《2017-2018學(xué)年高中物理 第五章 交變電流 5 電能的輸送學(xué)案 新人教版選修3-2》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2017-2018學(xué)年高中物理 第五章 交變電流 5 電能的輸送學(xué)案 新人教版選修3-2（13頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 5 電能的輸送 [目標(biāo)定位]　1.了解遠(yuǎn)距離輸電線路的基本構(gòu)成.2.掌握遠(yuǎn)距離輸電線上的能量損失與哪些因素有關(guān).3.應(yīng)用理想變壓器、電路知識對簡單的遠(yuǎn)距離輸電線路進(jìn)行定量計(jì)算. 一、降低輸電損耗的兩個途徑 1.輸送電能的基本要求 (1)可靠：保證供電線路可靠地工作，少有故障. (2)保質(zhì)：保證電能的質(zhì)量——電壓和頻率穩(wěn)定. (3)經(jīng)濟(jì)：輸電線路建造和運(yùn)行的費(fèi)用低，電能損耗少. 2.輸電線上的功率損失 (1)損失功率計(jì)算：ΔP＝I2R線，I為輸電電流，R線為輸電線的電阻. (2)減小輸電線上功率損失的方法： ①減小輸電線的電阻R線：由R線＝ρ得，要減小R線，在l保持不

2、變的情況下，可以減小ρ，增大S. ②減小輸電電流I：由P＝UI得，在輸送功率一定的情況下，提高輸電電壓，即可減小輸電電流. 采用高(選填“高”或“低”)壓輸電是減小輸電線上功率損失最有效、最經(jīng)濟(jì)的措施. 3.輸電線上的電壓損失 (1)輸電線路始端電壓U跟末端電壓U′的差值，稱為輸電線上的電壓損失，ΔU＝U－U′，如圖1所示，電壓損失還可以表示為ΔU＝IR線＝R線. 圖1 (2)減少輸電線上電壓損失的方法： ①減小輸電線的電阻. ②提高輸送電壓. 深度思考 “提高電壓，減小電流”與歐姆定律矛盾嗎？ 答案　不矛盾.歐姆定律是對純電阻耗能元件而成立的定律，而“提高電壓，減小

3、電流”是從輸送角度，由P＝UI，且P一定的條件下得出的結(jié)論，兩者沒有矛盾. 例1　中國已投產(chǎn)運(yùn)行的1 000 kV特高壓輸電，是目前世界上電壓最高的輸電工程.假設(shè)甲、乙兩地原來用500 kV的超高壓輸電，在保持輸送電功率和輸電線電阻都不變的條件下，現(xiàn)改用1 000 kV特高壓輸電，不考慮其他因素的影響.則(　　) A.輸電電流變?yōu)樵瓉淼?倍 B.輸電線上降落的電壓將變?yōu)樵瓉淼?倍 C.輸電線上降落的電壓將變?yōu)樵瓉淼? D.輸電線上損耗的電功率將變?yōu)樵瓉淼? 解析　根據(jù)輸送電功率P輸＝U輸I輸及P輸不變，可知，輸電電流I輸＝∝，當(dāng)U輸變?yōu)樵瓉淼?倍時，I輸變?yōu)樵瓉淼模x項(xiàng)A錯誤；輸電

4、線上降落的電壓U降＝I輸R線∝I輸，所以，當(dāng)輸電電流變?yōu)樵瓉淼臅r，輸電線上降落的電壓也變?yōu)樵瓉淼?，選項(xiàng)B錯誤，C正確；輸電線上損耗的電功率P損＝IR線∝I，所以輸電線上損耗的電功率將變?yōu)樵瓉淼?，選項(xiàng)D錯誤. 答案　C (1)注意區(qū)別： ①輸電電壓U與輸電線上降落的電壓ΔU； ②輸電功率P與輸電線上損失的功率ΔP. (2)抓住不變量：輸送電功率不變，由P＝UI判斷出輸電電流I的變化，從而由ΔU＝IR、ΔP＝I2R判斷ΔU、ΔP的變化. 例2　發(fā)電廠發(fā)電機(jī)的輸出電壓為U1，發(fā)電廠至學(xué)校的輸電線總電阻為R線，通過輸電線的電流為I，學(xué)校輸入電壓為U2，下列計(jì)算輸電線功率損耗的式子中，正

