高中物理人教版选修3-2教案　5.5 电能的输送

电能的输送
教学目标
1. 知识与技能
(1)知道“便于远距离输送”是电能的优点，知道输电过程．
(2)知道降低输电损耗的两个途径．
(3)了解电网供电的优点和意义．
2. 过程与方法
通过本节学习，让学生体验“发现问题并积极思考探寻解决方法”的研究过程．
3. 感、态度与价值观
(1)培养学生遇到问题要认真、全面分析的科学态度．
(2)介绍我国远距离输电概况，激发学生建设祖国的热情．
教学重点难点
1．理解高压输电是减少功率损失和电压损失的切实可行的措施。
2．输电过程示意图中各物理量之间的关系。
3．区别输电线上损失的功率和输电功率；输电线上损失的电压和输电电压。
4．利用输电过程示意图进行简单的计算。
教学方法与手段
自学、讨论、交流、演示实验。

可变变压器、3.8 V小灯泡一只、开关一个、学生电源一个、定值电阻一个、导线若干。
导入新课
[事件1]
教学任务：创设情境，导入新课。
师生活动：
为了合理地利用自然资源，水电站要建在水库大坝上，以煤为燃料的电站最好建在煤矿附近。但是可能距离用电的地方很远，因此常常要把电能输送到远方。
用导线把
电源和用电设备连接起来就可以输送电能了，这是电能的一个突出优点。
输送电能的基本要求是可靠、保质、经济。
可靠是保证线路可靠地工作，少有故障。保质就是保证电能的质量——电压和频率稳定。各种用电设备都是按照一定的电压设计的，电压过高或过低，用电器都不能正常工作，甚至损坏。使用交流的用电器还要求频率稳定。经济则是指输电线路运行和建造费用低，电能损耗少。
本节课主要讨论怎样在输电过程中减少电能的损失。
推进新课
[事件2]
教学任务：学习降低输电损耗的两个途径。
师生活动：
思考与讨论

输电电路图
假定输电线路中的电流是I，两条导线的总电阻是r。在下图中，导线的电阻集中画为一个电阻r。
由于导线具有电阻，用户一方的电压略低于电厂输送的电压。但是，实际输电线路损失的电压不会太大，所以在粗略的估算中，无论是电厂一方计算输出的功率还是用户一方计算输入的功率，如果要用到电压，可以取同一个值U。
讨论：1.怎样计算输电线路损失的功率？(P线＝I·R线)
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？(1/2)在线路电阻一定的情况下，如果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？(1/4)
3．通过第二步的两项计算，你认为哪个途径对于降低输电线路的损耗更为有效？(减小电流)
4．怎样才能减小线路电阻？有什么困难？(增加导线横截面积，采用电阻率小的导线导电)(困难是：面积增大，导线重力大，增加架线的困难；同时耗材增加；减小电阻率，导线造价高，太浪费)
5．怎样计算用户得到的功率？(P＝UI＝P输－P损＝P输－I2r)
6．在保证用户功率的前提下，怎样才能减小输电电流？(提高输电电压)
【演示实验】在输电线路电阻一定的条件下，提高电压，用户得到的电功率变大。(通过灯泡的亮度观察得到的功率情况)
线路如图所示：

实验过程：1.电源用学生电源提供，小灯泡为3.8 V普通灯泡。线路接入定值电阻相当于远距离输电线路的电阻。
2．采用可调变压器，当输出电压为4 V时，观察灯泡的亮度；当输出电压提高时，比较前后两种输送电压下灯泡的亮度。
结论：远距离输电时，为了降低输电线路中的损耗，就要减小输电电流；为了减小输电电流，同时又要保证向用户提供一定的电功率，就要提高输电电压。
现代远距离输电的电压都很高。目前我国远距离送电采用的电压有110 kV、220 kV、330 kV，输电干线已经采用500 kV的超高压，西北电网的电压甚至达到750 kV。
[事件3]介绍电网供电
师生活动：
利用文字资料与图片，介绍如下图所示电网供电的有关知识：

输电过程示意图
一般发电机输出的电压在十千伏上下，不符合远距离输电的要求。因此，要在发电站内用升压变压器，升压到几百千伏后再向远距离送电。达到数百千米甚至数千千米之外的用电地区之后，先在“一次高压变电站”降到一百千伏左右，在更接近用户的地点再由“二次变电站”降到十千伏左右。然后，一部分电能送往大量用电的工业用户，另一部分经过低压变电站降到220 V/380 V，送给其他用户。
[事件4]
教学任务：利用远距离输电图解决有关问题。
1．下图为远距离输电的示意图，输电过程包括哪几个部分？完成各物理量之间关系的填空。

