5.5 电能的输送及应用 归纳总结 word版含答案
文档属性
| 名称 | 5.5 电能的输送及应用 归纳总结 word版含答案 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 461.0KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2019-05-20 18:31:02 | ||
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文档简介
2019年人教版高二物理选修3-2《电能的输送及应用》归纳总结
一、输电导线上的电功率损失
1．损失电能的分析
任何输电线都有电阻，因此当电能通过输电线送向远方时，电阻发热而损失电功率。
设输电电流为，输电线电阻为，则输电线上的功率损失为。
设输送电功率为，输电电压为，输电线的总长度为，横截面积为，电阻率为，则输电电流，输电线电阻为。
输电线上的功率损失可表示为。
2．输送电能的基本要求
（1）可靠：保证供电线路正常工作。
（2）保质：保证供电质量——电压、频率要稳定。
（3，经济：线路建设和运行的费用低——能耗少、电价低。
3．减小输电线上功率损失的方法
（1）减小输电线的电阻
①减小输电线长度：由于输电距离一定，所以在实际中不可能用减小来减小。
②减小电阻率：目前一般用电阻率较小的铜或铝作导线材料。
③增大导线的横截面积：这要多耗费金属材料，增加成本，同时给输电线的架设带来很大的困难。
（2）减小输电电流，
①减小输送功率：由于电站的装机容量一定，因此电站向外输送的电功率是一定的，即在实际中不能以用户少用或不用电来减少输电线上的功率损失。
②提高输电电压：在输送功率一定，输电线电阻一定的条件下，输电电压提高到原来的倍，输电线上的功率损失降为原来的倍。
采用高压输电是减小输电线上功率损失最有效、最经济的措施。
二、输电线上的电压损失
1．电压损失：
输电导线有电阻，电流通过输电导线时，会在导线上产生电势降落，致使输电线路末端的电压比起始端电压低，差值称为输电线路上的电压损失。
2．造成电压损失的因素
（1）输电线有电阻造成电压损失。
（2）输电线的感抗和容抗造成电压损失。
要点诠释：
高中阶段在计算中只考虑输电线电阻所造成的电压损失。
3．减少输电线路上电压损失的方法
（1）减小输电线路电阻
用增大输电导线横截面积来减小电阻，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，故这种方法对高压输电效果不佳。
（2）减小输电电流
因为，在输送电功率一定的前提下，提高输电电压是有效措施。
高压输电既能减小功率损失，也能减小电压损失，但在实际输送电能时，还需综合考虑各种因素，依照不同的情况，选择合适的输电电压。
例1．以下关于电能输送的说法正确的是（ ）
A．输送电能的基本要求是可靠、保质、经济
B．减小输电导线上功率损失的唯一方法，是要采用高压输电
C．减小输电导线上功率损失的唯一方法，是增大导线的横截面积
D．实际输送电能时，要综合考虑各种因素，如输送功率大小、距离远近、技术和经济条件等
【答案】AD
【解析】输送电能的基本要求是可靠、保质、经济。减少输电线上的功率损失可采用高压输电，也可以减小输电线电阻，即增大导线横截面积，但不经济。实际输电时，应综合考虑各种因素。
例2．在电能输送过程中，若输送的电功率一定、输电线电阻一定，则在输电线上损耗的电功率（ ）
A．和输送电线上电压的平方成反比
B．和输送电流的平方成反比
C．和输送电线上的电压降的平方成正比
D．和输送电流的平方成正比
【答案】ACD
【解析】此题考查了输电线上的功率损失和导线电阻、输电电压、导线上的电压损失、输电电流的关系。
输电线上的功率损失，电压损失，输电电流，所以
，
可见在输送功率一定时，随的增大而增大；与成正比；与成正比；与成反比。
【点评】当输送功率一定时，输电电流与输电电压成反比，即，提高输送电压可以大幅度减少电能在输送过程中的损失。
例3．图为远距离输电示意图，两变压器均为理想变压器，升压变压器T的原、副线圈匝数分别为n1 、n2 。在T的原线圈两端接入一电压的交流电源，若输送电功率为P，输电线的总电阻为2r ，不考虑其它因素的影响，则输电线上损失的电功率为( )
【答案】C
【解析】解析：原线圈电压的有效值：，由可得：
