電能的輸送 教案高中物理新人教版選擇性必修第二冊（2022年）

1、3.4電能的輸送電能的輸送其實也是一種能量的輸送，本節(jié)課的一條線路就是能量守恒，通過能量守恒定律分析出功率損耗的問題，進而討論如何降低能量損耗。本節(jié)課的內(nèi)容看似簡單，實則各種物理量之間的變化還是比較復(fù)雜的，但是主要抓住以下幾點即可：能量守恒、歐姆定律和變壓器原理。物理觀念只能電能的輸送其實也就是能量的輸送，其過程中電壓與功率都存在著必然的損耗。科學思維通過降低輸電損耗的分析，體會科學思維的在構(gòu)建物理模型中的重要作用?？茖W探究：培養(yǎng)學生運用物理規(guī)律和公式分析解決實際問題的能力?？茖W態(tài)度與責任通過對簡單的遠距離輸電線路分析與計算，體會科技對社會發(fā)展的推動作用。教學重點：理論分析如何減少能量損耗和理

2、解遠距離輸電原理圖。教學難點：對遠距離輸電原理圖的理解。多媒體課件一、新課引入我國很多發(fā)電廠建在能源聚集的西部地區(qū)，而用電量大的城市多在東部沿海地區(qū)。從發(fā)電廠到用電量大的區(qū)域的遠距離輸電中，如何減少電能的損耗？分析：生活中為了節(jié)約成本，發(fā)電廠總是建在有能源的地區(qū)，比如水庫大壩，煤炭產(chǎn)地等。這些地方往往離城市比較遠，這就需要通過導(dǎo)線把發(fā)電機產(chǎn)生的電輸送給遠在城市的用戶。引入課題：這就涉及到了遠距離輸電的問題。二、新課教學（一）輸送電能1.電能的優(yōu)點：便于遠距離輸送。2.輸送電能的基本要求：可靠，是指保證供電線路可靠地工作，故障少。保質(zhì)，就是保證電能的質(zhì)量電壓和頻率穩(wěn)定。經(jīng)濟，則是指輸電線路建造和

3、運行的費用低，電能損耗少。長距離輸電過程中，這么長的導(dǎo)線總是會有電阻的，這樣就會有部分能量變成電線上電阻產(chǎn)生的電熱，耗散在空氣中。那么我們?nèi)绾螠p少輸電過程的能量損耗呢？（二）降低輸電損耗的兩個途徑1.電壓損耗為了方便分析，咱們把從發(fā)電廠到用戶的輸電過程簡化成這樣， 假設(shè)發(fā)電廠提供了電壓為U，用戶獲得的電壓為U用，電路中的電流為I，輸電線上的總電阻為r。電壓的損失主要就在電阻r上記為U損。根據(jù)串聯(lián)分壓原理：U=U損+U用再根據(jù)歐姆定律，電壓損失：U損=Ir注意：如果說的是每根導(dǎo)線的電阻為r，那么導(dǎo)線上損耗的電壓就不是U損=Ir，而是U損=2Ir。2.功率損耗 同樣的假設(shè)發(fā)電廠輸?shù)綄?dǎo)線的功率為P，

4、由于電阻r的存在，所以導(dǎo)線上會有熱損耗用P損來表示。那么用戶獲得的功率就用P用來表示，這個P用有時也叫做導(dǎo)線或電網(wǎng)的輸出功率。根據(jù)能量守恒：P=P損+P用功率損失：P損=I2r由功率損失的表達式可以要想減少功率損耗，有兩個途徑減少輸電線的電阻r和減少輸電線的電流I。途徑一：減少輸電線的電阻r根據(jù)電阻的決定式可知要想減少電阻，就要減小材料的電阻率，減少輸電線的長度L，增加導(dǎo)線的橫截面積S。減小材料的電阻率，銀的電阻率最小，但價格昂貴，目前選用電阻率較小的銅或鋁作輸電線。減少輸電線的長度L，但實際上是不可行的，因為用戶和發(fā)電廠的輸電距離一定。增加導(dǎo)線的橫截面積S。過粗的導(dǎo)線會耗費太多的金屬材料，而

5、且輸電線太重、太粗夜歌鋪設(shè)工程帶來困難，不經(jīng)濟不實惠。所以來看看另外一個途徑，如何減小輸電電流I。途徑二：減少輸電線的電流I思考與討論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。在圖中導(dǎo)線的電阻集中畫為一個電阻r。1.怎樣計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.通過第2步的兩項計算，你認為哪個途徑對于降低輸電線路的損耗更為有效？4.怎樣計算用戶消耗的功率P？5.在保證用戶的電功率的前提下，怎樣才能減小輸電電

6、流？分析：前面已經(jīng)講過，這里是兩根導(dǎo)線的總電阻，所以P損=I2r。電阻減半時，所以電流減半時有：，所以看來通過減小電流的方法來降低損耗，效果非常明顯。用戶消耗的功率：P=P損+P用，P用=P-P損，發(fā)電廠發(fā)出的功率P=UI，所以有P用=UI-I2r減少輸電線的電流I的困難：根據(jù)P=UI，如果輸入到導(dǎo)線的電壓U不變，單純的減小電流I，這會造成導(dǎo)線傳輸?shù)墓β蔖也減小，也就是電網(wǎng)輸送電能的能力下降了。減少輸電線的電流I的方法：將電壓提高為原來的n倍，電流為降為原來的1/n，這樣傳輸功率p不變，而損耗功率變?yōu)樵瓉淼?/n2 。也就是高壓輸電。3.高壓輸電在實際生活中，遠距離傳輸電能時一般都采用超高壓輸

