高中物理(鲁科版选修3-2)教师用书：第4章 第3节 电能的远距离传输 含答案

学 习 目 标知 识 脉 络1.了解从变电站到用户的输电过程．2.理解降低输电损耗的两个途径及其各自的优缺点．(重点)3.知道高压输电原理，区别导线上的输电电压U和损失电压ΔU.(难点)4.了解高压交流和高压直流输电的优缺点及两种系统的区别和联系.为 什 么 采 用 高 压 输 电1．电功率损失由于电流的热效应会引起电功率的损失，且满足P损＝I2R线，可以通过减小输电线的电阻或减小输送电流来减小电功率的损失．2．电压损失3．高压输电减小电阻要增粗导线，增粗导线又带来两个不利，其一，耗费更多的金属材料；其二，会使电抗更大，造成更大的电压损失．只有采用小电流输电才会避免上述问题，在保证输送功率不变的情况下，减小电流必须靠升高电压来实现．1．输电线上的电压损失可用ΔU＝Ir计算，r为输电线的电阻．(√)2．输电电压越高越好．(×)3．家庭用电常用铜导线，是为了减小输电导线的电阻，从而减小电能损失．(√)在电能的输送过程中，U为输电电压，r为输电线电阻，则输电线中电流为I＝，对不对？为什么？【提示】不对．U为输电电压，而不是在输电导线上的电压，即U≠Ir，而输电电流可通过P＝UI求得．假定输电线路中的电流是I，两条导线的总电阻是r，在图中导线电阻集中画为r，输送功率为P.发电厂输出的电压为U1.图4－3－1探讨1：远距离大功率输电面临的困难是什么？【提示】在输电线上有功率损失．探讨2：输电线上功率损失的原因？功率损失的表达式？减少输电损耗的两个途径？【提示】由于输电线有电阻，当有电流时，有一部分电能转化为电热而损失掉了；P损＝I2r；减少输电损耗两个途径：①减小输电电流I，②减小输电线电阻r.探讨3：为什么远距离输电必须用高压呢？【提示】因为发电厂的输出功率P是一定的，由P＝UI知，要减小输电电流I，必须提高输出电压U.1．输电线上的功率损失(1)输电过程中功率损失的原因输电导线有电阻，因此当电能通过输电线送向远方，电流流过输电线时，因输电线有电阻而发热，电能必有一部分转化为内能而损失掉．(2)计算输电导线上功率损失的方法设输电导线的总电阻为R，输电电流为I，则损失功率为P损＝I2R.设输送的总电功率为P，输电电压为U，输电线的总长度为L，横截面积为S，电阻率为ρ，则输电电流I＝，输电线电阻R＝ρ，所以输电线上的功率损失可表示为P损＝()2ρ.(3)减小输电线上的功率损失的方法根据公式P损＝I2R可知，减小输电线路上功率损失的方法有两种：①减小电阻据R＝ρ判断：减小输电线的长度L，由于输电距离一定，所以在实际中不可能通过减小L来减小R；减小电阻率ρ，目前，一般用电阻率较小的铜或铝作为输电线材料；增大导线的横截面积S，这要多耗费金属材料，增大成本，同时给输电线的架设带来很大的困难．②减小输电导线的电流I据I＝判断：减小输送功率，在实际中不能通过用户少用或不用电来达到减少损耗的目的；提高输电电压U，在输送电功率P一定，输电线电阻一定的条件下，输电电压提高到原来的n倍，据P损＝()2R可知，输电线上的功率损耗将降为原来的.2．输电线上的电压损失(1)在输电线上存在电压损失的原因输电导线有电阻，电流通过输电线时，会在线路上产生电势降落，致使输电线路末端的电压比起始端电压要低，这就是输电线上的电压损失．(2)计算输电线上的电压损失的方法如图4－3－2所示，U为发电厂的输出电压，P为发电厂的输出功率，U′为用电设备两端的电压，P′为用电设备的输入功率，则输电线上损失的电压为ΔU＝U－U′，且ΔU＝IR.