输电线上电流，导线上损耗的电功率，故选C
例4．在远距离输电时，如果升压变压器输出电压是，输出功率是，输电线电阻是，求：
（1）输电线上损失的功率和损失的电压；
（2）用户能得到的功率和电压。
【答案】（1） （2）
【解析】本题考查高压输电线路中电压损失和功率损失，关键是先利用输送功率损失，通过公式，求出输送电流。
由，得
。
则输电线上损失的功率
。
损失的电压
。
（2）用户得到的电压和功率分别为：
，
。
【点评】题目中输电线路电阻是定值，输送功率是定值，则利用，求出输送电流，进而利用求出，然后求其它量。
例5.某电站用1 kV交变电压输电，输送功率一定，输电线的电阻为R，现若用变压器将电压升高到20 kV送电，下列说法正确的是（ ）
A．因，所以输电线上的电流增为原来的20倍
B．因，所以输电线上的电流减为原来的
C．因，所以输电线上损失的功率增为原来的400倍
D．若要使输电线上损失的功率不变，可将输电线的直径减为原来的
【答案】BD
【解析】选项A中，，是输电线中的电流，只是输电线的电阻，但是U不是输电线上损失的电压，而是总的输送电压（是输电线和负载上电压之和），所以不能用计算输电线中的电流，在运用欧姆定律时，I、R、U应该对应于同一部分导体。因为输送的功率一定，由可知，当输送的电压增为原来的20倍时，电流减为原来的，所以选项B是正确的。选项C中，R是输电线的电阻，而U是输送的总电压，R与U不对应，所以是错误的。 输电线上损失的功率一般用ΔP=I2R计算不容易出错，从选项B中已经知道电流减为原来的，若ΔP不变，则输电线的电阻可增为原来的400倍，根据，在电阻率、长度不变的条件下，那么导线的横截面积可减小为原来的，即导线的直径可减为原来的击，所以选项D是正确的。
三、远距离高压输电问题的处理方法
1．有关远距离输电问题，应首先画出远距离输电的电路图，并将已知量和待求量写在电路图的相应位置。
2．以变压器为界将整个输电电路划分为几个独立的回路，每个回路都可以用欧姆定律、串并联电路的特点和电功、电功率的公式等进行计算，联系各回路的桥梁是原、副线圈电压、电流与匝数的关系及输入功率和输出功率的关系。
3．高压输电的几个基本关系式
（1）功率关系
（2）电压、电流关系
（3）输电电流
（4）输电导线上损耗的电功率
例6、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像，则（ ）
A．用户用电器上交流电的频率是100 Hz
B．发电机输出交流电的电压有效值是500 V
C．输电线的电流只由降压变压器原副线圈的匝数比决定
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
【答案】D
【解析】发电机的输出电压随时间变化的关系，由图可知，，故
，故A错误；
由图象可知交流的最大值为，因此其有效值为，故B错误；
输电线的电流由输送的功率与电压决定的，与降压变压器原副线圈的匝数比无关，故C错误；
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D正确。
例7.如图甲为远距离输电示意图，变压器均为理想变压器。升压变压器原副线圈匝数比为l：100，其输入电压如图乙所示，远距离输电线的总电阻为100。降压变压器右侧部分为一火警报警系统原理图，其中R1为一定值电阻，R2为用半导体热敏材料制成的传感器，当温度升高时其阻值变小。电压表V显示加在报警器上的电压(报警器未画出)。未出现火警时，升压变压器的输入功率为750kW。下列说法中正确的有（ ）
A．降压变压器副线圈输出的交流电频率为50Hz
B．远距离输电线路损耗功率为180kW
C．当传感器R2所在处出现火警时，电压表V的示数变大
D．当传感器R2所在处出现火警时，输电线上的电流变大
【答案】CD
【解析】A、由于发电厂的输出电压不变，升压变压器的匝数不变，所以升压变压器的输出电压不变，故A错误；
B、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，又升压变压器的输出电压不变，根据可输电线上的电流增大，根据，输电线上的电压损失增大，根据降压变压器的输入电压可得，降压变压器的输入电压减小，降压变压器的匝数不变，所以降压变压器的输出电压减小，故B错；
C、根据，又输电线上的电流增大，电阻不变，所以输电线上的功率损失增大，故C正确；
