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7．電能的輸送 學 習 目 標 知 識 脈 絡 1．理解輸電線上損失的電能與哪些因素有關，以及減小損失的兩個途徑．(重點) 2．理解高壓輸電的原理．會計算輸電損失．(重點) 3．了解遠距離輸電的典型電路，并能利用變壓器和電路的規(guī)律解決實際問題．(難點) 4．輸電網(wǎng)絡的分析．(難點) [自 主 預 習探 新 知] [知識梳理] 一、電能輸送中的電壓損失和電能損耗 1．兩種損失比較 兩種損失 原因分析 大小表示 減小辦法 電壓損失 導線自身存在電阻r U損＝Ir 減小r 減小I 功率損失 導線有電阻 電流熱效應 P損＝I2r 減小I 減小r 2.降低兩種損耗的途徑——高壓輸電 (1)由r＝ρ知，導線一般選鋁為材料，因而ρ一定，在導線長度l確定的情況下，要減小電阻，只能通過增大輸電線的橫截面積，這種方法給架設施工帶來困難． (2)由P＝UI知，輸送電功率不變的前提下，提高輸電電壓，會減小輸電電流，從而減小導線上的發(fā)熱損失和電壓損失．這是降低兩種損耗的有效途徑． 二、遠距離輸電系統(tǒng)和直流輸電 1．遠距離輸電系統(tǒng) 在發(fā)電站附近用升壓變壓器升高電壓，用輸電線輸送到遠方，在用電地區(qū)附近，用降壓變壓器降到所需電壓． 遠距離輸電電路圖如圖271所示： 圖271 2．直流輸電 (1)采用高壓直流輸電的原因 當交流輸電功率很大時，導線的電感、電容引起的電壓及電能損失很大；同一電網(wǎng)供電的發(fā)電機同步運行，技術上也存在困難． (2)直流輸電的使用環(huán)節(jié)：當前的直流輸電，只有高壓輸電環(huán)節(jié)中使用直流． (3)直流輸電系統(tǒng) 發(fā)電機升壓變壓器整流設備輸電線逆變器降壓變壓器用戶 [基礎自測] 1．思考判斷 (1)由P＝UI知，功率損耗與電流成正比． () (2)電能的損耗受電流的影響比受電阻的影響更為顯著． (√) (3)減小輸電線電阻是降低電能損耗的最佳途徑． () (4)高壓輸電是通過減小輸電電流來減小電路的電能損耗． (√) (5)遠距離輸電時，若輸送的電功率一定，輸電電壓越高，輸電電流就越小，電能損失就越小，所以輸電電壓越高越好． () (6)直流輸電比交流遠距輸電技術要求更高，輸電原理也更復雜． (√) 2．(多選)遠距離輸送交流電都采用高壓輸電，其優(yōu)點是(　　) 【導學號：24622083】 A．可節(jié)省輸電線的銅材料 B．可根據(jù)需要調(diào)節(jié)交流電的頻率 C．可減少輸電線上的能量損失 D．可加快輸電的速度 AC　[由P＝IU得I＝，輸送的電功率P一定，采用高壓輸電，輸電線中的電流就小，由P線＝I2r，要求輸電線損耗一定的情況下，就可選橫截面積較小的輸電線，從而可以節(jié)省輸電線的銅材料．若輸電線確定，則可減少輸電線上的能量損失，故A、C正確；交流電的頻率是一定的，升高電壓無法改變交流電的頻率．輸電的速度就是電磁波的傳播速度，是一定的，故B、D錯誤．] 3．(多選)在遠距離輸電時，輸送的電功率為P，輸送電壓為U，所用導線的電阻率為ρ，橫截面積為S，總長度為L，輸電線損失的電功率為P′，用戶得到的電功率為P用，則P′、P用的關系式正確的是(　　) A．P′＝　　　　　 B．P′＝ C．P用＝P－ D．P用＝P BD　[輸電線電阻R＝ρ，輸電電流I＝，故輸電線上損失的電功率為P′＝I2R＝ρ＝，用戶得到的功率為P用＝P－P′＝P.] [合 作 探 究攻 重 難] 電能輸送中的電壓損失和電能損耗 1.降低輸電損耗的兩個途徑 (1)減小輸電線的電阻r 從公式r＝ρ來看，在輸電距離一定的情況下，可以增大導線的橫截面積，但這樣會多耗費材料，同時也給架設施工帶來難度；還可以選用電阻率較小的導體． (2)減小輸電線的電流I 從公式P＝IU來看，在輸送功率一定的情況下，要減小輸送電流就必須提高輸電電壓． 2．計算功率損失的幾個公式 (1)P損＝I2r. (2)P損＝IU損． (3)P損＝. (4)P損＝r. (5)P損＝P送－P用． 　(多選)某發(fā)電廠原來用11 kV的交流電壓輸電，后來改用升壓變壓器將電壓升高到220 kV輸電，輸電功率都是P，若輸電線路的電阻為R，則下列說法中正確的是 (　　) A．