7、電，輸電電壓高達幾十萬伏，根本目的就是在保證傳輸功率的前提下降低導(dǎo)線損耗?？破眨河捎诟邏弘娋€上的電壓太高，已經(jīng)可以擊穿幾厘米厚的塑料或者橡膠，因此高壓線都沒有絕緣表皮都是裸線。安全教育：導(dǎo)線和電勢為零的大地之間有很大的電勢差，如果人站在地面上觸摸高壓線，瞬間就會有巨大的電流通過人體結(jié)果就是這樣燒焦了。所以你在生活中看到高壓線時，如果不想變成焦炭，一定要多遠點啊。注意：輸電電壓也不是越高越好。（三）電網(wǎng)供電1.一對一供電你發(fā)電站發(fā)的電是通過這樣的模型輸送給用戶。我們已經(jīng)知道發(fā)電機和變壓器決定電壓。用戶決定功率和電流。所以他會有很大的缺點。缺點：產(chǎn)能浪費比如采用這種供電方式的某個區(qū)域，凌晨的時候人

8、們都睡覺了，用戶端的耗電量非常少大概是1000W，這時發(fā)電機的輸出功率也是1000W，但其實這臺發(fā)電機的輸出功率可以達到十的6次方千瓦，現(xiàn)在就只能產(chǎn)生很小的電能，有很大一部分產(chǎn)能都被浪費。為了解決這個問題，現(xiàn)代社會采用的是另一種供電方式。2.電網(wǎng)供電在一個較大的區(qū)域，通過輸電網(wǎng)絡(luò)，把所有的發(fā)電站，變壓器和用戶都連接起來，這就是電網(wǎng)。顯然采用電網(wǎng)供電，不僅可以合理的調(diào)度電力，由于有多個發(fā)電站在同時供電，因此還能減少斷電的風險。（四）輸電線路中的參量關(guān)系把上圖簡化成如圖所示，用戶電阻為R用，損耗電阻為r，變壓器的電壓分別是U1、U2、U3、U4，電流分別為I1、I2、I3、I4，功率依次為P1、P

9、2、P3、P4，線圈匝數(shù)分別為n1、n2、n3、n4，電路的損耗為U損、P損。1.電壓關(guān)系按照變壓器的變壓規(guī)律有：升壓變壓器的電壓關(guān)系：降壓變壓器的電壓關(guān)系：在中間這個部分的回路中r是導(dǎo)線電阻，U3是降壓變壓器獲得的電壓。于是根據(jù)串聯(lián)分壓原理，可以得到傳輸過程的電壓關(guān)系：U2=Ur+U3這樣咱就把四個電壓聯(lián)系起來了。2.電流關(guān)系根據(jù)理想變壓器的電流規(guī)律得：升壓變壓器的電流關(guān)系：降壓變壓器的電流關(guān)系：如果把升壓變壓器看做電源，由于整個電路是串聯(lián)關(guān)系，那么回路中的電流I2和流過電阻r的電流Ir和I3應(yīng)該處處相等。則傳輸過程的電流關(guān)系：I2=Ir=I3。這樣四個部分的電流也都聯(lián)系起來。 3.功率的關(guān)

10、系由于理想變壓器沒有功率損耗，因此升壓變壓器的功率關(guān)系：P1=P2降壓變壓器的電流關(guān)系：P3=P4在中間這個部分電阻r上會有熱損耗Pr=122r，于是傳輸過程的功率關(guān)系：P2=Pr+P3這樣四個功率也聯(lián)系起來了。 在解題過程中，這些公式非常重要，你在花點兒時間好好記住。某個小水電站發(fā)電機的輸出功率為100kW，發(fā)電機的電壓為250V。通過升壓變壓器升高電壓后向遠處輸電，輸電線總電阻為8，在用戶端用降壓變壓器把電壓降為220V。要求在輸電線上損失的功率控制在5kW(即用戶得到的功率為95kW)。請你設(shè)計兩個變壓器的匝數(shù)比。為此，請你計算：(1)降壓變壓器輸出的電流是多少？輸電線上通過的電流是多少

11、？(2)輸電線上損失的電壓是多少？升壓變壓器輸出的電壓是多少？(3)兩個變壓器的匝數(shù)比各應(yīng)等于多少？解：如圖所示：升壓變壓器，輸入功率等于輸出（送）功率：P1=P2=100KW。已知U1=250V，U4=220V，P損=5KW，P4=P用=95KW，r=8。（1）降壓變壓器的輸出電流（即為用戶得到的電流）：輸電線的電流（2）輸電線上損失的電壓：U損=I2r=258=200V升壓變壓器的輸出電壓：（3）升壓變壓器的匝數(shù)比：降壓變壓器的輸入電壓：U3=U2-U損=4000-200=3800V升壓變壓器的匝數(shù)比：解題方法思路畫出供電圖以變壓器鐵心為界線分出各個回路，各回路可獨立運用歐姆定律分析。各回路間通過線圈匝數(shù)比與電壓比和電流比的關(guān)系，總功率不變等聯(lián)系求解。3.4電能的輸送輸送電能的要求可靠、保質(zhì)、經(jīng)濟 功率和電壓損失U損=Ir，P損=I2r降低輸電損耗的兩個途徑減少輸電線的電阻r， 減少輸電線的電流I-升高電壓U4.電網(wǎng)供電電壓關(guān)系：，U2=Ur+U3。電流關(guān)系：，I2=Ir=I3功率關(guān)系P