人教版高中物理选择性必修二 3.4 电能的输送 学案
文档属性
| 名称 | 人教版高中物理选择性必修二 3.4 电能的输送 学案 |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 548.3KB | ||
| 资源类型 | 试卷 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2021-11-30 15:55:58 | ||
图片预览
文档简介
中小学教育资源及组卷应用平台
3.4 电能的输送 学案
一、自主预习
1. 由焦耳定律Q=I2Rt可知，减少电能在输送过程中的损失有两个途径：一是减少____，而是减少输电线的____。
2． 在远距离输电时，若直接采用某电压输电，电压和电能都会有很大的损失；现通过升压变压器使输电电压升高为原电压的n倍，在输送功率不变的情况下，则输电线路上的电压损失将减少为原来的____倍，输电线路上电能损失将减少为原来的_____倍。
课堂探究
情景设问
我国很多发电厂建在能源聚集的西部地区 , 而用电量大的城市多在东部沿海地区。从发电厂到用电量大的区域的远距离输电中，如何减少电能的损耗？
新知探究
考点一：降低输电损耗的两个途径
1、电能的突出优点便利性：便于远距离输送
2、输送电能的基本要求：
可靠：保证供电线路可靠地工作,少有故障和停电。
保质：保证电能的质量（电压和频率稳定）经济：输电线路建造和运行的费用低,电能损耗小。
经济：指输电线路建造和运行的费用低，电能损耗小。
（1）电压损失
（2）电功率损失
思考与讨论：假定输电线路中的电流是 I，用户端的电压是U，两条导线的总电阻是 r。在图3.4-2中，导线的电阻集中画为一个电阻 r ①。
（1）怎样计算输电线路损失的功率？
（2）在输电电流一定的情况下，如果线路的电阻减为原来的一半，线路上损失的功率减为原来的几分之一？在线路电阻一定的情况下，如果输电电流减为原来的一半，线路上损失的功率减为原来的几分之一？
（3）通过第 2 步的两项计算，你认为哪个途径对于降低输电线路的损耗更有效？
（4） 怎样计算用户消耗的功率 P ？
解析：
（1）怎样计算输电线路损失的功率
（2）在输电电流一定的情况下,如果线路的电阻减为原来的一半,线路上损失的功率减为原来的几分之一 在线路电阻一定的情况下,如果输电电流减为原来的一半,线路上损失的功率减为原来的几分之一
（3）通过第2步的两项计算，你认为哪个途径对于降低输电线路的损耗更为有效？
（4）P用=P发-P损；P用=U用I用
如果输送的电功率为P，输送电压为U，输电线的总长度为L，横截面积为S，电阻率为ρ。则输电线损耗功率为：P损=（）2 ρ
则功率损耗为可表示为：P损=I2R线
3.远距离输电损耗的原因
电能输送 原因 大小 减少途径
输电线功率损失 输电线有电阻产生焦耳热 △P=I2R 减小输电线阻（不适用） 高压输电
输电线电压损失 既有电阻，也有感抗和容抗 △U=U-U 增大导线横截面减小电阻，（效果不好） 高压输电
4.减少电能损失的两种途径：
第一种：减小输电线电阻R：R=ρ
①减小材料的电阻率ρ：用铜或铝
②减小输电线的长度L：不可行
③可适当增大导线横截面积S.有一定限度
第二种：提高输电电压，减小输电电流I：
P损=I2R=（）2 R
提高输电电压U：P一定，R一定，U提高到原来的n倍，p损降为原来的倍
输电电压也不是越高越好。电压越高，对输电线路绝缘性能的要求就越高，线路修建费用就会增多。输电电压越高，变压器上的电压也越高，对变压器的要求也相应提高。实际输送电能时，要综合考虑各种因素，如输送功率的大小、距离的远近、技术和经济要求等，依照不同情况选择合适的输电电压。
考点二：电网供电
输电简易图
1.电压关系、电流关系、功率关系
功率关系：P1=P2，P3=P4，P2=P损+P3
电压、电流关系：
＝＝，＝＝，
U2＝U线＋U3，I2＝I3＝I线．
输电电流：I线＝＝＝.
