電能的輸送高二物理備課必備講義（人教2019選擇性必修第二冊(cè)）（原卷版）

第三章交變電流第4節(jié)電能的輸送【核心素養(yǎng)目標(biāo)】物理觀念理解遠(yuǎn)距離輸電線上的能量損失與哪些因素有關(guān)科學(xué)思維應(yīng)用理想變壓器、電路知識(shí)對(duì)簡(jiǎn)單的遠(yuǎn)距離輸電線路進(jìn)行定量計(jì)算.科學(xué)探究了解交變電流從發(fā)電站到用戶的輸電過程．科學(xué)態(tài)度與責(zé)任通過電能的輸送知識(shí)應(yīng)用的實(shí)例，感受物理中科學(xué)技術(shù)與社會(huì)的緊密聯(lián)系，體會(huì)科學(xué)知識(shí)的應(yīng)用價(jià)值，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力和科學(xué)意識(shí)。知識(shí)點(diǎn)一輸電線上的電壓和功率損失【情境導(dǎo)入】假定輸電線路中的電流是I，用戶端的電壓是U，兩條導(dǎo)線的總電阻是r.在圖中，輸電線的電阻集中畫為一個(gè)電阻r.(1)怎樣計(jì)算輸電線路損失的功率？(2)在輸電電流一定的情況下，如果線路的電阻減為原來的一半，線路上損失的功率減為原來的幾分之一？在線路電阻一定的情況下，如果輸電電流減為原來的一半，線路上損失的功率減為原來的幾分之一？(3)通過對(duì)第(2)問的兩項(xiàng)計(jì)算，你認(rèn)為哪個(gè)途徑對(duì)于降低輸電線路的損耗更為有效？(4)怎樣計(jì)算用戶消耗的功率P？(5)在保證用戶的電功率的前提下，怎樣才能減小輸電電流？【知識(shí)梳理】一、輸送電能的基本要求1．可靠：指保證可靠地工作，故障少．2．保質(zhì)：保證電能的質(zhì)量——和穩(wěn)定．3．經(jīng)濟(jì)：指輸電線路建造和運(yùn)行的費(fèi)用，電能損耗．二、降低輸電損耗的兩個(gè)途徑1．輸電線上的功率損失：P＝，I為輸電電流，r為輸電線的電阻．2．降低輸電損耗的兩個(gè)途徑(1)減小輸電線的電阻：在輸電距離一定的情況下，為了減小電阻，應(yīng)當(dāng)選用電阻率的金屬材料，還要盡可能增加導(dǎo)線的橫截面積．(2)減小輸電線中的電流：為了減小輸電電流，同時(shí)又要保證向用戶提供一定的電功率，就要輸電電壓．【重難詮釋】1．輸電線路的電壓損失輸電線始端電壓U與輸電線末端電壓U′的差值．ΔU＝U－U′＝Ir＝eq\f(P,U)r，其中I為輸電線上的電流，r為輸電線的電阻．2．輸電線路的功率損失(1)遠(yuǎn)距離輸電時(shí)，輸電線有電阻，電流的熱效應(yīng)引起功率損失，損失的電功率ΔP＝I2r.(2)若輸電線上損失的電壓為ΔU，則功率損失還可以表示為ΔP＝eq\f(?ΔU?2,r)，ΔP＝ΔU·I.3．減小電壓、功率損失的方法(1)減小輸電線的電阻由R＝ρeq\f(l,S)可知，距離l一定時(shí)，使用電阻率小的材料，增大導(dǎo)體橫截面積可減小電阻．(2)減小輸電電流I根據(jù)I＝eq\f(P,U)，在輸送功率P一定，輸電線電阻r一定的條件下，輸電電壓提高到原來的n倍，輸送電流可減為原來的eq\f(1,n)，輸電線上的功率損耗將降為原來的eq\f(1,n2).【典例精析】例1．(多選)在遠(yuǎn)距離輸電時(shí)，輸送的電功率為P，輸電電壓為U，所有輸電導(dǎo)線的電阻率均為ρ，橫截面積均為S，兩地的距離為L(zhǎng)，輸電線上損耗的電功率為P1，用戶得到的電功率為P2.下列關(guān)于P1和P2的表達(dá)式中正確的是()A．P2＝P(1－eq\f(2PρL,U2S)) B．P2＝P－eq\f(U2S,2ρL)C．P1＝eq\f(2P2ρL,U2S) D．P1＝eq\f(U2S,ρL)知識(shí)點(diǎn)二遠(yuǎn)距離高壓輸電過程的分析與計(jì)算【情境導(dǎo)入】某發(fā)電站向遠(yuǎn)處送電的示意圖如圖所示，其中各部分的物理量已在圖上標(biāo)注，在這個(gè)電路中包括三個(gè)回路。(1)結(jié)合閉合電路的知識(shí)，分別分析三個(gè)回路中各物理量之間的關(guān)系(發(fā)電機(jī)內(nèi)阻，n1、n2、n3、n4線圈的電阻均忽略不計(jì))。(2)若兩個(gè)變壓器均為理想變壓器，則每個(gè)變壓器中的電流、電壓、功率有什么關(guān)系？【知識(shí)梳理】電網(wǎng)供電1．