D、根据，发电厂的输出电压不变，输电线上的电阻不变，所以
输电线上损耗的功率占总功率的比例随着发电厂输出功率的增大而增大，故D
正确。
例8.某发电站的输出功率为，输出电压为，通过理想变压器升压后向远处供电．已知输电导线的电阻率为，导线横截面积为，输电线路损失的功率为输出功率的，求：
（1）升压变压器的输出电压，
（2）输电线路上的电压损失。
【答案】（1） （2）
【解析】（1）设线路电阻为，线路损失功率为，线路损失的电压为，发电站的输出功率为，升压变压器的输出电压为．
由电阻定律，得
线路损失功率为
，
则输电导线的电流为
由得升压变压器的输出电压
（2）输电线路上的电压损失
例9.发电机的端电压为220 V，输出电功率为44 kW，输电导线的电阻为0.2Ω，如果用初、次级匝数之比为1∶10的升压变压器升压，经输电线后，再用初、次匝数比为10∶l的降压变压器降压供给用户。
（1）画出全过程的线路示意图；
（2）求用户得到的电压和功率；
（3）若不经过变压而直接送到用户，求用户得到的电压和功率。
【解析】（1）示意图如图所示。
升压变压器次级的输出电夺
。
据升压变压器输出电功率等于输入电功率知，升压变压器次级输出电流
。
输电线路上的电压损失和功率损失分别为
UR=I2R=20×0.2 V=4 V，
PR=I22R=202×0.2 W=80 W。
加到降压变压器初级上的输入电流和电压为 I3=I2=20 A，
U3=U2―UR=2200 V―4 V=2196 V。
降压变压器次级的输出电流和电压为
，
。
用户得到的功率为
P4=I4U4=200×219.6 W=4.392×104 W。
（3）若不采用高压输电，用220 V低压直接供电时，电路如图所示，
则输电电流
，
输电线路上的电压损失
，
所以用户得到的电压为
。
用户得到的功率为
。
例10.电站通过升压器、输电线和降压器把电能输送给生产和照明组成的用户，若发电机发电功率为1.2×105W，输出电压是240V，升压器原副线圈的匝数之比为1：25，输电线的总电阻为10Ω，用户需要电压为220V。求：
（1）输电线上损失的电功率为多少?
（2）降压变压器原副线圈的匝数比为多少?
【答案】 （1）4000W；（2）290:11
【解析】（1）升压变压器的输入电流
由，得
输电线上损失的电功率。
（2）升压变压器输出电压为U2，
由，得
输电线电压损失
降压变压器输入电压为U3，有
则
【点评】提高输电电压，从而减小输电线上的电流，导致输电线损失的功率减小，用户得到的功率越多。
一、输电导线上的电功率损失
1．损失电能的分析
任何输电线都有电阻，因此当电能通过输电线送向远方时，电阻发热而损失电功率。
设输电电流为，输电线电阻为，则输电线上的功率损失为。
设输送电功率为，输电电压为，输电线的总长度为，横截面积为，电阻率为，则输电电流，输电线电阻为。
输电线上的功率损失可表示为。
2．输送电能的基本要求
（1）可靠：保证供电线路正常工作。
（2）保质：保证供电质量——电压、频率要稳定。
（3，经济：线路建设和运行的费用低——能耗少、电价低。
3．减小输电线上功率损失的方法
（1）减小输电线的电阻
①减小输电线长度：由于输电距离一定，所以在实际中不可能用减小来减小。
②减小电阻率：目前一般用电阻率较小的铜或铝作导线材料。
③增大导线的横截面积：这要多耗费金属材料，增加成本，同时给输电线的架设带来很大的困难。
（2）减小输电电流，
①减小输送功率：由于电站的装机容量一定，因此电站向外输送的电功率是一定的，即在实际中不能以用户少用或不用电来减少输电线上的功率损失。
②提高输电电压：在输送功率一定，输电线电阻一定的条件下，输电电压提高到原来的倍，输电线上的功率损失降为原来的倍。
采用高压输电是减小输电线上功率损失最有效、最经济的措施。
二、输电线上的电压损失
1．电压损失：
输电导线有电阻，电流通过输电导线时，会在导线上产生电势降落，致使输电线路末端的电压比起始端电压低，差值称为输电线路上的电压损失。
2．造成电压损失的因素
（1）输电线有电阻造成电压损失。
（2）输电线的感抗和容抗造成电压损失。
要点诠释：
高中阶段在计算中只考虑输电线电阻所造成的电压损失。
3．减少输电线路上电压损失的方法
（1）减小输电线路电阻
用增大输电导线横截面积来减小电阻，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，故这种方法对高压输电效果不佳。
