2018-2019学年高二物理沪科版选修3-2学案：第3章 3.1 高压输电原理
文档属性
| 名称 | 2018-2019学年高二物理沪科版选修3-2学案：第3章 3.1 高压输电原理 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 41.5KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 沪科版 | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2018-09-12 16:25:05 | ||
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文档简介
第三章电能的输送与变压器
3.1 高压输电原理
学 习 目 标
知 识 脉 络
1．知道远距离输电线上的损失与哪些因素有关．
2．知道交流输配电网的设计．
3．掌握输电线上的功率损失和电压损失的计算．(重点、难点)
4．掌握高压输电原理及减少输电线上功率损失的方法．(难点)
[自 主 预 习·探 新 知]
[知识梳理]
一、远距离输电为什么要用高电压
1．电能损耗的根本原因
输电线有电阻，输电线的电阻把电能转化为内能而损失掉．
2．减少损耗的途径
(1)可以增大导线横截面积以减小输电电阻．
(2)采用升高输电电压的方法，以减小输电电流从而减小电能损耗．
3．高压输电的原理
由输电线上损耗的电功率公式P损＝可知，提高输送电能的电压，可以更有效的减小输电线路上的电能损失．
二、交流输配电网
1．电能输送的系统性
高压输电有效地解决了电能在输电线路上的损耗问题，但也不是电压越高越好，电压越高，对输电线路及其有关设备的绝缘性能要求越高，会受到更多因素的影响．
2．输电线路的构成
建造电能输配电网是为了确保电能的输送经济、可靠，发电机发出的交变电流先送到升压变电站，将电压升高到220 kV以上，进行高压送电；在用电区，先由第一级变电站将电压降到110 kV，再送到第二级变电站，将电压降到10 kV送到用电区．对普通生活用电，则要用降压变压器进一步降到220_V.
[基础自测]
1．思考判断
(1)采用高压输电可以节省电线材料，减少输电线上能量损耗． (√)
(2)采用高压输电，可减少电能损耗，因而电压越高越好． (×)
【提示】 综合考虑，并不是电压越高越好．
(3)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I＝. (×)
【提示】 U为输电电压，并不是导线两端电压．
(4)远距离输电是应用了提高电压和减小电阻两个方面来实现的． (√)
(5)高压输电中的高电压，到用户那里可以直接应用． (×)
【提示】 高压输电中的高电压，到用户那里要用降压变压器逐步降到220 V.
(6)由P＝I2r可知减小输电线电阻和降低输电电流可减小输电损失．(√)
2．(多选)远距离输送一定功率的交变电流，若输电电压升高为原来的n倍，关于输电线上的电压损失和功率损失正确的是(不考虑电抗产生的损失)( )
A．功率损失是原来的
B．功率损失是原来的
C．电压损失是原来的
D．电压损失是原来的n倍
BC [设输电电压为U，所输送的功率为P，输电线路总电阻为R，则输电电流I＝，线路的功率损失ΔP＝I2R＝，可知ΔP∝，当输电电压U升高为原来的n倍时，功率损失变为原来的，故选项B正确；线路上的电压损失ΔU＝IR＝，可知ΔU∝，当输电电压升高为原来的n倍时，电压损失变为原来的，故选项C正确．]
3．交流输电线路中功率损失的主要原因( )
A．输电导线具有电阻
B．输电导线具有容抗
C．输电导线具有感抗
D．以上说法均不正确
A [电能的主要损耗是电热，由△P＝I2R可知A选项正确．]
[合 作 探 究·攻 重 难]
远距离输电用高电压的原因
1．电压损失(图3-1-1)：由于输电导线有电阻，电流通过输电导线时，会在线路上产生电势降落，致使输电线路末端的电压U3比起始端电压要低．这就是输电线路上的电压损失ΔU＝U2－U3＝IR线．对于交流电路，感抗和容抗也会造成电压损失，高中阶段暂不研究．
图3-1-1
2．功率损失：由于输电线有电阻，当有电流流过输电线时，有一部分电能转化为电热而损失掉了，这是输电线上功率损失的主要原因．设输电电流为I，输电线的电阻为R线，则功率损失为ΔP＝I2R线．