5、確的是(　　) A. B. C.I2R線 D.I(U1－U2) 解析　輸電線功率損耗P損＝I2R線＝＝IU線，其中U線＝U1－U2，故B、C、D正確. 答案　BCD P損＝I2R＝＝ΔU·I.式中必須注意，ΔU為輸電線路上的電壓損失，而不是輸電線電壓. 二、高壓輸電線路的分析與計(jì)算 1.輸送過程圖(如圖2所示)： 圖2 (1)功率關(guān)系 P1＝P2，P3＝P4，P2＝ΔP＋P3→能量守恒 (2)電壓、電流關(guān)系 ＝＝，＝＝→理想變壓器 U2＝ΔU＋U3，I2＝I3＝I線→串聯(lián)電路中電壓、電流關(guān)系 (3)輸電線中電流：I線＝ (4)輸電線上損耗的電功率

6、：ΔP＝ΔUI線＝ 2.特別強(qiáng)調(diào)： (1)升壓變壓器副線圈的電壓不等于降壓變壓器原線圈的電壓，輸電線上的電壓損失ΔU＝I線R線，輸電線上的功率損耗ΔP＝IR線. (2)輸電線的電阻計(jì)算時，應(yīng)注意輸電線長度為距離的兩倍. 深度思考 在電能的輸送過程中，U為輸電電壓，r為輸電線電阻，則輸電線中電流為I＝，對不對？為什么？ 答案　不對.U為輸電電壓，而不是加在輸電導(dǎo)線上的電壓，即U≠Ir，而輸電電流可通過＝求得. 例3　一臺發(fā)電機(jī)最大輸出功率為4 000 kW、輸出電壓為4 000 V，經(jīng)變壓器T1升壓后向遠(yuǎn)方輸電.輸電線路總電阻R＝1 kΩ.到目的地經(jīng)變壓器T2降壓，負(fù)載為多個正

7、常發(fā)光的燈泡(220 V,60 W).若在輸電線路上消耗的功率為發(fā)電機(jī)輸出功率的10%，變壓器T1和T2的損耗可忽略，發(fā)電機(jī)處于滿負(fù)荷工作狀態(tài)，則(　　) A.T1原、副線圈電流分別為103 A和20 A B.T2原、副線圈電壓分別為1.8×105 V和220 V C.T1和T2的變壓比分別為1∶50和40∶1 D.有6×104盞燈泡(220 V,60 W)正常發(fā)光 解析　遠(yuǎn)距離輸電的電路如圖所示，在升壓變壓器原線圈中有P＝U1I1，故得原線圈中電流為103 A，在遠(yuǎn)距離輸電線路中由ΔP＝IR線得T1副線圈中電流為20 A，故選項(xiàng)A正確；在遠(yuǎn)距離輸電線路中由P＝U2I2和I線＝I2得

8、U2＝2×105 V，由ΔU＝I線R線，ΔU＝U2－U3可得T2原線圈電壓為1.8×105 V，由于燈泡能正常發(fā)光，故T2副線圈電壓為220 V，故選項(xiàng)B正確；由變壓器變壓特點(diǎn)知變壓比與匝數(shù)成正比，故可得T1變壓比為1∶50，而T2的變壓比為9 000∶11，故選項(xiàng)C錯誤；正常發(fā)光時每盞燈的功率為60 W，由90%P＝NP額，可得N＝6×104盞，故選項(xiàng)D正確. 答案　ABD 遠(yuǎn)距離輸電問題的四個關(guān)鍵： (1)畫出一個模型——遠(yuǎn)距離輸電模型圖. (2)抓住輸電的兩端——電源和用電器. (3)分析兩條導(dǎo)線——輸電導(dǎo)線. (4)研究兩次電壓變換——升壓和降壓. 例4　發(fā)電機(jī)兩

