失的電功率為P′，用戶得到的電功率為P用，則P′、P用的關(guān)系式正確的是()【導(dǎo)學(xué)號(hào)：31310120】A．P′＝eq\f(U2S,ρL) B．P′＝eq\f(P2ρL,U2S)C．P用＝P－eq\f(U2S,ρL) D．P用＝Peq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1－\f(PρL,U2S)))【解析】輸電線電阻R＝ρeq\f(L,S)，輸電電流I＝eq\f(P,U)，故輸電線上損失的電功率為P′＝I2R＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(P,U)))2ρeq\f(L,S)＝eq\f(P2ρL,U2S)，用戶得到的功率為P用＝P－P′＝Peq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1－\f(PρL,U2S))).【答案】BD遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)和直流輸電[先填空]1．遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)在發(fā)電站附近用升壓變壓器升高電壓，用輸電線輸送到遠(yuǎn)方，在用電地區(qū)附近，用降壓變壓器降到所需電壓．遠(yuǎn)距離輸電電路圖如圖2-7-1所示：圖2-7-12．直流輸電(1)使用環(huán)節(jié)：大功率高壓輸電環(huán)節(jié)中使用直流輸電．(2)直流輸電系統(tǒng)發(fā)電機(jī)eq\o(→,\s\up13(交流))升壓變壓器eq\o(→,\s\up13(交流))整流設(shè)備eq\o(→,\s\up13(直流))輸電線eq\o(→,\s\up13(直流))逆變器eq\o(→,\s\up13(交流))降壓變壓器eq\o(→,\s\up13(交流))用戶[再判斷](1)高壓輸電是通過(guò)減小輸電電流來(lái)減小電路的電能損耗．(√)(2)遠(yuǎn)距離輸電時(shí)，若輸送的電功率一定，輸電電壓越高，輸電電流就越小，電能損失就越小，所以輸電電壓越高越好．(×)(3)直流輸電比交流遠(yuǎn)距輸電技術(shù)要求更高，輸電原理也更復(fù)雜．(√)[后思考]交流輸電有哪些局限性？要克服這些局限性，應(yīng)怎樣去做？【提示】交流輸電的局限性有：(1)當(dāng)交流輸電功率很大時(shí)，電容、電感引起的電壓及電能損失很大；(2)同一電網(wǎng)供電的發(fā)電機(jī)同步運(yùn)行，技術(shù)存在困難．要克服上述局限性，大功率輸電線路可采用直流輸電．[合作探討]探討1：一般遠(yuǎn)距離輸電電壓要經(jīng)歷幾次變化？【提示】發(fā)電機(jī)組輸出電壓10kV，發(fā)電站內(nèi)升壓到幾百千伏，在“一次高壓變電站”降到100kV左右，“二次變電站”降到10kV左右，低壓變電站降到220V或380V.探討2：請(qǐng)根據(jù)輸電原理圖(如圖2-7-2所示)寫出圖中標(biāo)出的各量之間的關(guān)系．圖2-7-2【提示】(1)電壓、電流與匝數(shù)關(guān)系：eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)，eq\f(I1,I2)＝eq\f(n2,n1)，eq\f(U3,U4)＝eq\f(n3,n4)，eq\f(I3,I4)＝eq\f(n4,n3).(2)電壓關(guān)系：ΔU＝U2－U3＝I2r.(3)功率關(guān)系：ΔP＝P2－P3＝Ieq\o\al(2,2)r；P1＝U1I1＝P2＝U2I2，P3＝U3I3＝P4＝U4I4.[核心點(diǎn)擊]1．對(duì)幾個(gè)電壓的理解圖2-7-3輸送電壓：輸電線始端電壓，如圖2-7-3中的U2.