最新人教版高中物理选修1-1第三章《高压输电》课堂互动

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三点剖析
一、输送电能电路的认识和计算是重点 （1）首先应画出输电的电路图；（2）化复杂为简单，以变压器为界划分好各个回路，独立运用欧姆定律、焦耳定律和电功、电功率公式进行计算；（3）抓住联系各回路之间桥梁的物理量，如根据变压器输入、输出功率相等，原、副线圈两端电压、电流与各自匝数的关系. 如图3-5-1所示中有：3322111I U P I U I U P +∆=+=
用用P P I U P +∆=+∆=3.
升压变压器 降压变压器
图3-5-1
二、远距离输送电能是难点 1.分析：发电厂的发电功率P 一定，由P ＝UI 可知，采用高压输电可大大减小电流强度，从而大大减小导线上的电热损失.如图3-5-2所示为高压输电的流程示意图.其中1T 为升压变压器，2T 为降压变压器，P 为发电机的输出功率，r 为输电线的总电阻，R 为负载电阻.输电线上的电热损失为Q ，由焦耳定律可得：r
U U r I Q 2
322
2
)(-=⋅=.
图3-5-2
2.思路：在远距离输送电能的过程中，由能的转化与守恒定律可知，发电机的总功率应等于线路上损失的热功率和用户得到的功率之和(如果不考虑变压器自身的能量损失).
3.方法：远距离输电时，利用升压变压器大幅度地提高输电电压，从而减小输电电流，减小线路上的热损功率.求解电热功率时，单就输电导线而言，其电感可视为零，电路对交变电流的影响主要为电阻.即为所谓的纯电阻电路，电功等于电热，Rt I Q W 2
==.
4.创新:因为输电线电阻为定值，且输送电能的总功率一定，则22
)(
出
总损＝U P R I P =⋅，
即损P ∝21
出
U .因此，求解损P 常用比例的方法，这样快捷有效，突出事物本质，减少运算过程.
三、输电线路上的电压损失是疑点 1.如图3－5－3，输电线路始端电压U 与末端的电压U ′的差值ΔU ＝U －U ′叫输电线路上的电压损失.
图3－5－3
2.电压损失原因
（1）线路电阻.电流通过输电导线时，会在线路的电阻上产生电压降，致使输电线路末端（用电设备两端）电压U ′比起始端电压U 低.
（2）线路感抗和容抗.对交流输电线路，由于电流的变化，输电导线会产生阻碍电流变化的自感电动势，产生感抗；导线架在空中，和大地这一导体构成电容器，如果导线敷设在地下，导线与大地由绝缘层隔开，导线和大地也构成电容器，电容对交流有阻碍作用，会产生容抗.当输电线的电压较高，导线较粗时，感抗和容抗造成的损失常比电阻造成的还要大.
3.减少输电线路上的电压损失的方法
（1）增大输电导线的截面积以减小电阻.此法只在低压照明电路上才有效.在高压线路上，感抗和容抗造成的电压降常比电阻造成的还要大，而增大导线截面积对减小电抗不起多大作用.
（2）减小输电电流.在输送电功率不变的前提下，合理提高输电电压. 各个击破
【例1】 一台交流发电机的输出电压为250 V ，输出功率为100 kW ，向远处输电所用导线的总电阻R ＝8 Ω，要使输电线上的功率损失不超过输送功率的5%，用户处正好得到220 V 的电压，则供电处升压变压器和用户处降压变压器的匝数比各为多少?
解析：发电机的输出电压：1U ＝250 V ， 升压变压器的原线圈电流：1I ＝
1
1
U P ＝400 A ， 输电线上的功率损失：1P P ＝损×5%，R I P ２
线损＝， 所以输电线上的电流：线I ＝25 A. 升压变压器的匝数比为
16
1
40025121===I I n n 线, 升压变压器副线圈两端的电压为
1
2
1
2n n U U =＝16×250V ＝4 000 V 输电线上的电压损失为R I U 线损＝＝25×8 V ＝200 V 降压变压器原线圈两端的电压为损U U U -=23＝3 800 V
降压变压器的原、副线圈的匝数比为
11
190
22080034343=
==U U n n . 答案：1∶16,190∶11
【例2】 电站向某地输送5 000 kW 的电功率，输电线上损失的电功率为100 kW.如果输送的电功率不变，把输电电压提高为原来的10倍，同时将输电导线的横截面积减小为原来的一半.求输电线上损失的功率为多少.