3．减小输电线路上电压损失和功率损失的方法：根据电压损失的表达式ΔU＝IR线和功率损失ΔP＝I2R线可知，要减少输电线上的电压损失和功率损失，有两种方法：
(1)减小输电线的电阻R线：根据电阻定律可知R线＝ρ，要减小输电线的电阻R线，可采用下述方法：
①减小材料的电阻率ρ .银的电阻率最小，但价格昂贵，目前选用电阻率较小的铜或铝作输电线材料．
②减小输电线的长度l不可行，因为要保证输电距离．
③增加导线的横截面积．可适当增大横截面积，太粗不可能，既不经济又架设困难．
另外，用增大输电导线横截面积的方法来减小电阻．对低压照明电路有效，在高压线路中，因容抗和感抗造成的电压损失比电阻造成的还要大．故这种方法在高压输电中的应用效果不佳．
(2)减小输电电流：在输电功率一定的条件下，根据P＝UI可知，要减小输电线中的电流I，必须提高输电电压U.在输送功率P一定，输电线电阻R一定的条件下，输电电压提高到原来的n倍，根据ΔU＝IR线＝R线知，输电线上的电压损失将变为原来的，根据ΔP＝·R线知，输电线上的功率损失将降为原来的.所以减小输电电流，采用高压输电的方法比减小输电线电阻的方法更有效．
中国已投产运行的1 000 kV特高压输电，是目前世界上电压最高的输电工程．假设甲、乙两地原来用500 kV的超高压输电，在保持输送电功率和输电线电阻都不变的条件下，现改用1 000 kV特高压输电，不考虑其他因素的影响．则( )
A．输电电流变为原来的2倍
B．输电线上降落的电压将变为原来的2倍
C．输电线上降落的电压将变为原来的
D．输电线上损耗的电功率将变为原来的
思路点拨：由P＝UI分析电流变化，由ΔU＝I·r及P损＝I2·r分析电压损失及功率损失．
C [根据输送电功率P输＝U输I输及P输不变，可知，输电电流I输＝∝，当U输变为原来的2倍时，I输变为原来的，选项A错误；输电线上降落的电压U降＝I输R线∝I输，所以，当输电电流变为原来的时，输电线上降落的电压也变为原来的，选项B错误，C正确；输电线上损耗的电功率P损＝IR线∝I，所以输电线上损耗的电功率将变为原来的，选项D错误．]
规律方法
?1?注意区别：①输电电压U与输电线上降落的电压ΔU；②输电功率P与输电线上损失的功率ΔP.
?2?抓住不变量：输送电功率不变，由P＝UI判断出输电电流I的变化，从而由ΔU＝IR、ΔP＝I2R判断ΔU、ΔP的变化.
[针对训练]
1．发电厂发电机的输出电压为U1，发电厂至学校的输电线总电阻为R线，通过输电线的电流为I，学校输入电压为U2，下列计算输电线功率损耗的式子中，不正确的是( )
A． B．
C．I2R线 D．I(U1－U2)
A [输电线功率损耗P损＝I2R线＝＝IU线，其中U线＝U1－U2，故B、C、D正确，A不正确．]
交流输配电网
发电机将机械能转化为电能，并通过导线将电能输送给负载．发电机的电能向用户输送时，为了减少在输电线上电能的损失应采用高压输电，此类问题要构建远距离高压输电的模型，抓住能量守恒这条线索，是解决发电—输电—用电类问题的关键．
为了减少火电站中煤的燃烧对大气的污染，要大力发展水电站．三峡水利工程中某一水力发电站的发电机组设计为：水以v1＝3 m/s的速度流入水轮机后以v2＝1 m/s的速度流出，流出水位比流入水位低10 m，水流量Q＝10 m3/s，水轮机效率为75%，发电机效率为80%，试求发电机组的输出电功率是多少(g取10 m/s2)?
思路点拨：水的机械能的一部分转化为电能，由能量守恒求解．
【解析】 水轮机在时间t内获得的机械能
E＝×75% J
＝×75% J
＝×75% J＝7.8×105t J.
则发电机输出电能E电＝E×80%＝6.24×105t J，
发电机的输出功率P0＝ ＝624 kW.
【答案】 624 kW
规律方法
?1?明确发电机的能量转化关系.
?2?明确输电电压和导线损失的功率.
?3?注意区分输电电压和输电导线上损失的电压以及它们的应用.
[针对训练]
2．某小河水流量为4 m3/s，水流下落的高度为5 m．现在利用它来发电，设所用发电机的总效率为50%，g取9.8 m/s2，求：
(1)发电机的输出功率；
(2)若输电导线的总电阻为4 Ω，输电导线上损失的电功率为发电机输出功率的5%，则需用多大的电压输送电能；
(3)输电导线上的电压损失．
【解析】 (1)水由高处流下，重力势能转化为动能，推动水轮机做功，设水的流量为Q，则发电机的输入功率为P1＝ρQgh
所以输出功率为P2＝ηP1＝ηρQgh＝50%×1.0×103×4×9.8×5 W＝9.8×104 W.