9、端的電壓為220 V，輸出功率44 kW，輸電導(dǎo)線的總電阻為0.2 Ω，如果用原、副線圈匝數(shù)比為1∶10的升壓變壓器升壓，經(jīng)輸電線后，再用原、副線圈匝數(shù)比為10∶1的降壓變壓器降壓供給用戶. (1)畫出全過程的線路示意圖； (2)求用戶得到的電壓和功率； (3)若不經(jīng)過變壓而直接送到用戶，求用戶得到的電壓和功率. 解析　(1)線路示意圖如圖所示. (2)由圖可知，升壓變壓器副線圈兩端的輸出電壓U2＝U1＝2 200 V.據(jù)理想變壓器P入＝P出，則升壓變壓器副線圈的輸出電流I2＝＝ A＝20 A，輸電線上的功率損失和電壓損失分別為 P損＝IR線＝202×0.2 W＝80 W.

10、U損＝I2R線＝20×0.2 V＝4 V. 所以降壓變壓器原線圈的輸入電壓和電流為 U3＝U2－U損＝2 200 V－4 V＝2 196 V， I3＝I2＝20 A. 降壓變壓器副線圈的輸出電壓和電流為 U4＝U3＝×2 196 V＝219.6 V， I4＝I3＝10×20 A＝200 A. 用戶得到的功率為 P4＝U4I4＝219.6×200 W＝4.392×104 W. (3)若直接用220 V低壓供電， 線圈示意圖如圖所示， 則輸電電流I′＝＝ A＝200 A. 輸電線路上的電壓損失 ΔU′＝I′R線＝200×0.2 V＝40 V. 所以用戶得到的電壓

11、U2′＝U1－ΔU′＝220 V－40 V＝180 V， 用戶得到的功率為 P′＝U2′I′＝180×200 W＝3.6×104 W. 答案　見解析 1.(輸電線上的損耗)(多選)某發(fā)電廠原來用電壓為U1的交流電輸電，后改用變壓比為1∶50的升壓變壓器將電壓升高為U2后輸電，輸送的電功率保持不變.若輸電線路的總電阻為R線，則下列說法中正確的是(　　) A.由公式I＝可知，提高電壓后輸電線上的電流降為原來的 B.由公式I＝可知，提高電壓后輸電線上的電流增為原來的50倍 C.由公式P＝I2R線可知，提高電壓后輸電線上的功率損耗減為原來的 D.由公式P＝可知，提高電壓后輸電線上的

12、功率損耗增大為原來的2 500倍 答案　AC 解析　由＝可知，U2＝50U1，輸送功率不變，由公式I＝可知，輸電線中的電流變?yōu)樵瓉淼?，選項(xiàng)A正確；由P＝I2R線可知，輸電線上的功率損耗減為原來的，選項(xiàng)C正確；選項(xiàng)B、D中的U2應(yīng)為損失的電壓，所以選項(xiàng)B、D錯誤. 2.(輸電線上的損耗)圖3為遠(yuǎn)距離輸電示意圖，兩變壓器均為理想變壓器，升壓變壓器T的原、副線圈匝數(shù)分別為n1、n2，在T的原線圈兩端接入一電壓u＝Umsin ωt的交流電源，若輸送電功率為P，輸電線的總電阻為2r，不考慮其他因素的影響，則輸電線上損失的電功率為(　　) 圖3 A.() B.() C.4()2()2r

13、 D.4()2()2r 答案　C 解析　原線圈電壓的有效值：U1＝，根據(jù)＝可得U2＝·，又因?yàn)槭抢硐胱儔浩?，所以T的副線圈的輸出功率等于原線圈的輸入功率P，所以輸電線上的電流I＝，輸電線上損失的電功率為P′＝I2·2r＝4r2·2，所以C正確，A、B、D錯誤. 3.(遠(yuǎn)距離高壓輸電)(多選)某小型水電站的電能輸送示意圖如圖4所示，發(fā)電機(jī)的輸出電壓為200 V，輸電線總電阻為r，升壓變壓器原、副線圈匝數(shù)分別為n1、n2，降壓變壓器原、副線圈匝數(shù)分別為n3、n4(變壓器均為理想變壓器).要使額定電壓為220 V的用電器正常工作，則(　　) 圖4 A.＞ B.＜ C.升壓變壓器