用戶電壓：最終用戶使用的電壓，如圖中的U4.損失的電壓：輸電線始端電壓與末端電壓的差值(ΔU＝U2－U3)，形成的原因是由于輸電導(dǎo)線上存在電阻和感抗．2．線路電壓損失的原因輸電導(dǎo)線有電阻，電流通過(guò)輸電線時(shí)，會(huì)在線路上產(chǎn)生電勢(shì)降落，致使輸電線路末端的電壓比起始端電壓要低，這就是輸電線上的電壓損失，如圖2-7-4所示，U為發(fā)電廠的輸出電壓，P為發(fā)電廠的輸出功率，U′為用電設(shè)備兩端的電壓，P′為用電設(shè)備的輸入功率，則輸電線上損失的電壓為ΔU＝U－U′＝IR.圖2-7-43．減小輸電線路上電壓損失的方法根據(jù)ΔU＝IR可知，減小輸電線路上電壓損失的方法主要有兩種：(1)減小輸電線路的電阻．(2)減小輸電電流I，即提高輸電電壓．4．小型水力發(fā)電站的發(fā)電機(jī)有穩(wěn)定的輸出電壓，它發(fā)出的電先通過(guò)電站附近的升壓變壓器升壓，然后通過(guò)輸電線路把電能輸送到遠(yuǎn)處用戶附近的降壓變壓器，經(jīng)降低電壓后再輸送至各用戶．設(shè)變壓器都是理想的，那么在用電高峰期，隨用電器總功率的增加將導(dǎo)致()A．發(fā)電機(jī)的輸出電流變小B．高壓輸電線路的功率損失變大C．升壓變壓器次級(jí)線圈兩端的電壓變小D．降壓變壓器次級(jí)線圈兩端的電壓變大【解析】隨著用電器總功率的增加，負(fù)載電流增大，導(dǎo)致線路上損耗加大，降壓變壓器初級(jí)電壓減小，其次級(jí)電壓也隨之減??；由于發(fā)電機(jī)輸出電壓穩(wěn)定，所以升壓變壓器初級(jí)電壓不變，其次級(jí)電壓也不變．【答案】B5．發(fā)電廠發(fā)電機(jī)的輸出電壓為U1，發(fā)電廠至學(xué)校的輸電導(dǎo)線總電阻為R，通過(guò)導(dǎo)線上的電流為I，學(xué)校得到的電壓為U2，則輸電導(dǎo)線上損耗的功率下列表達(dá)式錯(cuò)誤的是()【導(dǎo)學(xué)號(hào)：31310121】\f(U\o\al(2,1),R) \f(U1－U22,R)C．I2R D．I(U1－U2)【解析】用P＝eq\f(U2,R)求電阻上損失的功率時(shí)，U要與電阻R相對(duì)應(yīng)，A中的U1是輸出電壓不是輸電線電阻上的電壓，故A是錯(cuò)誤的．B中的U1－U2是輸電線電阻上的電壓，因此，B是正確的；C、D中的電流I是輸電線中的電流，故C、D都是正確的．【答案】A6．如圖2-7-5所示，某小型水電站發(fā)電機(jī)的輸出功率為10kW，輸出電壓為400V，向距離較遠(yuǎn)的用戶供電，為了減少電能損耗，使用2kV高壓輸電，最后用戶得到“220VkW”的電能，求：圖2-7-5(1)水電站升壓變壓器原、副線圈匝數(shù)比eq\f(n1,n2)；(2)輸電線路導(dǎo)線電阻R；(3)用戶降壓變壓器原、副線圈匝數(shù)比eq\f(n3,n4).【解析】(1)水電站升壓變壓器原、副線圈匝數(shù)比eq\f(n1,n2)＝eq\f(U1,U2)＝eq\f(400,2000)＝eq\f(1,5).(2)由P損＝Ieq\o\al(2,2)R，輸送電流取決于輸出電壓及輸送功率，有I2＝eq\f(P,U2)所以R＝eq\f(P損,I\o\al(2,2))＝eq\f(P損,\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(P,U2)))2)＝eq\f(10000－9500,\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(10000,2000)))2)Ω＝20Ω.(3)設(shè)降壓變壓器原線圈上電壓為U3，U3＝U2－I2R＝(2000－5×20)V＝1900V所以降壓變壓器原、副線圈匝數(shù)比為：eq\f(n3,n4)＝eq\f(U3,U4)＝eq\f(1