(2)设输电电压为U，输电线上的电流为I，电阻为R，损失的电功率为P3，由P3＝I2R得
I＝＝＝A＝35 A
由P2＝IU得输电电压
U＝＝ V＝2.8×103 V.
(3)输电导线上损失的电压为
ΔU＝IR＝35×4 V＝140 V.
【答案】 (1)9.8×104 W (2)2.8×103 V
(3)140 V
[当 堂 达 标·固 双 基]
1．高压输电电压为U，输电线电阻为r，则下列说法正确的是( )
A．若发电机输出功率不变，使输出电压变大，则输电线上损失的功率变小
B．输电线上损失的功率为ΔP＝，故导线电阻越大，损失的功率越小
C．通过输电线的电流为I＝，故输电电压越高，电流越大，损失的功率越大
D．以上说法都不对
A [设发电机输出功率为P，则P＝UI，使输电电压U增大，则输电电流I减小，又由输电线上损失的功率ΔP＝I2r得，输电线上损失的功率减小，所以选项A正确．]
2．某水电站，用总电阻为2.5 Ω的输电线输电给500 km外的用户，其输出电功率是3×106 kW.现用500 kV电压输电，则下列说法中正确的是( )
A．输电线上输送的电流大小为2.0×105A
B．输电线上由电阻造成的电压损失为15 kV
C．若改用5 kV电压输电，则输电线上损失的功率为9×108 kW
D．输电线上损失的功率为ΔP＝，U为输电电压，r为输电线的电阻
B [输电线上输送的电流为I＝＝＝6 000 A，选项A错误；输电线上由电阻造成的电压损失为U损＝IR线＝6 000×2.5 V＝1.5×104 V，选项B正确；若输电电压为5 kV，则输电线上损失的功率不可能大于输电总功率3×106 kW，选项C错误；ΔP＝中，U应当为输电线上损失的电压，选项D错误．]
3．超导是当今科技研究的热点，利用超导材料可实现无损耗输电．现有一直流电路，输电线总电阻为0.4 Ω，它提供给用电器的电功率为40 kW，电压为800 V．若用临界温度以下的超导电缆代替原来的输电线，保持供给用电器的功率和电压不变，那么节约的电功率为( )
A．1 kW B．1.6×103 kW
C．1.6 kW D．10 kW
A [节约的电功率即为普通电路输电时损耗的电功率，I＝＝ A＝50 A，P损＝I2R＝502×0.4 W＝1 000 W，故节约的电功率为1 kW，A项正确．]
3.1 高压输电原理
学 习 目 标
知 识 脉 络
1．知道远距离输电线上的损失与哪些因素有关．
2．知道交流输配电网的设计．
3．掌握输电线上的功率损失和电压损失的计算．(重点、难点)
4．掌握高压输电原理及减少输电线上功率损失的方法．(难点)
[自 主 预 习·探 新 知]
[知识梳理]
一、远距离输电为什么要用高电压
1．电能损耗的根本原因
输电线有电阻，输电线的电阻把电能转化为内能而损失掉．
2．减少损耗的途径
(1)可以增大导线横截面积以减小输电电阻．
(2)采用升高输电电压的方法，以减小输电电流从而减小电能损耗．
3．高压输电的原理
由输电线上损耗的电功率公式P损＝可知，提高输送电能的电压，可以更有效的减小输电线路上的电能损失．
二、交流输配电网
1．电能输送的系统性
高压输电有效地解决了电能在输电线路上的损耗问题，但也不是电压越高越好，电压越高，对输电线路及其有关设备的绝缘性能要求越高，会受到更多因素的影响．
2．输电线路的构成
建造电能输配电网是为了确保电能的输送经济、可靠，发电机发出的交变电流先送到升压变电站，将电压升高到220 kV以上，进行高压送电；在用电区，先由第一级变电站将电压降到110 kV，再送到第二级变电站，将电压降到10 kV送到用电区．对普通生活用电，则要用降压变压器进一步降到220_V.
[基础自测]
1．思考判断
(1)采用高压输电可以节省电线材料，减少输电线上能量损耗． (√)
(2)采用高压输电，可减少电能损耗，因而电压越高越好． (×)
【提示】 综合考虑，并不是电压越高越好．
(3)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I＝. (×)
【提示】 U为输电电压，并不是导线两端电压．
(4)远距离输电是应用了提高电压和减小电阻两个方面来实现的． (√)
(5)高压输电中的高电压，到用户那里可以直接应用． (×)
【提示】 高压输电中的高电压，到用户那里要用降压变压器逐步降到220 V.