14、的輸出電壓等于降壓變壓器的輸入電壓 D.升壓變壓器的輸出功率大于降壓變壓器的輸入功率 答案　AD 解析　由于輸電線上有電阻，所以考慮到電壓損失，則有升壓變壓器的輸出電壓大于降壓變壓器的輸入電壓，根據(jù)變壓器的電壓與匝數(shù)的關(guān)系，可知要讓用電器正常工作，必須有＞，故A項(xiàng)對，B、C項(xiàng)錯；考慮到輸電線上有電功率的損失，可知D項(xiàng)對. 4.(遠(yuǎn)距離高壓輸電)某小型水力發(fā)電站的發(fā)電輸出功率為5×104 W，發(fā)電機(jī)的輸出電壓為250 V，輸電線總電阻R線＝5 Ω.為了使輸電線上損失的功率為發(fā)電機(jī)輸出功率的4%，必須采用遠(yuǎn)距離高壓輸電的方法，在發(fā)電機(jī)處安裝升壓變壓器，而在用戶處安裝降壓變壓器.設(shè)用戶所需電

15、壓為220 V，不計(jì)變壓器的損失.求：(g取10 m/s2) (1)輸電線上的電流； (2)升、降壓變壓器原、副線圈的匝數(shù)比； (3)可供多少盞“220 V　40 W”的白熾燈正常工作？ 答案　(1)20 A　(2)　　(3)1 200盞 解析　(1)輸電線中電流：P損＝IR線， 得I2＝ ＝20 A. (2)由P＝U2I2，得U2＝ V＝2.5×103 V. 對升壓變壓器：＝＝＝. 對降壓變壓器：U3＝U2－IR線＝(2 500－20×5) V＝2 400 V，又U4＝220 V，故＝＝. (3)n＝＝1 200(盞). 題組一　輸電線路中的損耗問題 1.(多選)

16、遠(yuǎn)距離輸送交流電都采用高壓輸電.我國正在研究用比330 kV高得多的電壓進(jìn)行輸電.采用高壓輸電的優(yōu)點(diǎn)是(　　) A.可節(jié)省輸電線的材料 B.可根據(jù)需要調(diào)節(jié)交流電的頻率 C.可減小輸電線上的能量損失 D.可加快輸電的速度 答案　AC 2.以下關(guān)于電能輸送的分析，正確的是(　　) A.由公式P＝知，輸電電壓越高，輸電線上功率損失越少 B.由公式P＝知，輸電導(dǎo)線電阻越大，輸電線上功率損失越少 C.由公式P＝I2R知，輸電電流越大，輸電導(dǎo)線上功率損失越大 D.由公式P＝UI知，輸電導(dǎo)線上的功率損失與電流成正比 答案　C 解析　輸電線損失的功率ΔP＝I2R，故C正確；A中的U不能

17、用輸電電壓，因U＝ΔU＋U3，ΔU為輸電線損失的電壓，U3為用戶端電壓或降壓變壓器的初級電壓，故A、B、D錯誤. 3.(多選)2014年2月初，低溫雨雪冰凍造成我國東部部分地區(qū)停電，為消除高壓輸電線上的冰凌，有人設(shè)計(jì)了這樣的融冰思路：利用電流的熱效應(yīng)除冰.若在正常供電時，輸電線上送電電壓為U，電流為I，熱耗功率為ΔP；除冰時，輸電線上的熱耗功率需變?yōu)?ΔP，則除冰時(認(rèn)為輸電功率和輸電線電阻不變)(　　) A.輸電電流為3I B.輸電電流為9I C.輸電電壓為3U D.輸電電壓為U 答案　AD 解析　輸電線上的熱耗功率ΔP＝I2R線，若熱耗功率變?yōu)?ΔP，則9ΔP＝I′2R線