根據(jù)公式I＝，提高電壓后，輸電線上的電流降為原來的 B．根據(jù)公式I＝，提高電壓后，輸電線上的電流增為原來的20倍 C．根據(jù)公式P損＝I2R，提高電壓后，輸電線上的功率損失減為原來的 D．根據(jù)公式P＝，提高電壓后，輸電線上的功率損失增大為原來的400倍 思路點撥：在輸電功率P一定時，輸電電壓提高到原來的n倍，由輸電線上功率損失P損＝I2R＝R知，輸電線上功率損失將降為原來的. AC　[A、B項，根據(jù)I＝知，輸電功率不變，輸電電壓變?yōu)樵瓉淼?0倍，則輸電電流降為原來的，故A項正確，B項錯誤．C、D項，根據(jù)P損＝I2R得，輸電電流降為原來的，則輸電線上損耗的功率減為原來的，故C項正確，D項錯誤．綜上所述，本題正確答案為A、C.] 設輸送的電功率為P，輸電電壓為U，輸電導線的電阻為R，則輸電線上損失的電功率為P損＝I2R＝R，輸電線上損失的電壓為U損＝IR＝R. [針對訓練] 1．遠距離輸送交流電，在一定功率的條件下，要通過提高輸電電壓來減少線路的損耗，若輸電電壓提高n倍．則(　　) A．輸電導線上損失的電功率不變 B．輸電導線的電壓損失是原來的倍 C．輸電導線的電功率損失是原來的倍 D．輸電導線的電功率損失是原來的倍 D　[因為輸送功率一定，根據(jù)公式P＝UI可得若輸電電壓提高n倍，則輸送電流減小為原來的，設輸電線總電阻為r，則輸電導線上損失的電功率為P損＝I′2r＝I2r，即損失的電功率變?yōu)樵瓉淼模珹、C錯誤，D正確；根據(jù)歐姆定律可得輸電導線的電壓損失ΔU＝I′r＝Ir，即變?yōu)樵瓉淼?，故B錯誤．] 2．遠距離輸電中，當輸送的電功率為P，輸送電壓為U時，輸電線上損失的電功率為ΔP，若輸送的電功率增加為2P，而輸電線中損失的電功率減為，(輸電線電阻不變)那么輸電電壓應增為 (　　) A．32U　　　　　　 B．16U C．8U D．4U D　[由P＝UI知I＝，則輸電線上損失的功率ΔP＝I2R＝R，得輸電電壓U＝P，若輸送的電功率增加為2P，而輸電線中損失的電功率減為，由上式得輸電電壓U應增為4U；故D正確，A、B、C錯誤．] 遠距離輸電問題 解決遠距離輸電問題時，需要畫輸電的電路圖，理清三個回路，抓住兩個聯(lián)系，掌握一個定律． (1)畫圖，理清三個回路(如圖272所示) 圖272 (2)抓住兩個聯(lián)系 ①理想升壓變壓器聯(lián)系回路1和回路2 即＝，I1n1＝I2n2，P1＝P2. ②理想降壓變壓器聯(lián)系回路2和回路3 即＝，I3n3＝I4n4，P3＝P4. (3)掌握一個定律 根據(jù)能量守恒定律得P2＝ΔP＋P3. 　有條河流，流量Q＝2 m3/s，落差h＝5 m，現(xiàn)利用其發(fā)電，若發(fā)電機總效率為50%，輸出電壓為240 V，輸電線總電阻r＝30 Ω，允許損失功率為輸出功率的6%，為滿足用電的需求，則該輸電線路所使用的理想的升壓、降壓變壓器的匝數(shù)比各是多少？能使多少盞“220 V，100 W”的電燈正常發(fā)光？(g取10 m/s2，ρ水＝1.0103 kg/m3) 思路點撥：解答本題可按以下思路進行： 【解析】　輸電電路圖如圖所示． 電源端：P輸出＝Qρ水 gh50%＝5104 W 線路損耗ΔP＝Ir I2＝＝＝ A＝10 A 輸電電壓U2＝＝ V＝5103 V 升壓變壓比：n1∶n2＝U1∶U2＝＝6∶125 輸電線損失電壓 ΔU＝I2r＝1030 V＝300 V U3＝U2－ΔU＝4 700 V，U4＝220 V 降壓變壓比： n3∶n4＝U3∶U4＝235∶11 燈盞數(shù)N＝ ＝＝470(盞)． 【答案】　6∶125　235∶11　470盞 處理遠距離輸電問題的方法及步驟 (1)處理方法：處理遠距離輸電問題的方法，關鍵是抓住一圖三線，一圖即輸電的電路圖，三線即三個關系：功率關系、電壓關系和電流關系，抓住一圖三線，按照從前到后或從后向前的順序，即可找到突破口． (2)處理輸電問題的步驟 ①畫出圖上所示的輸電過程的示意圖； ②在示意圖上標出各物理量，找出已知量、未知量和待求量； ③圍繞三條線展開分析. [針對訓練] 3．如圖273所示為遠距離交流輸電的簡化電路圖．