(6)由P＝I2r可知减小输电线电阻和降低输电电流可减小输电损失．(√)
2．(多选)远距离输送一定功率的交变电流，若输电电压升高为原来的n倍，关于输电线上的电压损失和功率损失正确的是(不考虑电抗产生的损失)( )
A．功率损失是原来的
B．功率损失是原来的
C．电压损失是原来的
D．电压损失是原来的n倍
BC [设输电电压为U，所输送的功率为P，输电线路总电阻为R，则输电电流I＝，线路的功率损失ΔP＝I2R＝，可知ΔP∝，当输电电压U升高为原来的n倍时，功率损失变为原来的，故选项B正确；线路上的电压损失ΔU＝IR＝，可知ΔU∝，当输电电压升高为原来的n倍时，电压损失变为原来的，故选项C正确．]
3．交流输电线路中功率损失的主要原因( )
A．输电导线具有电阻
B．输电导线具有容抗
C．输电导线具有感抗
D．以上说法均不正确
A [电能的主要损耗是电热，由△P＝I2R可知A选项正确．]
[合 作 探 究·攻 重 难]
远距离输电用高电压的原因
1．电压损失(图3-1-1)：由于输电导线有电阻，电流通过输电导线时，会在线路上产生电势降落，致使输电线路末端的电压U3比起始端电压要低．这就是输电线路上的电压损失ΔU＝U2－U3＝IR线．对于交流电路，感抗和容抗也会造成电压损失，高中阶段暂不研究．
图3-1-1
2．功率损失：由于输电线有电阻，当有电流流过输电线时，有一部分电能转化为电热而损失掉了，这是输电线上功率损失的主要原因．设输电电流为I，输电线的电阻为R线，则功率损失为ΔP＝I2R线．
3．减小输电线路上电压损失和功率损失的方法：根据电压损失的表达式ΔU＝IR线和功率损失ΔP＝I2R线可知，要减少输电线上的电压损失和功率损失，有两种方法：
(1)减小输电线的电阻R线：根据电阻定律可知R线＝ρ，要减小输电线的电阻R线，可采用下述方法：
①减小材料的电阻率ρ .银的电阻率最小，但价格昂贵，目前选用电阻率较小的铜或铝作输电线材料．
②减小输电线的长度l不可行，因为要保证输电距离．
③增加导线的横截面积．可适当增大横截面积，太粗不可能，既不经济又架设困难．
另外，用增大输电导线横截面积的方法来减小电阻．对低压照明电路有效，在高压线路中，因容抗和感抗造成的电压损失比电阻造成的还要大．故这种方法在高压输电中的应用效果不佳．
(2)减小输电电流：在输电功率一定的条件下，根据P＝UI可知，要减小输电线中的电流I，必须提高输电电压U.在输送功率P一定，输电线电阻R一定的条件下，输电电压提高到原来的n倍，根据ΔU＝IR线＝R线知，输电线上的电压损失将变为原来的，根据ΔP＝·R线知，输电线上的功率损失将降为原来的.所以减小输电电流，采用高压输电的方法比减小输电线电阻的方法更有效．
中国已投产运行的1 000 kV特高压输电，是目前世界上电压最高的输电工程．假设甲、乙两地原来用500 kV的超高压输电，在保持输送电功率和输电线电阻都不变的条件下，现改用1 000 kV特高压输电，不考虑其他因素的影响．则( )
A．输电电流变为原来的2倍
B．输电线上降落的电压将变为原来的2倍
C．输电线上降落的电压将变为原来的
D．输电线上损耗的电功率将变为原来的
思路点拨：由P＝UI分析电流变化，由ΔU＝I·r及P损＝I2·r分析电压损失及功率损失．
C [根据输送电功率P输＝U输I输及P输不变，可知，输电电流I输＝∝，当U输变为原来的2倍时，I输变为原来的，选项A错误；输电线上降落的电压U降＝I输R线∝I输，所以，当输电电流变为原来的时，输电线上降落的电压也变为原来的，选项B错误，C正确；输电线上损耗的电功率P损＝IR线∝I，所以输电线上损耗的电功率将变为原来的，选项D错误．]
规律方法
?1?注意区别：①输电电压U与输电线上降落的电压ΔU；②输电功率P与输电线上损失的功率ΔP.
?2?抓住不变量：输送电功率不变，由P＝UI判断出输电电流I的变化，从而由ΔU＝IR、ΔP＝I2R判断ΔU、ΔP的变化.