输电电流：I2===
电网：通过网状的输电线、变电站，将许多电厂和广大用户连接起来，形成全国性或地区性的输电网络，这就是电网。
2.输电导线上功率的损耗
(1)原因：输电导线有电阻R线，电流流过输电线时，电流的热效应引起电功率的损耗．
(2)计算式：①P线＝I2R线；②P线＝IU线；③P线＝.
3.电网供电的优势：
1、次能源产地使用大容量的发电机组，降低一次能源的运输成本，获得最大的经济效益；
2、可以减小断电的风险，调剂不同地区电力供需的平衡；
3、可以根据火电、水电、核电的特点，合理地调度电力。
4.输电技术的发展：
1882年，爱迪生在美国修建了第一个电力照明系统；每隔3 km 左右就要建立一个发电厂，否则灯泡因电压过低而不能发光；
1882年，一个法国工程师修建了第一条远距离输电电路，将一个水电站发出的电送到57 km之外的慕尼黑；
1891 年，德国建成170 km 的1530 kV 的高压输电线路，效率高达70% 80%。1893年，国修建尼亚加拉水电站时，经过反复论证，决定采用交流供电系统。
1909至1912年，美国、德国建造100 kV的高压输电线路，从此高压输电技术迅速普及。
现代，直流输电技术。在送电端有专用的“整流”设备将交流变换为直流，在用户端也有专用的“逆变”设备再将直流变换为交流。
思考：为什么要使用直流输电技术呢？
解析：长距离输电时，线路上的电容、电感对交变电流的影响也不能忽略，有时它们引起的电能损失甚至大于导线电阻引起的电能损失，为了减少感抗和容抗，在输电这个环节可以使用直流。直流输电需要专门的“整流设备”与“逆流设备”。
三、典例精讲
例1下列说法正确的是（ ）
A．方向不变、大小随时间变化的电流是交变电流
B．交变电流的峰值一定是其有效值的√2倍
C．远距离输电时，可通过减小输电线的电阻来降低输电损耗
D．理想变压器原、副线圈中通过的交变电流的频率之比等于原、副线圈的匝数之比
例2远距离输电要采用（ ）
低压输电 B．高压输电 C．强电流输电 D．弱电流输电
四、核心素养专练
1. 采用220kV高压向远方的城市输电。当输送功率一定时，为使输电线上损耗的功率减小为原来的，输电电压应变为（ ）
A．55kV B．110kV C．660kV D．880kV
2. 如图所示，甲是远距离输电线路的示意图，乙是发电机输出电压随时间变化的图象，则（ ）
A．用户用电器上交流电的频率是100Hz
B．发电机输出交流电的电压有效值是500V
C．发动机的输出功率减小时，输电线上损失的功率增大
D．当用户用电器的总电阻增大时，输电线上损失的功率减小
3. 如图所示，为了减少输电线路中的电能损耗，电厂发出的交流电经变电所升为U=22000sin100πt（V）的高压后再远距离输电，后经过匝数比为100：1的理想变压器将电压降压后供居民用电，若输电线的电阻=10Ω，则（ ）
A．降压变压器输出电压为220V
B．降压变压器输出电压的频率低于50Hz
C．降压变压器原线圈的导线比副线圈的要粗
D．降压变压器输出电流为输入电流的100倍
4. 远距离输电中，升压变压器、降压变压器均为理想变压器。由于用户区用电量的增多，发电厂的输出功率增大为原来的2倍，下列说法正确的是（ ）
A．输电导线损失的功率大于原来的4倍
B．输电导线损失的功率小于原来的4倍
C．用户得到的功率小于原来的2倍
D．用户得到的功率大于原来的2倍
五、参考答案
参考答案
自主预习
1. 电阻；电流
2. ；
典例精讲
例1. A、方向随时间变化的电流是交变电流，故A错误；
B、只有对正弦交流电来说，有效值与峰值的关系才是倍的关系，故B错误；
C、远距离输电的输电损耗功率P损＝I2R线，所以可以通过减小输电线的电阻以及输电线中的输送电流来减小输电损耗，故C正确；
D、变压器改变的是电压的大小，不改变电流的频率，故D错误。
故选：C。