發(fā)電廠的輸出電壓是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273 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 A　[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A正確；輸電線上的電壓降U′＝I1r＝U－U1，選項B錯誤；變壓器的輸入功率P1＝I1U－Ir＝I1U1，選項C錯誤；輸電線路上損失的電功率P′＝Ir＝I1(U－U1)，選項D錯誤．] 4．(多選)為消除高壓輸電線上的冰凌，有人設計了這樣的融冰思路：利用電流的熱效應除冰．若在正常供電時，高壓線上送電電壓為U，電流為I，熱耗功率為P；除冰時，輸電線上的熱耗功率需變?yōu)?P，則除冰時(認為輸電功率和輸電線電阻不變)(　　) 【導學號：24622084】 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 AD　[輸電線上的熱耗功率P線＝I2R線，熱耗功率由P變?yōu)?P，則電流I變?yōu)?I，A正確；輸電功率P不變，由P＝UI知，電流變?yōu)?I，輸電電壓變?yōu)閁，D正確．] [當 堂 達 標固 雙 基] 1．夏天由于用電器的增多，每年夏天都會出現(xiàn)“用電荒”，只好拉閘限電．若某發(fā)電站在供電過程中，用電高峰時輸電的功率是正常供電的2倍，輸電線電阻不變，下列說法正確的是 (　　) A．若輸送電壓不變，則用電高峰時輸電電流為正常供電時的2倍 B．若輸送電壓不變，則用電高峰時輸電線上損失的功率為正常供電時的2倍 C．若用電高峰時的輸送電壓變?yōu)檎９╇姷?倍，則此時輸電電流為正常供電時的4倍 D．若用電高峰時的輸送電壓變?yōu)檎９╇姷?倍，則此時輸電線損失的功率為正常供電時的4倍 A　[高壓輸電時P＝UI，I是輸送電路上的電流．用電高峰時，若輸送電壓不變，則I為正常時的2倍，A正確；輸電線上的熱耗功率ΔP＝I2R線，則熱耗功率變?yōu)檎r的4倍，B錯誤；用電高峰時，若輸送電壓加倍，則I不變，與正常時相同，C錯誤；由ΔP＝I2R線，則熱耗功率不變，D錯誤．] 2．遠距離輸電中，發(fā)電廠輸送的電功率相同，如果分別采用輸電電壓為U1＝110 kV輸電和輸電電壓為U2＝330 kV輸電．則兩種情況中，輸電線上通過的電流之比為I1∶I2等于(　　) A．1∶1　　　　　 B．3∶1 C．1∶3 D．9∶1 B　[輸送功率相同，根據(jù)P＝UI得，輸電電流與輸電電壓成反比，所以＝＝.故B正確．] 3．(多選)如圖274為遠距離輸電示意圖，發(fā)電機的輸出電壓U1和輸電線的電阻、理想變壓器匝數(shù)均不變，且n1∶n2＝n4∶n3.當用戶用電器的總電阻減少時 (　　) 圖274 A．U1∶U2＝U4∶U3 B．用戶的電壓U4增加 C．輸電線上的損失功率增大 D．用戶消耗的功率等于發(fā)電機的輸出功率 AC　[根據(jù)＝，＝以及n1∶n2＝n4∶n3，知U1∶U2＝U4∶U3，故A正確；用戶用電器總電阻減小，則電流增大，所以輸電線上的電流增大，根據(jù)P損＝I2r知，輸電線上損耗的功率增大，根據(jù)ΔU＝Ir知，輸電線上的電壓損失變大，發(fā)電機的輸出電壓不變，則升壓變壓器的輸出電壓不變，則降壓變壓器的輸入電壓變小，用戶的電壓U4減小，故C正確，B錯誤；用戶消耗的功率等于發(fā)電機的輸出功率與輸電線上損失的功率之差，故D錯誤．] 4．(多選)在如圖275所示的遠距離輸電電路圖中，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275 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　[發(fā)電廠的輸出電壓不變，升壓變壓器的輸入電壓不變，輸出電壓不變，選項A錯誤；隨著發(fā)電廠輸出功率的增大，輸電線中電流增大，輸電線上損失的電壓(ΔU＝IR)增大，降壓變壓器的輸入電壓減小，降壓變壓器的輸出電壓減小，選項B錯誤；隨著發(fā)電廠輸出功率的增大，輸電線中電流增大，輸電線上損耗的功率(ΔP＝I2R)增大，選項C正確；輸電線上損耗的功率ΔP＝I2R＝()2R，輸電線上損耗的功率占總功率的比例＝P輸，選項D正確．]