图4－3－2(3)减少输电线路上的电压损失的方法据ΔU＝IR可知，减小输电线路上电压损失的方法主要有两种：(1)减小输电线路的电阻；(2)减小输电电流I，即提高输电电压．1．(多选)如图4－3－3为远距离高压输电的示意图，关于远距离输电，下列表述正确的是( )【导学号：05002101】图4－3－3A．增加输电导线的横截面积有利于减少输电过程中的电能损失B．高压输电是通过减小输电电流来减小电路的发热损耗C．在输送电压一定时，输送的电功率越大，输电过程中的电能损失越小D．高压输电必须综合考虑各种因素，不一定是电压越高越好【解析】根据输电原理，电路中的功率损耗ΔP＝I2R线而R线＝ρ，增大输电线的横截面积，输电线的电阻会减小，则能减小输电线上的功率损失，A对；由P＝UI可知，P一定的情况下，输送电压U 越大，I越小，ΔP越小，B对；若输电电压一定，输送功率越大，则电流I越大，ΔP越大，C错；输电电压并不一定越高越好，因为电压越高，对于安全和技术的要求越高，D对．【答案】ABD2．某小型实验水电站输出功率是20 kW，输电线路总电阻是6 Ω.(1)若采用380 V电压输电，求输电线路损耗的功率和用户得到的电压；(2)若改用5 000 V高压输电，用户端利用n1∶n2＝22∶1的变压器降压，求用户得到的电压．【解析】(1)输电线上的电流为：I＝＝A≈52.63 A输电线路损耗的功率为：P损＝I2r＝52.632×6 W≈16 620 W＝16.62 kW用户得到的电压为：U1＝U－Ir＝(380－52.63×6)V＝64.22 V.(2)改用高压输电后，输电线上的电流变为：I′＝＝ A＝4 A用户端在变压器降压前获得的电压U1′＝U′－I′r＝(5 000－4×6) V＝4 976 V根据＝n1n2用户得到的电压为U2′＝U1′＝×4 976 V≈226.18 V.【答案】(1)16.62 kW 64.22 V (2)226.18 V计算输电线上功率损耗的方法1．ΔP＝I2R，I为输电线上的电流，R为线路电阻．2．ΔP＝，U线为输电线路上损失的电压，R为线路电阻．3．ΔP＝U线·I，U线为输电线上损失的电压，I为线路上的电流．高 压 交 流 输 电 和 高 压 直 流 输 电1．高压交流输电(1)基本环节升压变压器降压变压器发电厂(站)―→高压输电线路―→用户(2)电路原理图：(如图4－3－4所示)图4－3－42．高压直流输电(1)主要构造整流站、直流线路和逆变站三部分．(2)原理图：(如图4－3－5所示)图4－3－5(3)高压直流输电的优点高压直流输电的过程是在高压交流输电的基础上完善而成的，它的主要优点有：①节省材料，架设方便．②不存在容抗和感抗引起的损耗．③易于建设输电网，不需要考虑各发电机的同步问题．1．在远距离输电线上的功率损失与输电线上电压损失的平方成正比．(√)2．由P＝UI知，在输送功率一定的情况下，提高输电电压，同时输电电流一定减小．(√)3．高压直流输电系统有两次换流过程．(√)在直流输电系统中，换流站内换流器的作用是什么？【提示】换流器的作用是实现交流电与直流电的转换，是直流输电系统内的重要环节．我们日常生活离不开电，电是由发电厂产生的．为了合理地利用自然资源，火力发电厂通常建在煤矿附近，水电站建在水力资源丰富的河流上，但用电的地方可能距离很远，需要将电能安全、保质地由发电厂送往远方，同时又不能浪费太多的电能．