新教材2023年秋高中物理第3章交變電流4.電能的輸送教師用書含答案新人教版選擇性必修第二冊

4．電能的輸送1．了解提高輸電電壓是降低遠(yuǎn)距離輸電損耗的有效途徑，會用相關(guān)知識解釋實際的輸電問題。2．經(jīng)歷建立遠(yuǎn)距離輸電模型的過程，體會建立理想模型的思維方法。3．理解工程技術(shù)要兼顧科學(xué)、技術(shù)、經(jīng)濟等多種因素，知道電網(wǎng)供電是遠(yuǎn)距離輸電的重要發(fā)展。降低輸電損耗的兩個途徑1．輸送電能的基本要求(1)可靠：指保證供電線路可靠地工作，故障少。(2)保質(zhì)：保證電能的質(zhì)量——電壓和頻率穩(wěn)定。(3)經(jīng)濟：指輸電線路建造和運行的費用低，電能損耗少。2．降低輸電損耗的兩個途徑要減少輸電線路上的功率損失，由公式P損＝I2R線知，必須減小輸電線電阻或減小輸電電流。(1)要減小輸電線的電阻，從R＝ρlS看，在輸電距離一定的情況下，可以增大導(dǎo)線的橫截面積，但過粗的導(dǎo)線會耗費太多的金屬材料，同時也給鋪設(shè)工程帶來困難；還可以選用電阻率(2)從公式P＝IU來看，在保證功率不改變的情況下，要減小輸電電流就必須提高輸電電壓。前一種方法的作用十分有限，一般采用后一種方法。3．高壓輸電(1)現(xiàn)代遠(yuǎn)距離輸電都采用高壓輸電。目前我國遠(yuǎn)距離輸電采用的電壓有110kV、220kV、330kV，輸電干線已采用500kV和750kV的超高壓，西北電網(wǎng)甚至達(dá)到1100kV的特高壓。(2)高壓輸電并不是輸電電壓越高越好。電壓越高，對輸電線路絕緣性能和變壓器的要求就越高，線路修建費用會增多。(3)實際輸送電能時要綜合考慮輸送功率的大小、距離的遠(yuǎn)近、技術(shù)和經(jīng)濟要求等，依照不同情況選擇合適的輸電電壓。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電阻r。問題1怎樣計算輸電線路損失的功率？提示：輸電線路損失的功率P損＝I2r。問題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？提示：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，則損失的功率減為原來的二分之一；在線路電阻不變的情況下，當(dāng)電流減為原來的一半，線路上損失的功率減為原來的四分之一。問題3通過對第(2)問的兩項計算，你認(rèn)為哪個途徑對于降低輸電線路的損耗更為有效？提示：由第(2)問可知，減小輸電電流對于降低輸電線路損耗更為有效。問題4怎樣計算用戶消耗的功率P?提示：用戶消耗的功率P＝UI。問題5在保證用戶的用電功率不變的前提下，怎樣才能減小輸電電流？提示：由P＝UI可知I＝PU1．輸電線上的電功率損失(1)原因：輸電導(dǎo)線有電阻R線，電流流過輸電線時，電流的熱效應(yīng)引起電功率的損失。(2)計算式：①P線＝I2R線；②P線＝IU線；③P線＝U線2．輸電線上的電壓損失若用U表示輸電線始端電壓，U′表示輸電線末端電壓，則U線＝U－U′或U線＝IR線。3．功率損失與輸電電壓的關(guān)系如果遠(yuǎn)距離輸電的電功率P不變，輸電電壓為U，輸電導(dǎo)線電阻為R線，則輸電導(dǎo)線上發(fā)熱損失的功率P損＝I2R線＝PU2R線，因此輸電電壓若提高到nU，則P損將減為原來的4．注意：交流輸電時，導(dǎo)線不但有電阻，還有線路的電感、電容產(chǎn)生的感抗和容抗，但高中階段計算中，可將輸電線看作純電阻電路，不再考慮感抗和容抗對交流電路的影響?！镜淅?】某變電站用220V的電壓輸電，導(dǎo)線上損失的功率為輸送功率的20%。若要使導(dǎo)線上損失的功率降為輸送功率的5%，則輸電電壓應(yīng)為多少？