遠(yuǎn)距離輸電的基本原理：在發(fā)電站內(nèi)用變壓器升壓，然后進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸電，在用電區(qū)域通過變壓器降到所需的電壓．2．電網(wǎng)：通過網(wǎng)狀的輸電線、，將許多電廠和廣大用戶連接起來，形成全國性或地區(qū)性的輸電——．3．電網(wǎng)輸電的優(yōu)點(diǎn)(1)降低一次能源的運(yùn)輸成本，獲得最大的．(2)減小斷電的風(fēng)險(xiǎn)，調(diào)劑不同地區(qū)的平衡．(3)合理調(diào)度電力，使的供應(yīng)更加可靠，質(zhì)量更高．【重難詮釋】解決遠(yuǎn)距離高壓輸電問題的基本方法1．首先應(yīng)畫出遠(yuǎn)距離輸電的電路圖(如圖)，并將已知量和待求量寫在電路圖的相應(yīng)位置．2．理清三個(gè)回路：回路1：P1＝U1I1回路2：U2＝ΔU＋U3，P2＝ΔP＋P3＝I22R線＋P3，I2＝I3回路3：P4＝U4I4.3．常用關(guān)系(1)功率關(guān)系：P1＝P2，P2＝ΔP＋P3，P3＝P4.(2)電壓關(guān)系：eq\f(U1,U2)＝eq\f(n1,n2)，U2＝ΔU＋U3，eq\f(U3,U4)＝eq\f(n3,n4).(3)電流關(guān)系：eq\f(I1,I2)＝eq\f(n2,n1)，I2＝I線＝I3，eq\f(I3,I4)＝eq\f(n4,n3).(4)輸電電流：I線＝eq\f(P2,U2)＝eq\f(P3,U3)＝eq\f(ΔU,R線).(5)輸電線上損耗的電功率：ΔP＝P2－P3＝I線2R線＝eq\f(?ΔU?2,R線)＝ΔU·I線．(6)輸電線上的電壓損失：ΔU＝I線R線＝U2－U3.(7)輸電效率η＝eq\f(P3,P2)×100%.【典例精析】例2．(多選)如圖所示，某小型發(fā)電站發(fā)電機(jī)輸出的交流電壓為500V，輸出的電功率為50kW，用總電阻為3Ω的輸電線向遠(yuǎn)處送電，要求輸電線上損失功率為輸電功率的0.6%，則發(fā)電站要安裝一升壓變壓器，到達(dá)用戶再用降壓變壓器變?yōu)?20V供用戶使用(兩個(gè)變壓器均為理想變壓器)．對(duì)整個(gè)送電過程，下列說法正確的是()A．輸電線上的損失功率為300WB．升壓變壓器的匝數(shù)比為1∶100C．降壓變壓器的輸入電壓為4970VD．降壓變壓器的匝數(shù)比為100∶1針對(duì)訓(xùn)練一、單選題1．如圖所示，一小型水電站通過升壓變壓器和降壓變壓器給某生活區(qū)供電，發(fā)電機(jī)組輸出電壓恒定，輸電線電阻保持不變。該生活區(qū)夜晚用電量大于白天用電量，則夜晚與白天比較（）A．發(fā)電機(jī)的輸出功率不變B．用戶獲得的電壓升高C．輸電線上損失的功率減小D．降壓變壓器輸入電壓降低2．圖（a）是目前世界上在建規(guī)模最大、技術(shù)難度最高的水電工程——白鶴灘水電站，是我國實(shí)施“西電東送”的大國重器，其發(fā)電量位居全世界第二，僅次于三峽水電站。白鶴灘水電站遠(yuǎn)距離輸電電路示意圖如圖（b）所示，如果升壓變壓器與降壓變壓器均為理想變壓器，發(fā)電機(jī)輸出電壓恒定，R表示輸電線電阻，則當(dāng)用戶功率增大時(shí)（????）A．示數(shù)增大，示數(shù)減小 B．、示數(shù)都減小C．輸電線上的功率損失增大 D．、示數(shù)的乘積等于、示數(shù)的乘積3．隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，加之寒冬來臨，用電需求增加，當(dāng)火力發(fā)電供應(yīng)緊張時(shí)，通過遠(yuǎn)距離調(diào)度方式，會(huì)及時(shí)將其他地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電并入電網(wǎng)保障電力供應(yīng)。如圖是遠(yuǎn)距離輸電的原理圖，假設(shè)發(fā)電廠輸出電壓恒定不變，兩個(gè)變壓器均為理想變壓器。當(dāng)用戶用電器增加（假設(shè)所有用電器均可視為純電阻），電網(wǎng)中數(shù)據(jù)發(fā)生變化，下列說法正確的是（????）A．降壓變壓器的輸出電流減小B．輸電線上損失的功率減小C．升壓變壓器的輸出電壓增大D．發(fā)電廠輸出的總功率增大4．遠(yuǎn)距離輸電的模擬電路如圖所示，升壓變壓器原、副線圈的匝數(shù)比為，輸電線的電阻為R，降壓變壓器原、副線圈的匝數(shù)比為n，降壓變壓器副線圈連接多個(gè)并聯(lián)的燈泡。