(1)对于理想变压器＝，＝________；＝，＝________。(＝　＝)
(2)对于理想变压器P1＝U1I1；P2＝________；P3＝________，P4＝________；P1＝P2；P3____P4。(P2＝U2I2　P3＝U3I3　P4＝U4I4　P3＝P4)
(3)输电线上损失的电压——(U线＝I线·R线)。
输电线上损失的功率P线＝I·R线＝________＝________。(P线＝I·R线＝U线·I线＝U/R线)
(4)由电路关系可得：I2＝I线＝I3；U2－________＝U3；P2－________＝P3。(U2－U线＝U3；P2－P线＝P3)
(5)注意区别：
输电电压U2与输电线上损失的电压U线，二者关系为______________。(U2＝U线＋U3)
输电功率P2与输电线上损失的功率P线，二者关系为______________。(P2＝P线＋P4)
(学生讨论，交流，总结)
2．把200 kW的电能用铝导线输送到10 km以外，使用200 V电压输电，导线上的功率损失达到10%，已知铝的电阻率为2.9×10－8 Ω·m，则输电线的直径约为多大？(约为19 cm)
解析：由输送功率公式P输＝UI得I＝103 A，
10%P输＝I2R得R＝2×10－2 Ω。
由电阻公式R＝ρ及S＝π()2(l＝2×104 m)得
d＝0.19 m，可见此时导线太粗，不可行。
通过该题体会“增大横截面积来减小电阻的不可行性”。
[事件5]
教学任务：阅读科学漫步，了解输电新技术。提高学生科学素养。
师生活动：学生自主阅读课本知识，回答如下几个问题：
1．交流输电的优缺点是什么？
2．过去的直流输电与现在的直流输电有何不同？
3．什么是超导电缆输电？有何好处？
答案：1.优点：容易制造高压、大功率的发电机，并通过变压实现高压甚至超高压输电。缺点：①输电线路的导线不但有电阻，还有电感、电容产生的感抗和容抗，有时其作用会超过电阻，影响输电。②联网供电的同步技术难实现。
2．过去制造高电压、大功率的直流发电机很困难，且电压不能直接升高，实现高压输电困难。现在解决了制造大功率的整流和逆变设备难题，仅在输电环节使用直流，有一定的发展。
3．许多导体在温度特别低时电阻可降为零，这个现象叫超导现象。利用超导体材料做成的电缆进行输电叫超导电缆输电。在很多场合下，都可在原有的电缆管道内把旧电缆更换为超导电缆，能使供电容量提高三至五倍。
[事件6]
教学任务：阅读STS“大面积停电引发的思考”，开阔学生视野。
师生活动：学生自主阅读课本知识，交流讨论，回答如下几个问题：
1．当遇到一些突发事件时，你认为应该如何应付？
2．通过以上事例，以及你对待科学技术与社会关系的体会，你认为人类有必要在这样大的程度上依赖技术吗？
课堂巩固与反馈
[事件7]
教学任务：形成性测试：学生独立完成。时间：4分钟。
1．对于电能的输送，以下说法正确的是(　　)
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
2．当远距离高压输送一定电功率时，输电线上损耗的功率与电路中的(　　)
A．输送电压的平方成正比
B．输送电压的平方成反比
C．输电线中电流的平方成正比
D．导线中电流的平方成反比
3．关于减小远距离输电线上的功率损耗，下列说法正确的是(　　)
A．由功率P＝U2/R，应降低输电电压，增大导线电阻
B．由P＝IU，应低电压小电流输电
C．由P＝I2R，应减小导线电阻或减小输电电流
D．上述说法均不对
4．用电器电阻值为R，与交变电源距离为L，输电线电流为I，电阻率为ρ，要求输电线上电压损失不超过U。则输电线截面积最小值为(　　)
A．ρL/R B．2ρLI/U
C．U/ρLI D．2UL/ρI
5．远距离输送一定功率的交变电流，若送电电压提高到n倍，则输电导线上(　　)
A．电能损失为原来的倍
B．电压损失为原来的倍
C．电能损失减少倍
D．电压损失减少倍
答案：1.AD　2.BC　3.C　4.B　5.ABCD
课堂小结
[事件8]
教学任务：引导学生从知识、方法、情感三个侧面小结本节课的学习活动。这部分内容，单独作为一课题，使学生意识到，高压输电的意义，以及输电方法的科学性与多样性。
思考与练习
1．发电厂输出功率为9 900 kW，输电线电阻为2 Ω，分别用18 kV和110 kV的高压输电，则导线上损失的功率分别为、。(605 kW　16.2 kW)
2．变压器接入某输电电路中，现以相同的输入电压U，不同的输出电压输送相同的电功率P，输电线电阻为R。当副线圈与原线圈匝数比为k时，输电线线路上损耗的功率为；当匝数比为nk时，线路上损耗的功率为原来的倍。〔(P/kU)2R　1/n2〕

3．有一条河流，河水流量为4 m3/s，落差为5 m，现利用它来发电，使用的发电机总效率为50%，发电机输出电压为350 V，输电线的电阻为4 Ω，允许输电线上损耗功率为发电机输出功率的5%，而用户所需要电压为220 V，求所用的升压、降压变压器上原、副线圈的匝数比。变压器为理想变压器，输电线路如图所示。(升压1∶8，降压12∶1)