[解析]設(shè)輸送功率為P，輸電電壓U1＝220V時，損失功率ΔP1＝20%P又因為ΔP1＝I12R線，I1解得ΔP1＝P2U現(xiàn)要求ΔP2＝5%P，同理ΔP2＝P2U因此可得Δ所以U2＝2U1＝440V。[答案]440V[一題多變]上例中，若輸電電壓不變，輸電線的電阻應(yīng)變?yōu)樵瓉淼亩嗌俦?？提示：ΔP1＝P2U12R線1，ΔP2＝則Δ輸電線的電阻應(yīng)變?yōu)樵瓉淼?4計算功率損失和電壓損失的三點提醒(1)輸電電壓是指加在高壓輸電線起始端的電壓U送，損失電壓是指降落在輸電線路上的電壓ΔU＝I線R線。(2)輸送功率是指高壓輸電線起始端輸出的功率P送，損失功率是輸電線上消耗的功率。(3)輸電線上的電流由I線＝P送U送計算，而不能由I線[跟進(jìn)訓(xùn)練]1．(多選)(2020·全國卷Ⅱ)特高壓輸電可使輸送中的電能損耗和電壓損失大幅降低。我國已成功掌握并實際應(yīng)用了特高壓輸電技術(shù)。假設(shè)從A處采用550kV的超高壓向B處輸電，輸電線上損耗的電功率為ΔP，到達(dá)B處時電壓下降了ΔU。在保持A處輸送的電功率和輸電線電阻都不變的條件下，改用1100kV特高壓輸電，輸電線上損耗的電功率變?yōu)棣′，到達(dá)B處時電壓下降了ΔU′。不考慮其他因素的影響，則()A．ΔP′＝14ΔP B．ΔP′＝12C．ΔU′＝14ΔU D．ΔU′＝12AD[若采用550kV的超高壓輸電，輸電線上的功率損耗ΔP＝PU2·r，輸電線路損失的電壓ΔU＝PU·r，若改用1100kV的特高壓輸電，同理有ΔP′＝PU'2·r，ΔU′＝PU'·r，可得ΔP′＝ΔP4，ΔU′＝Δ電網(wǎng)供電1．遠(yuǎn)距離輸電基本原理在發(fā)電站內(nèi)用升壓變壓器升壓，然后進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸電，在用電區(qū)域通過降壓變壓器降到所需的電壓。2．電網(wǎng)通過網(wǎng)狀的輸電線、變電站，將許多電廠和廣大用戶連接起來，形成全國性或地區(qū)性的輸電網(wǎng)絡(luò)。3．電網(wǎng)輸電的優(yōu)點(1)降低一次能源的運輸成本，獲得最大經(jīng)濟效益。(2)減少斷電的風(fēng)險，調(diào)劑不同地區(qū)電力供需的平衡。(3)合理調(diào)度電力，使電力的供應(yīng)更加可靠，質(zhì)量更高。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，在這個電路中包括三個回路。問題1結(jié)合閉合電路的知識，分別分析三個回路中各物理量之間的關(guān)系(發(fā)電機內(nèi)阻，n1、n2、n3、n4線圈的電阻均忽略不計)。提示：第一個回路：P1＝U1I1。第二個回路：U2＝ΔU＋U3，P2＝ΔP＋P3＝I線2R＋P第三個回路：P4＝U4I4。問題2若兩個變壓器均為理想變壓器，則每個變壓器中的電流、電壓、功率有什么關(guān)系？提示：U1U2＝n1n2，I1I2＝n1．遠(yuǎn)距離輸電的幾個基本關(guān)系式(1)功率關(guān)系：P1＝P2，P2＝P損＋P3，P3＝P4。(2)電壓關(guān)系：U1U2＝n1n2，U2＝(3)電流關(guān)系：I1I2＝n2n1，I2＝(4)輸電電流：I線＝P2(5)輸電導(dǎo)線上損耗的電功率P損＝P2－P3＝I線2R線＝U線2R線(6)輸電導(dǎo)線上的電壓損失U線＝I線R線＝U2－U3。2．兩個聯(lián)系(1)線圈1(匝數(shù)為n1)和線圈2(匝數(shù)為n2)中各個量間的關(guān)系是：U1U2＝n1n2，I1n1＝I2n(2)線圈3(匝數(shù)為n3)和線圈4(匝數(shù)為n4)中各個量間的關(guān)系是：U3U4＝n3n4，I3n3＝I4n3．