解析：输电线上的功率损耗与输电电压有关外，还与导线的横截面积有关.输电功率不
变，输电电压升高到原来的10倍，由U P I =
知，I I 10
1
=
'输电导线的横截面积减小为原来的一半.由S L R ρ=知R ′=2R,R
R I I P P R I P '⨯'⨯='⇒22
)(耗耗＝=2 kW.
答案：2 kW.
类题演练 １
发电厂的输出功率为200 kW ，输电线的电阻为0.13 Ω.那么输出电压为250 V 或2 500 V ，这两种情况下，在输电线上损失的功率各为多少？输入用户的功率各为多少？ 解析：
当输出U =250 V 时，输出电流 输出
输出
输出＝
U P I =800 A,
损失的功率：线输出损失＝R I P 2
=800A ）2
×0.13 Ω=83.2 kW 输入用户功率损失输出输入－＝P P P =200 kW-83.2 kW=116.8 kW;
当输出U =2 500 V 时，输出电流为输出
输出
输出
＝U P I '=80A,
损失的功率：
线输出损失
＝R I P 2
''=（80A ）2×0.13 Ω=0.832 kW, 输入用户功率：
损失输出输入
－＝P P P ''=200 kW-0.832 kW=199.168 kW 答案：输出电压为250 V 时，损失的功率为83.2 kW ，输入用户的功率为116.8 kW;输出电压为2 500 V 时，损失的功率为0.832 kW,输入用户的功率为199.168 kW.
类题演练 2
远距离输电时，输送电压为6 000 V ，功率为500 kW.这时，安装在输电线路起点和终点的电能表一昼夜里读数相差4 800 kW ·h ，则输电效率为多大？输电导线的电阻为多少?
解析：
%100h
kW 8004⨯⋅-Pt
Pt ＝
η
%60%100)24
500800
41(=⨯⨯-
=;
∵损P =P ×40%, r U P P ⋅2
)(＝损
∴10
3610
25102001036⨯Ω⨯⨯⨯=r ≈28.8 Ω. 答案：60%；28.8 Ω
【例3】 发电机输出功率为100 kW ，输出电压是250 V ，用户需要的电压是220 V ，输电线电阻为10 Ω，若输电线路因发热而损失的功率为输送功率的4%，试求:
（1）画出此输电线路的示意图；
（2）在输电线路中设置的升、降压变压器原、副线圈的匝数比； （3）用户得到的电功率是多少? 解析：（1）为了减少输电线路损失，大功率、远距离输电，采用高压输电，到用户后再降压.其输电线路示意图如图3-5-4所示.
图3-5-4
（2）输电线因发热损耗的功率为ΔP ＝P ×4%＝100×4%kW ＝4 kW
由R I P 2
=∆，得输电电流即升压变压器副线圈中的电流为
10
000
42=∆=
R P
I A=20A 升压变压器原线圈中的输入电流为 250
101003
11⨯=
=U P I A =400 A 所以升压变压器中原副线圈的匝数比为
20
1
400201221=
==I I n n , 升压变压器副线圈两端的电压为
11
2
2U n n U =
=250×20 V=5 000 V 输电线路中损失的电压为
R I U 2=∆＝20×10 V ＝200 V
降压变压器原线圈两端的电压3U 为
U U U ∆-=23＝5 000 V-200 V ＝4 800 V
所以降压变压器原副线圈的匝数比为
11
240
22080044343=
==U U n n （3）用户得到的电功率，即降压变压器的输出功率为 P P ='×（1-4%）＝100×96% kW ＝96 kW. 答案：（1）输电线路的示意图如图354所示； （2）升压变压器中原副线圈的匝数比为201,降压变压器原副线圈的匝数比为11
240
; （3）用户得到的电功率为96 kW.。