请探究以下几个问题：探讨1：火力发电厂或水电站发出电的电压一定很高吗？怎样才能提高输送电压？【提示】电厂发出的电的电压最大值由公式Em＝NBSω决定，因机械制造等因素，电压不会很高，通常借助变压器将低电压变为高电压．探讨2：电能的远距离传输一般要经过哪几个环节？【提示】一般要经历三个环节，即升压变压器升压、电能的输送线路、降压变压器降压．探讨3：用户消耗的电功率和电厂发出的电功率相等吗？【提示】不相等，因为在电能的输送线路上有电阻要消耗部分电功率，所以电厂发出的电功率大于用户获取的电功率．1．高压交流输电线路(1)结构示意图图4－3－6(2)基本关系 电压关系：＝，＝n3n4电流关系：＝，＝n4n3 功率关系：P1＝P2，P3＝P4 损失电压：UR ＝I2R ＝I3R 损失功率：PR ＝IR ＝U/R(3)重要关联关系⎩⎨⎧I2＝I3U2＝UR＋U3P2＝PR＋P3(4)高压交流输电技术的困难①输送大功率电能，导线横截面积较大，电感的作用(感抗)超过电阻；②电缆长度越长，电容器的旁路作用越强，甚至使交流无法输送；③电流并网要求各台发电机交流相位相同，频率相同． 2．高压直流输电(1)高压直流输电系统原理图4－3－7(2)高压直流输电的优越性①输送相同功率的电能时，直流输电所用线材仅为交流输电的2/3；②直流输电比同容量交流输电简单，占地面积小；③稳定的直流输电不存在感抗和容抗引起的能量损耗；④用直流输电不需要考虑电网中各台交流发电机的同步运行问题．3．(多选)高压直流输电与高压交流输电相比( )A．高压直流输电不存在感抗和容抗引起的损耗B．高压直流输电所需的设备比高压交流输电所需的设备经济C．高压直流输电技术简单D．高压直流输电主要用于联系非同步运行的交流系统【解析】稳定的直流输电不存在感抗和容抗引起的损耗，A正确；高压直流输电技术的要求高，所需的换流设备制造难价格高，B、C错误．高压直流输电主要用于联系非同步运行的交流系统，D正确．故选A、D.【答案】AD4．如图4－3－8所示，学校有一台应急备用发电机，内阻为r＝1 Ω，升压变压器匝数比为n1∶n2＝1∶4，降压变压器的匝数比为n3∶n4＝4∶1，输电线总电阻为R线＝4 Ω，全校有22间教室，每间教室安装“220 V40 W”的电灯6盏，要求所有的电灯都正常发光，求：图4－3－8(1)输电线上损耗的电功率P损为多大？(2)发电机的电动势E为多大？【导学号：05002102】【解析】(1)所有电灯正常发光时消耗的功率为P灯＝40×22×6 W＝5 280 W＝P4由于电灯正常发光时降压变压器副线圈两端电压U4＝220 V所以降压变压器原线圈两端电压U3＝U4＝×220 V＝880 V两变压器之间输电线上的电流为I线＝＝＝ A＝6 A输电线上损失的功率P损＝IR线＝62×4 W＝144 W.(2)输电线上损失的电压U损＝I线R线＝6×4 V＝24 V升压变压器副线圈两端电压U2＝U3＋U损＝(880＋24)V＝904 V升压变压器原线圈两端电压U1＝U2＝×904 V＝226 V升压变压器原线圈中的电流I1＝I线＝×6 A＝24 A发电机内阻上的电压：Ur＝I1r＝24 V发电机的电动势E＝U1＋Ur＝226 V＋24 V＝250 V.【答案】(1)144 W (2)250 V处理远距离输电问题的方法处理远距离输电问题的方法，关键是抓住一图三线，一图即输电的线路图，三线即三个关系：功率关系、电压关系和电流关系，抓住一图三线，按照从前到后或从后向前的顺序分析，即可找到突破口．。