一個定律根據(jù)能量守恒定律得P2＝P損＋P3?！镜淅?】(多選)(2022·福建龍巖第一中學(xué)高二開學(xué)考試)風(fēng)力發(fā)電將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為電能。某風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率為10kW，輸出電壓為250V，用戶得到的電壓是220V，輸電線的電阻為20Ω，輸電線路的示意圖如圖所示。若輸電線因發(fā)熱而損失的功率為輸送功率的5%，變壓器均視為理想變壓器，則下列說法正確的是()A．用戶得到的功率為9.5kWB．通過輸電線的電流為4AC．升壓變壓器原、副線圈的匝數(shù)之比為1∶8D．降壓變壓器原、副線圈的匝數(shù)之比為100∶11AC[用戶得到的功率即降壓變壓器的輸出功率P用＝P－P損＝P×(1－5%)＝9.5kW，故A正確；輸電線損失的功率P損＝P×5%＝0.5kW，通過輸電線的電流I2＝P損R線＝5A，故B錯誤；升壓變壓器的輸出電壓U2＝PI2＝2000V，可得升壓變壓器原、副線圈的匝數(shù)之比n1n2＝U1U2＝18，故C正確；輸電線上的電壓損失U損＝I2R線＝100V，降壓變壓器原線圈兩端的電壓處理遠(yuǎn)距離輸電的方法技巧(1)畫好一張圖——遠(yuǎn)距離輸電示意圖。(2)抓住電兩端——發(fā)電站和用戶。(3)分析一條線——輸電線。(4)研究兩次變——升壓變壓器升壓和降壓變壓器降壓。(5)區(qū)分三個量——輸送電壓(功率)、損失電壓(功率)、用戶電壓(功率)。[跟進(jìn)訓(xùn)練]2．(2022·江西撫州高二期末)如圖是遠(yuǎn)距離輸電的電路原理圖，通過升壓變壓器向遠(yuǎn)處輸電，在用戶端用降壓變壓器使得電壓值達(dá)到用戶要求，升壓變壓器原、副線圈電壓分別為U1、U2，電流分別為I1、I2，輸電線上的電阻為R，降壓變壓器原、副線圈電壓分別為U3、U4，電流分別為I3、I4。變壓器均視為理想變壓器，則下列判斷正確的是()A．I1>I3 B．U2＝I2RC．U1>U2 D．I4<I2A[設(shè)升壓變壓器和降壓變壓器的匝數(shù)分別為n1、n2、n3、n4，則I1I2＝n2n1，U1U2＝n1n2，I3I4＝n4n3，且n1<n2，n3>n4，I2＝I3，所以可得I1>I3，I4>I2，U1<U23．(多選)快速鐵路的電力機車供電系統(tǒng)如圖所示，發(fā)電廠利用升壓變壓器將低壓交流電的電壓升至110kV，牽引變電所利用降壓變壓器將電力系統(tǒng)輸送來的高壓交流電的電壓降至27.5kV，升壓變壓器和降壓變壓器均為理想變壓器，發(fā)電廠的輸出電壓不變，輸電線的電阻R不能忽略。若機車功率增大，則()A．升壓變壓器的輸出電壓增大B．降壓變壓器的輸出電壓增大C．輸電線上損耗的功率增大D．輸電線上損耗的功率占總功率的比例增大CD[因為發(fā)電廠的輸出電壓不變，升壓變壓器不變，所以升壓變壓器的輸出電壓不變，A錯誤；升壓變壓器的輸入功率等于輸出功率，若機車功率增大，則升壓變壓器的輸出功率增大，由公式P＝UI可知升壓變壓器的輸出電流增大，輸電線上的功率損耗ΔP＝I2R增大，輸電線上電壓損耗ΔU＝IR增大，降壓變壓器的輸入電壓減小，則降壓變壓器的輸出電壓減小，B錯誤，C正確；設(shè)升壓變壓器的輸出電壓為U2，輸出電流為I，則輸電線上損耗的功率占總功率的比例為I2RU2I＝IR1．為了降低輸電過程中電能的損耗，下列電壓中最適合遠(yuǎn)距離輸電的是()A．220V B．380VC．10kV D．220kVD[根據(jù)導(dǎo)線損耗功率P損＝I2R線可知，要降低輸電過程中電能的損耗，要減小輸電電流，根據(jù)輸電功率P＝UI可知，在輸電功率一定時，提高輸電電壓可以減小輸電電流，從而達(dá)到減小電能損耗的目的，即采用高壓輸電。]