例2. 在远距离输送电能时，输电线路上的电能损失主要是电流的热效应而产生的，根据Q=I2Rt可知，在导线电阻不变的情况下，电流越小，输电线上的电能损失就越小。
而如何减小电流呢？
根据电功率的计算公式P=UI可知，在输送电功率一定时，要减小电流可以增大电压。即高压输电。
故选：B。
核心素养专练
1．输送电流I=P/U，输电线上损失的功率△P=I2R=（P/U）2R知输送功率一定时，损失的功率与输送电压的二次方成反比，所以为使输电线上损耗的功率减小为原来的1/9 ，输电电压应变为3倍，故输电电压应变为660 kV；故C正确，ABD错误。
故选：C。
2． A、发电机的输出电压随时间变化的关系，由图可知，T=0.02s，故f=1/T，故A错误；
B、由图象可知交流的最大值为Um=500V，因此其有效值为U=500/√2V，故B错误；
CD、当用户用电器的总电阻增大时，用户的功率减小，降压变压器的输出功率减小，则输入的功率减小，输入的电流减小，输电线上损失的功率减小，故C错误，D正确；
故选：D。
3． A、电厂发出的交流电经变电所升为U=22000sin100πt（V），故有效值为22000V，若不考虑输电线电阻，则降压器的输入电压为22000V，输出电压为22000×1/100=220V，但是输电线由电阻，故输出电压小于220V，A错误；
B、电厂发出的交变电流的f=100π/2π=50Hz，变压器不改变交变电流的频率，降压变压器输出电压的频率等于50Hz，故B错误；
C、降压变压器中副线圈的电流大于原线圈的电流，则副线圈导线比原线圈导线粗。故C错误。
D、根据理想变压器I1/I2＝n2/n1
可知，降压变压器输出电流为输入电流的100倍，故D正确；
故选：D。
4．AB、由于发电厂的输出功率增大，则升压变压器的输出功率增大为原来的2倍，又升压变压器的输出电压U2不变，根据P=UI可输电线上的电流I线增大为原来的2倍，根据P损=I2r可知：输电导线损失的功率等于原来的4倍，故AB错误；
CD、由于发电厂的输出功率增大，则升压变压器的输出功率增大为原来的2倍，又升压变压器的输出电压U2不变，根据P=UI可输电线上的电流I线增大为原来的2倍，根据U损=I线R，输电线上的电压损失增大为原来的4倍，故用户得到的功率小于原来的2倍，故C正确，D错误；
故选：C。
3.4 电能的输送 学案
一、自主预习
1. 由焦耳定律Q=I2Rt可知，减少电能在输送过程中的损失有两个途径：一是减少____，而是减少输电线的____。
2． 在远距离输电时，若直接采用某电压输电，电压和电能都会有很大的损失；现通过升压变压器使输电电压升高为原电压的n倍，在输送功率不变的情况下，则输电线路上的电压损失将减少为原来的____倍，输电线路上电能损失将减少为原来的_____倍。
课堂探究
情景设问
我国很多发电厂建在能源聚集的西部地区 , 而用电量大的城市多在东部沿海地区。从发电厂到用电量大的区域的远距离输电中，如何减少电能的损耗？
新知探究
考点一：降低输电损耗的两个途径
1、电能的突出优点便利性：便于远距离输送
2、输送电能的基本要求：
可靠：保证供电线路可靠地工作,少有故障和停电。
保质：保证电能的质量（电压和频率稳定）经济：输电线路建造和运行的费用低,电能损耗小。
经济：指输电线路建造和运行的费用低，电能损耗小。
（1）电压损失
（2）电功率损失
思考与讨论：假定输电线路中的电流是 I，用户端的电压是U，两条导线的总电阻是 r。在图3.4-2中，导线的电阻集中画为一个电阻 r ①。
（1）怎样计算输电线路损失的功率？
（2）在输电电流一定的情况下，如果线路的电阻减为原来的一半，线路上损失的功率减为原来的几分之一？在线路电阻一定的情况下，如果输电电流减为原来的一半，线路上损失的功率减为原来的几分之一？
（3）通过第 2 步的两项计算，你认为哪个途径对于降低输电线路的损耗更有效？
（4） 怎样计算用户消耗的功率 P ？
解析：
（1）怎样计算输电线路损失的功率