（2）减小输电电流
因为，在输送电功率一定的前提下，提高输电电压是有效措施。
高压输电既能减小功率损失，也能减小电压损失，但在实际输送电能时，还需综合考虑各种因素，依照不同的情况，选择合适的输电电压。
例1．以下关于电能输送的说法正确的是（ ）
A．输送电能的基本要求是可靠、保质、经济
B．减小输电导线上功率损失的唯一方法，是要采用高压输电
C．减小输电导线上功率损失的唯一方法，是增大导线的横截面积
D．实际输送电能时，要综合考虑各种因素，如输送功率大小、距离远近、技术和经济条件等
【答案】AD
【解析】输送电能的基本要求是可靠、保质、经济。减少输电线上的功率损失可采用高压输电，也可以减小输电线电阻，即增大导线横截面积，但不经济。实际输电时，应综合考虑各种因素。
例2．在电能输送过程中，若输送的电功率一定、输电线电阻一定，则在输电线上损耗的电功率（ ）
A．和输送电线上电压的平方成反比
B．和输送电流的平方成反比
C．和输送电线上的电压降的平方成正比
D．和输送电流的平方成正比
【答案】ACD
【解析】此题考查了输电线上的功率损失和导线电阻、输电电压、导线上的电压损失、输电电流的关系。
输电线上的功率损失，电压损失，输电电流，所以
，
可见在输送功率一定时，随的增大而增大；与成正比；与成正比；与成反比。
【点评】当输送功率一定时，输电电流与输电电压成反比，即，提高输送电压可以大幅度减少电能在输送过程中的损失。
例3．图为远距离输电示意图，两变压器均为理想变压器，升压变压器T的原、副线圈匝数分别为n1 、n2 。在T的原线圈两端接入一电压的交流电源，若输送电功率为P，输电线的总电阻为2r ，不考虑其它因素的影响，则输电线上损失的电功率为( )
【答案】C
【解析】解析：原线圈电压的有效值：，由可得：
输电线上电流，导线上损耗的电功率，故选C
例4．在远距离输电时，如果升压变压器输出电压是，输出功率是，输电线电阻是，求：
（1）输电线上损失的功率和损失的电压；
（2）用户能得到的功率和电压。
【答案】（1） （2）
【解析】本题考查高压输电线路中电压损失和功率损失，关键是先利用输送功率损失，通过公式，求出输送电流。
由，得
。
则输电线上损失的功率
。
损失的电压
。
（2）用户得到的电压和功率分别为：
，
。
【点评】题目中输电线路电阻是定值，输送功率是定值，则利用，求出输送电流，进而利用求出，然后求其它量。
例5.某电站用1 kV交变电压输电，输送功率一定，输电线的电阻为R，现若用变压器将电压升高到20 kV送电，下列说法正确的是（ ）
A．因，所以输电线上的电流增为原来的20倍
B．因，所以输电线上的电流减为原来的
C．因，所以输电线上损失的功率增为原来的400倍
D．若要使输电线上损失的功率不变，可将输电线的直径减为原来的
【答案】BD
【解析】选项A中，，是输电线中的电流，只是输电线的电阻，但是U不是输电线上损失的电压，而是总的输送电压（是输电线和负载上电压之和），所以不能用计算输电线中的电流，在运用欧姆定律时，I、R、U应该对应于同一部分导体。因为输送的功率一定，由可知，当输送的电压增为原来的20倍时，电流减为原来的，所以选项B是正确的。选项C中，R是输电线的电阻，而U是输送的总电压，R与U不对应，所以是错误的。 输电线上损失的功率一般用ΔP=I2R计算不容易出错，从选项B中已经知道电流减为原来的，若ΔP不变，则输电线的电阻可增为原来的400倍，根据，在电阻率、长度不变的条件下，那么导线的横截面积可减小为原来的，即导线的直径可减为原来的击，所以选项D是正确的。
三、远距离高压输电问题的处理方法
1．有关远距离输电问题，应首先画出远距离输电的电路图，并将已知量和待求量写在电路图的相应位置。
2．以变压器为界将整个输电电路划分为几个独立的回路，每个回路都可以用欧姆定律、串并联电路的特点和电功、电功率的公式等进行计算，联系各回路的桥梁是原、副线圈电压、电流与匝数的关系及输入功率和输出功率的关系。
3．高压输电的几个基本关系式
（1）功率关系
（2）电压、电流关系
（3）输电电流
（4）输电导线上损耗的电功率
例6、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像，则（ ）
A．用户用电器上交流电的频率是100 Hz
B．发电机输出交流电的电压有效值是500 V