18、，聯(lián)立得I′＝3I，A對；輸送功率不變，即P＝UI＝U′I′，得U′＝U，所以D對. 4.(多選)在遠(yuǎn)距離輸電時，輸送的電功率為P，輸電電壓為U，所用導(dǎo)線的電阻率為ρ，橫截面積為S，總長度為l，輸電線損失的功率為ΔP，用戶得到的功率為P′，則下列關(guān)系式正確的是(　　) A.ΔP＝ B.ΔP＝ C.P′＝P－ D.P′＝P 答案　BD 解析　輸電線電阻為R線＝ρ，輸電電流為I＝，故輸電線上損失的電功率為ΔP＝I2R線＝2·ρ＝，用戶得到的電功率為P′＝P－ΔP＝P. 5.照明供電線路的路端電壓基本上是保持不變的，可是我們在晚上七八點(diǎn)鐘用電高峰時開燈，電燈比深夜時要顯得暗些，這

19、是因?yàn)榇藭r(　　) A.總電阻比深夜時大，干路電流小，每盞燈分到的電壓就小 B.總電阻比深夜時大，干路電流小，每一支路的電流就小 C.總電阻比深夜時小，干路電流大，輸電線上損失的電壓大 D.干路電流一定，支路比深夜時多，分去了一部分電壓 答案　C 解析　此時用電器多，電阻小(因?yàn)橛秒娖鞫际遣⒙?lián)的)，而變壓器輸出電壓U不變，由I＝可知，干路電流大，輸電線上損失電壓大，電燈兩端電壓小，故比深夜暗，故C正確. 題組二　遠(yuǎn)距離輸電問題 6.(多選)如圖1所示為遠(yuǎn)距離高壓輸電的示意圖.關(guān)于遠(yuǎn)距離輸電，下列表述正確的是(　　) 圖1 A.增加輸電導(dǎo)線的橫截面積有利于減少輸電過程中的

20、電能損失 B.高壓輸電是通過減小輸電電流來減小電路的發(fā)熱損耗 C.在輸送電壓一定時，輸送的電功率越大，輸電過程中的電能損失越小 D.高壓輸電必須綜合考慮各種因素，不一定是電壓越高越好 答案　ABD 解析　導(dǎo)線橫截面積越大，導(dǎo)線的電阻越小，電能損失就越小，A對；在輸送功率一定的前提下，提高輸送電壓U，由I＝知，電流I減小，發(fā)熱損耗減小，B對；若輸送電壓一定，由I＝知，輸送的電功率P越大，I越大，發(fā)熱損耗就越多，C錯；高壓輸電要綜合考慮材料成本、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性等各種因素，不是電壓越高越好，D對. 7.如圖2所示，甲是遠(yuǎn)距離輸電線路的示意圖，乙是發(fā)電機(jī)輸出電壓隨時間變化的圖象，則(　　)

21、 圖2 A.用戶用電器上交流電的頻率是100 Hz B.發(fā)電機(jī)輸出交流電的電壓有效值是500 V C.輸電線上的電流只由降壓變壓器原、副線圈的匝數(shù)比決定 D.當(dāng)用戶用電器的總電阻增大時，輸電線上損失的功率減小 答案　D 解析　由u－t圖象可知，交流電的周期T＝0.02 s，故頻率f＝＝50 Hz，選項(xiàng)A錯誤；交流電的電壓最大值Um＝500 V，故有效值U＝＝250 V，選項(xiàng)B錯誤；輸電線上的電流由降壓變壓器副線圈上的電阻和降壓變壓器原、副線圈的匝數(shù)比決定，選項(xiàng)C錯誤；當(dāng)用戶用電器的總電阻增大時，副線圈上的電流減小，根據(jù)＝，原線圈(輸電線)上的電流減小，根據(jù)P＝IR得，輸電線損失

22、的功率減小，選項(xiàng)D正確. 8.(多選)在如圖3所示的遠(yuǎn)距離輸電電路圖中，升壓變壓器和降壓變壓器均為理想變壓器，發(fā)電廠的輸出電壓和輸電線的總電阻均不變，隨著發(fā)電廠輸出功率的增大，下列說法中正確的有(　　) 圖3 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 答案　CD 解析　升壓變壓器原線圈兩端電壓不變，變壓比不變，故副線圈兩端電壓不變，A錯誤；I＝，U損＝IR線，U3＝U2－U損，因P變大，I變大，所以U損變大，所以降壓變壓器原線圈兩端電壓U3變小，故降壓變壓器的輸出電壓減小，B錯誤；P損＝