2．(2022·江蘇如皋中學(xué)高二階段練習(xí))對于遠(yuǎn)距離輸電，在P送一定的情況下，設(shè)輸電線路中的電流為I送，輸電線的總電阻為R線，為了減少損耗，采用增大電壓U送輸電，下列說法正確的是()A．由U送＝I送R線，知輸電線路中的電流變大B．由P送＝I送U送，知輸電線路中的電流變小C．由P耗＝U送D．由P送＝I送2R線B[公式P送＝I送U送，P耗＝U耗2R線，P送一定，U送增大時，輸電線路中的電流變小，故B正確，A、D錯誤；根據(jù)P耗＝I線2R線＝I送2R線＝P送U送2R線3．小明分別按照圖甲和圖乙電路探究遠(yuǎn)距離輸電的輸電損耗，將長導(dǎo)線卷成相同的兩卷A、B來模擬輸電線路，忽略導(dǎo)線的自感作用。其中T1為理想升壓變壓器，其原、副線圈的匝數(shù)分別為n1、n2，T2為理想降壓變壓器，其原、副線圈的匝數(shù)分別為n3、n4，兩次實驗中使用的燈泡相同，燈泡的電壓相等。兩次實驗中()A．都接直流電源B．A兩端的電壓相等C．A損耗的功率相等D．圖甲中A的電流較大D[變壓器不能改變直流電電壓，A錯誤；兩次實驗燈泡電壓相等，電流也一定相等，因為T2為降壓變壓器，則n3＞n4，n3n4＝I4I3＞1，所以題圖甲流過A的電流大于題圖乙流過A的電流，由U＝IR可知，甲、乙兩電路中A兩端的電壓不相等，故B錯誤；P＝I2R，題圖甲線圈A損4．(多選)某同學(xué)在實驗室中研究遠(yuǎn)距離輸電。由于輸電線太長，他將每100m導(dǎo)線卷成一卷，共卷成8卷來代替輸電線路。第一次直接將輸電線與學(xué)生電源及用電器相連，第二次采用如圖所示的電路輸電。其中變壓器T1與電源相連，變壓器T2與用電器相連。下列說法正確的是()A．第二次實驗也可研究遠(yuǎn)距離直流輸電B．T1是升壓變壓器，T2是降壓變壓器C．若輸送功率一定，則第二次輸電線損失的電功率較小D．實驗可證明，增大輸電電流能減少遠(yuǎn)距離輸電的能量損失BC[變壓器只能改變交變電流的電壓，所以第二次實驗只能研究遠(yuǎn)距離交流輸電，A錯誤；采用高壓輸電時，T1為升壓變壓器，T2為降壓變壓器，由I＝PU可知，輸送功率一定時，提高輸電電壓，可減小輸電線中電流I，由P損＝I2R線線損失的電功率較小，實驗可以證明，減小輸電電流能減少遠(yuǎn)距離輸電的能量損失，B、C正確，D錯誤。]回歸本節(jié)知識，自我完成以下問題：(1)減小輸電線功率損失有哪些方法？提示：采用高壓輸電，降低輸電電流或者減小輸電電阻。(2)遠(yuǎn)距離輸電過程中功率關(guān)系怎樣？若用戶消耗的功率增大，輸送功率和損耗的功率怎么變化？提示：P輸＝P損＋P用，用戶消耗的功率增大，輸送功率和損耗的功率都增加。(3)計算損失功率的基本公式是什么？提示：P損＝I2R線＝P送U送輸電技術(shù)的發(fā)展1882年，愛迪生在美國修建了第一個電力照明系統(tǒng)，用直流電點亮了幾千盞電燈。那時，輸電距離很近，每隔3km左右就要建立一個發(fā)電廠，否則燈泡因電壓過低而不能發(fā)光。同一年，一個法國工程師修建了第一條遠(yuǎn)距離輸電電路，將一個水電站發(fā)出的電送到57km之外的慕尼黑，在博覽會上用來驅(qū)動一臺水泵，造了一個人工噴泉。1886年，發(fā)明家威斯汀豪斯利用變壓器成功地在6km的線路上實現(xiàn)了交流輸電。1891年，德國建成170km的15～30kV的高壓輸電線路，效率高達(dá)70%～80%。1893年，美國修建尼亞加拉水電站時，經(jīng)過反復(fù)論證，決定采用交流供電系統(tǒng)。1909～1912年，美國、德國建造100kV的高壓輸電線路，從此高壓輸電技術(shù)迅速普及。隨著電力系統(tǒng)的擴大，交流輸電遇到了一些技術(shù)困難。例如，用甲、乙兩臺交流發(fā)電