（2）在输电电流一定的情况下,如果线路的电阻减为原来的一半,线路上损失的功率减为原来的几分之一 在线路电阻一定的情况下,如果输电电流减为原来的一半,线路上损失的功率减为原来的几分之一
（3）通过第2步的两项计算，你认为哪个途径对于降低输电线路的损耗更为有效？
（4）P用=P发-P损；P用=U用I用
如果输送的电功率为P，输送电压为U，输电线的总长度为L，横截面积为S，电阻率为ρ。则输电线损耗功率为：P损=（）2 ρ
则功率损耗为可表示为：P损=I2R线
3.远距离输电损耗的原因
电能输送 原因 大小 减少途径
输电线功率损失 输电线有电阻产生焦耳热 △P=I2R 减小输电线阻（不适用） 高压输电
输电线电压损失 既有电阻，也有感抗和容抗 △U=U-U 增大导线横截面减小电阻，（效果不好） 高压输电
4.减少电能损失的两种途径：
第一种：减小输电线电阻R：R=ρ
①减小材料的电阻率ρ：用铜或铝
②减小输电线的长度L：不可行
③可适当增大导线横截面积S.有一定限度
第二种：提高输电电压，减小输电电流I：
P损=I2R=（）2 R
提高输电电压U：P一定，R一定，U提高到原来的n倍，p损降为原来的倍
输电电压也不是越高越好。电压越高，对输电线路绝缘性能的要求就越高，线路修建费用就会增多。输电电压越高，变压器上的电压也越高，对变压器的要求也相应提高。实际输送电能时，要综合考虑各种因素，如输送功率的大小、距离的远近、技术和经济要求等，依照不同情况选择合适的输电电压。
考点二：电网供电
输电简易图
1.电压关系、电流关系、功率关系
功率关系：P1=P2，P3=P4，P2=P损+P3
电压、电流关系：
＝＝，＝＝，
U2＝U线＋U3，I2＝I3＝I线．
输电电流：I线＝＝＝.
输电电流：I2===
电网：通过网状的输电线、变电站，将许多电厂和广大用户连接起来，形成全国性或地区性的输电网络，这就是电网。
2.输电导线上功率的损耗
(1)原因：输电导线有电阻R线，电流流过输电线时，电流的热效应引起电功率的损耗．
(2)计算式：①P线＝I2R线；②P线＝IU线；③P线＝.
3.电网供电的优势：
1、次能源产地使用大容量的发电机组，降低一次能源的运输成本，获得最大的经济效益；
2、可以减小断电的风险，调剂不同地区电力供需的平衡；
3、可以根据火电、水电、核电的特点，合理地调度电力。
4.输电技术的发展：
1882年，爱迪生在美国修建了第一个电力照明系统；每隔3 km 左右就要建立一个发电厂，否则灯泡因电压过低而不能发光；
1882年，一个法国工程师修建了第一条远距离输电电路，将一个水电站发出的电送到57 km之外的慕尼黑；
1891 年，德国建成170 km 的1530 kV 的高压输电线路，效率高达70% 80%。1893年，国修建尼亚加拉水电站时，经过反复论证，决定采用交流供电系统。
1909至1912年，美国、德国建造100 kV的高压输电线路，从此高压输电技术迅速普及。
现代，直流输电技术。在送电端有专用的“整流”设备将交流变换为直流，在用户端也有专用的“逆变”设备再将直流变换为交流。
思考：为什么要使用直流输电技术呢？
解析：长距离输电时，线路上的电容、电感对交变电流的影响也不能忽略，有时它们引起的电能损失甚至大于导线电阻引起的电能损失，为了减少感抗和容抗，在输电这个环节可以使用直流。直流输电需要专门的“整流设备”与“逆流设备”。
三、典例精讲
例1下列说法正确的是（ ）
A．方向不变、大小随时间变化的电流是交变电流
B．交变电流的峰值一定是其有效值的√2倍
C．远距离输电时，可通过减小输电线的电阻来降低输电损耗
D．理想变压器原、副线圈中通过的交变电流的频率之比等于原、副线圈的匝数之比
例2远距离输电要采用（ ）
低压输电 B．高压输电 C．强电流输电 D．弱电流输电
四、核心素养专练
1. 采用220kV高压向远方的城市输电。当输送功率一定时，为使输电线上损耗的功率减小为原来的，输电电压应变为（ ）
A．55kV B．110kV C．660kV D．880kV