23、2R線，因P變大，所以P損變大，C正確；＝＝，因P變大，所以變大，D正確. 9.遠(yuǎn)距離輸電的原理圖如圖4所示，升壓變壓器原、副線圈的匝數(shù)分別為n1、n2，電壓分別為U1、U2，電流分別為I1、I2，輸電線上的電阻為R.變壓器為理想變壓器，則下列關(guān)系式中正確的是(　　) 圖4 A.＝ B.I2＝ C.I1U1＝IR D.I1U1＝I2U2 答案　D 解析　根據(jù)理想變壓器的工作原理得I1U1＝I2U2、＝.U2不是加在R兩端的電壓，故I2≠.而I1U1等于R上消耗的功率IR與下一級變壓器的輸入功率之和.選項(xiàng)D正確. 10.如圖5所示為遠(yuǎn)距離交流輸電的簡化電路圖.發(fā)電廠的輸

24、出電壓是U，用等效總電阻是r的兩條輸電線輸電，輸電線路中的電流是I1，其末端間的電壓為U1.在輸電線與用戶間連有一理想變壓器，流入用戶端的電流是I2.則(　　) 圖5 A.用戶端的電壓為 B.輸電線上的電壓降為U C.理想變壓器的輸入功率為Ir D.輸電線路上損失的電功率為I1U 答案　A 解析　根據(jù)理想變壓器的工作原理，得I1U1＝I2U2，所以用戶端的電壓U2＝，選項(xiàng)A正確；輸電線上的電壓降U′＝I1r＝U－U1，選項(xiàng)B錯誤；變壓器的輸入功率P1＝I1U－Ir＝I1U1，選項(xiàng)C錯誤；輸電線路上損失的功率P′＝Ir＝I1(U－U1)，選項(xiàng)D錯誤. 11.某小型實(shí)驗(yàn)水電站輸

25、出功率是20 kW，輸電線總電阻是6 Ω.(保留四位有效數(shù)字) (1)若采用380 V的電壓輸電，求輸電線損耗的功率. (2)若改用5 000 V高壓輸電，用戶利用n1∶n2＝22∶1的變壓器降壓，求用戶得到的電壓. 答案　(1)16.62 kW　(2)226.2 V 解析　(1)輸電線上的電流為I＝＝ A ≈52.63 A 輸電線路損耗的功率為P線＝I2R＝52.632×6 W≈16 620 W＝16.62 kW. (2)改用高壓輸電后，輸電線上的電流變?yōu)镮′＝＝ A＝4 A 用戶在變壓器降壓前獲得的電壓U1＝U′－I′R＝(5 000－4×6)V＝4 976 V 根據(jù)＝，

26、用戶得到的電壓為 U2＝U1＝×4 976 V≈226.2 V. 12.如圖6所示，發(fā)電站通過升壓變壓器、輸電導(dǎo)線和降壓變壓器把電能輸送到用戶(升壓變壓器和降壓變壓器都可視為理想變壓器)，若發(fā)電機(jī)的輸出功率是100 kW，輸出電壓是250 V，升壓變壓器的原、副線圈的匝數(shù)比為1∶25，求： 圖6 (1)升壓變壓器的輸出電壓和輸電導(dǎo)線中的電流； (2)若輸電導(dǎo)線中的電功率損失為輸入功率的4%，求輸電導(dǎo)線的總電阻和降壓變壓器原線圈兩端的電壓. 答案　(1)6 250 V　16 A　(2)15.625 Ω　6 000 V 解析　(1)對升壓變壓器，據(jù)公式＝，有 U2＝U1＝×250 V＝6 250 V I2＝＝＝ A＝16 A. (2)P損＝IR線，P損＝0.04P1 所以R線＝＝15.625 Ω 因?yàn)棣＝U2－U3＝I2R線 所以U3＝U2－I2R線＝6 000 V. 13