[针对训练]
1．发电厂发电机的输出电压为U1，发电厂至学校的输电线总电阻为R线，通过输电线的电流为I，学校输入电压为U2，下列计算输电线功率损耗的式子中，不正确的是( )
A． B．
C．I2R线 D．I(U1－U2)
A [输电线功率损耗P损＝I2R线＝＝IU线，其中U线＝U1－U2，故B、C、D正确，A不正确．]
交流输配电网
发电机将机械能转化为电能，并通过导线将电能输送给负载．发电机的电能向用户输送时，为了减少在输电线上电能的损失应采用高压输电，此类问题要构建远距离高压输电的模型，抓住能量守恒这条线索，是解决发电—输电—用电类问题的关键．
为了减少火电站中煤的燃烧对大气的污染，要大力发展水电站．三峡水利工程中某一水力发电站的发电机组设计为：水以v1＝3 m/s的速度流入水轮机后以v2＝1 m/s的速度流出，流出水位比流入水位低10 m，水流量Q＝10 m3/s，水轮机效率为75%，发电机效率为80%，试求发电机组的输出电功率是多少(g取10 m/s2)?
思路点拨：水的机械能的一部分转化为电能，由能量守恒求解．
【解析】 水轮机在时间t内获得的机械能
E＝×75% J
＝×75% J
＝×75% J＝7.8×105t J.
则发电机输出电能E电＝E×80%＝6.24×105t J，
发电机的输出功率P0＝ ＝624 kW.
【答案】 624 kW
规律方法
?1?明确发电机的能量转化关系.
?2?明确输电电压和导线损失的功率.
?3?注意区分输电电压和输电导线上损失的电压以及它们的应用.
[针对训练]
2．某小河水流量为4 m3/s，水流下落的高度为5 m．现在利用它来发电，设所用发电机的总效率为50%，g取9.8 m/s2，求：
(1)发电机的输出功率；
(2)若输电导线的总电阻为4 Ω，输电导线上损失的电功率为发电机输出功率的5%，则需用多大的电压输送电能；
(3)输电导线上的电压损失．
【解析】 (1)水由高处流下，重力势能转化为动能，推动水轮机做功，设水的流量为Q，则发电机的输入功率为P1＝ρQgh
所以输出功率为P2＝ηP1＝ηρQgh＝50%×1.0×103×4×9.8×5 W＝9.8×104 W.
(2)设输电电压为U，输电线上的电流为I，电阻为R，损失的电功率为P3，由P3＝I2R得
I＝＝＝A＝35 A
由P2＝IU得输电电压
U＝＝ V＝2.8×103 V.
(3)输电导线上损失的电压为
ΔU＝IR＝35×4 V＝140 V.
【答案】 (1)9.8×104 W (2)2.8×103 V
(3)140 V
[当 堂 达 标·固 双 基]
1．高压输电电压为U，输电线电阻为r，则下列说法正确的是( )
A．若发电机输出功率不变，使输出电压变大，则输电线上损失的功率变小
B．输电线上损失的功率为ΔP＝，故导线电阻越大，损失的功率越小
C．通过输电线的电流为I＝，故输电电压越高，电流越大，损失的功率越大
D．以上说法都不对
A [设发电机输出功率为P，则P＝UI，使输电电压U增大，则输电电流I减小，又由输电线上损失的功率ΔP＝I2r得，输电线上损失的功率减小，所以选项A正确．]
2．某水电站，用总电阻为2.5 Ω的输电线输电给500 km外的用户，其输出电功率是3×106 kW.现用500 kV电压输电，则下列说法中正确的是( )
A．输电线上输送的电流大小为2.0×105A
B．输电线上由电阻造成的电压损失为15 kV
C．若改用5 kV电压输电，则输电线上损失的功率为9×108 kW
D．输电线上损失的功率为ΔP＝，U为输电电压，r为输电线的电阻
B [输电线上输送的电流为I＝＝＝6 000 A，选项A错误；输电线上由电阻造成的电压损失为U损＝IR线＝6 000×2.5 V＝1.5×104 V，选项B正确；若输电电压为5 kV，则输电线上损失的功率不可能大于输电总功率3×106 kW，选项C错误；ΔP＝中，U应当为输电线上损失的电压，选项D错误．]
3．超导是当今科技研究的热点，利用超导材料可实现无损耗输电．现有一直流电路，输电线总电阻为0.4 Ω，它提供给用电器的电功率为40 kW，电压为800 V．若用临界温度以下的超导电缆代替原来的输电线，保持供给用电器的功率和电压不变，那么节约的电功率为( )
A．1 kW B．1.6×103 kW
C．1.6 kW D．10 kW
A [节约的电功率即为普通电路输电时损耗的电功率，I＝＝ A＝50 A，P损＝I2R＝502×0.4 W＝1 000 W，故节约的电功率为1 kW，A项正确．]