2. 如图所示，甲是远距离输电线路的示意图，乙是发电机输出电压随时间变化的图象，则（ ）
A．用户用电器上交流电的频率是100Hz
B．发电机输出交流电的电压有效值是500V
C．发动机的输出功率减小时，输电线上损失的功率增大
D．当用户用电器的总电阻增大时，输电线上损失的功率减小
3. 如图所示，为了减少输电线路中的电能损耗，电厂发出的交流电经变电所升为U=22000sin100πt（V）的高压后再远距离输电，后经过匝数比为100：1的理想变压器将电压降压后供居民用电，若输电线的电阻=10Ω，则（ ）
A．降压变压器输出电压为220V
B．降压变压器输出电压的频率低于50Hz
C．降压变压器原线圈的导线比副线圈的要粗
D．降压变压器输出电流为输入电流的100倍
4. 远距离输电中，升压变压器、降压变压器均为理想变压器。由于用户区用电量的增多，发电厂的输出功率增大为原来的2倍，下列说法正确的是（ ）
A．输电导线损失的功率大于原来的4倍
B．输电导线损失的功率小于原来的4倍
C．用户得到的功率小于原来的2倍
D．用户得到的功率大于原来的2倍
五、参考答案
参考答案
自主预习
1. 电阻；电流
2. ；
典例精讲
例1. A、方向随时间变化的电流是交变电流，故A错误；
B、只有对正弦交流电来说，有效值与峰值的关系才是倍的关系，故B错误；
C、远距离输电的输电损耗功率P损＝I2R线，所以可以通过减小输电线的电阻以及输电线中的输送电流来减小输电损耗，故C正确；
D、变压器改变的是电压的大小，不改变电流的频率，故D错误。
故选：C。
例2. 在远距离输送电能时，输电线路上的电能损失主要是电流的热效应而产生的，根据Q=I2Rt可知，在导线电阻不变的情况下，电流越小，输电线上的电能损失就越小。
而如何减小电流呢？
根据电功率的计算公式P=UI可知，在输送电功率一定时，要减小电流可以增大电压。即高压输电。
故选：B。
核心素养专练
1．输送电流I=P/U，输电线上损失的功率△P=I2R=（P/U）2R知输送功率一定时，损失的功率与输送电压的二次方成反比，所以为使输电线上损耗的功率减小为原来的1/9 ，输电电压应变为3倍，故输电电压应变为660 kV；故C正确，ABD错误。
故选：C。
2． A、发电机的输出电压随时间变化的关系，由图可知，T=0.02s，故f=1/T，故A错误；
B、由图象可知交流的最大值为Um=500V，因此其有效值为U=500/√2V，故B错误；
CD、当用户用电器的总电阻增大时，用户的功率减小，降压变压器的输出功率减小，则输入的功率减小，输入的电流减小，输电线上损失的功率减小，故C错误，D正确；
故选：D。
3． A、电厂发出的交流电经变电所升为U=22000sin100πt（V），故有效值为22000V，若不考虑输电线电阻，则降压器的输入电压为22000V，输出电压为22000×1/100=220V，但是输电线由电阻，故输出电压小于220V，A错误；
B、电厂发出的交变电流的f=100π/2π=50Hz，变压器不改变交变电流的频率，降压变压器输出电压的频率等于50Hz，故B错误；
C、降压变压器中副线圈的电流大于原线圈的电流，则副线圈导线比原线圈导线粗。故C错误。
D、根据理想变压器I1/I2＝n2/n1
可知，降压变压器输出电流为输入电流的100倍，故D正确；
故选：D。
4．AB、由于发电厂的输出功率增大，则升压变压器的输出功率增大为原来的2倍，又升压变压器的输出电压U2不变，根据P=UI可输电线上的电流I线增大为原来的2倍，根据P损=I2r可知：输电导线损失的功率等于原来的4倍，故AB错误；
CD、由于发电厂的输出功率增大，则升压变压器的输出功率增大为原来的2倍，又升压变压器的输出电压U2不变，根据P=UI可输电线上的电流I线增大为原来的2倍，根据U损=I线R，输电线上的电压损失增大为原来的4倍，故用户得到的功率小于原来的2倍，故C正确，D错误；
故选：C。