電路工作時(shí)交流電源的輸出電壓不變，升壓變壓器原線圈兩端的電壓為，其中的電流為；降壓變壓器副線圈兩端的電壓為，其中的電流為。以下說法正確的是（）A． B．C．若增加并聯(lián)燈泡的個(gè)數(shù)，會(huì)增大 D．若增加并聯(lián)燈泡的個(gè)數(shù)，會(huì)減小5．2022年夏天我國南方地區(qū)持續(xù)高溫，用戶用電量激增，使用戶端電壓有所降低。遠(yuǎn)距離輸電的示意圖如圖所示，發(fā)電廠的輸出電壓保持不變，升壓變壓器和降壓變壓器均為理想變壓器，輸電線總電阻一定，當(dāng)用戶用電量增加時(shí)，下列說法正確的是（）A．升壓變壓器的輸出電壓降低B．降壓變壓器的輸出電流增加C．輸電線上損失的功率不變D．發(fā)電廠的輸出功率不變二、多選題6．某同學(xué)在實(shí)驗(yàn)室中研究遠(yuǎn)距離輸電。由于輸電線太長(zhǎng)，他將每100米導(dǎo)線卷成一卷，共卷成8卷來代替輸電線路（忽略輸電線路的自感作用）。第一次直接將輸電線與學(xué)生電源及用電器相連，測(cè)得輸電線上損失的功率為P1。第二次采用如圖所示的電路輸電，其中理想變壓器T1與電源相連，其原、副線圈的匝數(shù)比為，理想變壓器T2與用電器相連，測(cè)得輸電線上損失的功率為P2。下列說法錯(cuò)誤的是（）A．前后兩次實(shí)驗(yàn)都可用于研究遠(yuǎn)距離直流輸電B．實(shí)驗(yàn)可以證明，減小輸電電流能減小遠(yuǎn)距離輸電的能量損失C．若輸送功率一定，則D．若輸送功率一定，則7．如圖所示，為了減少電能損失，一小型水電站用變壓比的理想升壓變壓器向距離較遠(yuǎn)的用戶供電，已知發(fā)電機(jī)的輸出功率為46kW，輸電線路導(dǎo)線總電阻為，最后用戶得到220V、44kW的電力，則下列說法正確的是（）A．發(fā)電機(jī)的輸出電壓是460VB．輸電線上的電流是40AC．輸電線上損失的電壓是200VD．用戶降壓變壓器原、副線圈匝數(shù)比8．如圖為某水電站遠(yuǎn)距離輸電的原理圖。升壓變壓器的原副線圈匝數(shù)比為，輸電線總電阻為，升壓變壓器和降壓變壓器均為理想變壓器，發(fā)電廠輸出的電壓恒為，若由于用戶端負(fù)載變化，使發(fā)電廠輸出功率增加了。下述正確的是（????）A．電壓表的示數(shù)不變，電壓表的示數(shù)減小B．電流表、的示數(shù)均增大C．輸電線上損失的電壓增加了D．輸電線上損失的功率增加了9．我國特高壓輸電技術(shù)全球領(lǐng)先。若在傳輸電能總功率不變情況下，從原先150kV高壓輸電升級(jí)為1350kV特高壓輸電，則下列說法正確的是（）A．若輸電線不變，則輸電線上損失的電壓變?yōu)樵鹊腂．若輸電線不變，則輸電線上損失功率變?yōu)樵鹊腃．如果傳輸距離相同，用相同材料、但橫截面積是原來的輸電線，則損失功率不變D．如果傳輸距離是原來的81倍，用相同材料、相同粗細(xì)的輸電線，則損失功率不變10．如圖所示，導(dǎo)線框繞垂直于勻強(qiáng)磁場(chǎng)的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢(shì)，導(dǎo)線框與理想升壓變壓器相連進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸電。輸電線路的電流為2A，輸電線路總電阻為25Ω，理想降壓變壓器副線圈接人一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)恰好正常工作，且電動(dòng)機(jī)兩端的電壓為220V，電動(dòng)機(jī)內(nèi)阻為8.8Ω，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率恒為80%，導(dǎo)線框及其余導(dǎo)線電阻不計(jì)，不計(jì)一切摩擦，則（）A．該發(fā)電機(jī)的電流方向每秒鐘改變50次，圖示位置線圈的磁通量變化率為0B．不計(jì)摩擦，線框轉(zhuǎn)動(dòng)一圈過程中，克服安培力做功24JC．保持線框轉(zhuǎn)速不變，若電動(dòng)機(jī)突然卡住，輸電線上的損耗功率將增加D．升壓變壓器原副線圈匝數(shù)比為2：5，降壓變壓器原副線圈匝數(shù)比為6：1三、解答題11．發(fā)電機(jī)輸出電壓為U1＝245V，先由變壓比為1:10的升壓變壓器升壓后輸送到用戶處，再用變壓比為10:1的降壓變壓器降壓后對(duì)11