C．输电线的电流只由降压变压器原副线圈的匝数比决定
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
【答案】D
【解析】发电机的输出电压随时间变化的关系，由图可知，，故
，故A错误；
由图象可知交流的最大值为，因此其有效值为，故B错误；
输电线的电流由输送的功率与电压决定的，与降压变压器原副线圈的匝数比无关，故C错误；
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D正确。
例7.如图甲为远距离输电示意图，变压器均为理想变压器。升压变压器原副线圈匝数比为l：100，其输入电压如图乙所示，远距离输电线的总电阻为100。降压变压器右侧部分为一火警报警系统原理图，其中R1为一定值电阻，R2为用半导体热敏材料制成的传感器，当温度升高时其阻值变小。电压表V显示加在报警器上的电压(报警器未画出)。未出现火警时，升压变压器的输入功率为750kW。下列说法中正确的有（ ）
A．降压变压器副线圈输出的交流电频率为50Hz
B．远距离输电线路损耗功率为180kW
C．当传感器R2所在处出现火警时，电压表V的示数变大
D．当传感器R2所在处出现火警时，输电线上的电流变大
【答案】CD
【解析】A、由于发电厂的输出电压不变，升压变压器的匝数不变，所以升压变压器的输出电压不变，故A错误；
B、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，又升压变压器的输出电压不变，根据可输电线上的电流增大，根据，输电线上的电压损失增大，根据降压变压器的输入电压可得，降压变压器的输入电压减小，降压变压器的匝数不变，所以降压变压器的输出电压减小，故B错；
C、根据，又输电线上的电流增大，电阻不变，所以输电线上的功率损失增大，故C正确；
D、根据，发电厂的输出电压不变，输电线上的电阻不变，所以
输电线上损耗的功率占总功率的比例随着发电厂输出功率的增大而增大，故D
正确。
例8.某发电站的输出功率为，输出电压为，通过理想变压器升压后向远处供电．已知输电导线的电阻率为，导线横截面积为，输电线路损失的功率为输出功率的，求：
（1）升压变压器的输出电压，
（2）输电线路上的电压损失。
【答案】（1） （2）
【解析】（1）设线路电阻为，线路损失功率为，线路损失的电压为，发电站的输出功率为，升压变压器的输出电压为．
由电阻定律，得
线路损失功率为
，
则输电导线的电流为
由得升压变压器的输出电压
（2）输电线路上的电压损失
例9.发电机的端电压为220 V，输出电功率为44 kW，输电导线的电阻为0.2Ω，如果用初、次级匝数之比为1∶10的升压变压器升压，经输电线后，再用初、次匝数比为10∶l的降压变压器降压供给用户。
（1）画出全过程的线路示意图；
（2）求用户得到的电压和功率；
（3）若不经过变压而直接送到用户，求用户得到的电压和功率。
【解析】（1）示意图如图所示。
升压变压器次级的输出电夺
。
据升压变压器输出电功率等于输入电功率知，升压变压器次级输出电流
。
输电线路上的电压损失和功率损失分别为
UR=I2R=20×0.2 V=4 V，
PR=I22R=202×0.2 W=80 W。
加到降压变压器初级上的输入电流和电压为 I3=I2=20 A，
U3=U2―UR=2200 V―4 V=2196 V。
降压变压器次级的输出电流和电压为
，
。
用户得到的功率为
P4=I4U4=200×219.6 W=4.392×104 W。
（3）若不采用高压输电，用220 V低压直接供电时，电路如图所示，
则输电电流
，
输电线路上的电压损失
，
所以用户得到的电压为
。
用户得到的功率为
。
例10.电站通过升压器、输电线和降压器把电能输送给生产和照明组成的用户，若发电机发电功率为1.2×105W，输出电压是240V，升压器原副线圈的匝数之比为1：25，输电线的总电阻为10Ω，用户需要电压为220V。求：
（1）输电线上损失的电功率为多少?
（2）降压变压器原副线圈的匝数比为多少?
【答案】 （1）4000W；（2）290:11
【解析】（1）升压变压器的输入电流
由，得
输电线上损失的电功率。
（2）升压变压器输出电压为U2，
由，得
输电线电压损失
降压变压器输入电压为U3，有
则
【点评】提高输电电压，从而减小输电线上的电流，导致输电线损失的功率减小，用户得到的功率越多。