2019-2020学年教科版高中物理选修3-2学案：第二章 交变电流7电能的输送 含答案.doc

学案7电能的输送学习目标定位 1.理解输电线上电能的损失与哪些因素有关.2.理解减小电能损失的两个途径以及高压输电的原理.3.知道远距离输电的典型电路，并能利用变压器和电路的规律解决实际问题1电阻定律：在温度不变时，同种材料的导体，其电阻R与它的长度l成正比，与它的横截面积S成反比，导体电阻与构成它的材料有关，即R.2电功率PUI，热功率PI2R.3理想变压器原、副线圈的三个关系：P原P副，.一、电能输送中的电压损失和电能损耗1如图1所示，U损Ir，P损I2r.图12无论是为减小电压损失还是减小能量损耗，都要求使用高电压送电二、远距离输电系统远距离输电的基本原理：在发电站内用升压变压器升压，然后进行远距离输电，在用电区域通过降压变压器降到所需的电压三、直流输电当交流输电功率很大时，电感、电容引起的电压及电能损失很大，所以现在有些大功率输电线路已经开始采用直流输电现代的直流输电，只是在高压输电这个环节中使用直流解决学生疑难点一、电能输送中的电压损失和电能损耗问题设计如图2所示，假定输电线路中的电流是I，两条导线的总电阻是r，在图中把导线电阻集中画为r，输送功率为P，发电厂输出的电压为U.那么：图2(1)远距离大功率输电面临的困难是什么？(2)输电线上功率损失的原因是什么？功率损失的表达式是什么？降低输电损耗的两个途径是什么？(3)为什么远距离输电必须用高压呢？答案(1)在输电线上有功率损失(2)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功率损失表达式：PI2r，所以降低输电损耗的两个途径为：减小输电线的电阻r；减小输电电流I.(3)因为发电厂的输出功率P是一定的，由PUI得，要减小输电电流I，必须提高输出电压U.要点提炼输电线上的电压损失和功率损失(设输电线上电阻为R，电流为I)1电压损失输电线始端电压U与输电线末端电压U的差值UUUIR.2功率损失(1)远距离输电时，输电线有电阻，电流的热效应引起功率损失，损失的电功率PI2R.(2)若输电线上损失的电压为U，则功率损失还可以表示为P，PU·I.3减小电压、功率损失的方法(1)减小输电线的电阻由R可知，距离l一定时，使用电阻率小的材料，增大导体横截面积可减小电阻(2)减小输电电流I由PUI可知，当输送功率一定时，升高电压可以减小电流二、远距离输电电路中的各种关系问题设计某发电站向远处送电的示意图如图3所示，其中各部分的物理量已在图上标注，在这个电路中包括三个回路图3(1)结合闭合电路的知识，分别分析三个回路中各物理量之间的关系(发电机内阻、n1、n2、n3、n4线圈的电阻均忽略不计)(2)每个变压器中的电流、电压、功率有什么关系？答案(1)第一个回路：P1U1I1第二个回路：U2UU3，P2PP3IRP3第三个回路：P4U4I4(2)若两个变压器为理想变压器，则有：、P1P2；、P3P4.要点提炼远距离输电问题的分析1解决远距离输电问题时，应首先画出输电的电路图，参考图3，并将已知量和待求量写在电路图的相应位置2分析三个回路，在每个回路中，变压器的原线圈是回路的用电器，而相应的副线圈是下一个回路的电源3综合运用下面三方面的知识求解(1)能量守恒：PU1I1U2I2P用户PPIRP用户U3I3U4I4.(2)电路知识：U2UU3UI2R(3)变压器知识：.其中PI2R，UI2R往往是解题的切入点一、输电线上功率损失的计算例1三峡电站某机组输出的电功率为50万千瓦(1)若输出的电压为20万伏，则输电线上的电流为多少？(2)某处与电站间每根输电线的电阻为10欧，则输电线上损失的功率为多少？它占输出功率的比例是多少？(3)若将电压升高至50万伏，输电线上的电流为多少？输电线上损失的功率又为多少？它占输出功率的比例是多少？解析(1)由PUI得I2 500 A(2)输电线上损失的功率PI2·2r2 5002×2×10 W1.25×108 W损失功率与输出功率之比为(3)将电压升高至50万伏时，I1 000 A输电线上损失的功率PI2·2r1 0002×2×10 W2×107 W损失功率与输出功率之比为答案(1)2 500 A(2)1.25×108 W(3)1 000 A2×107 W二、远距离输电问题例2发电机的输出电压为220 V，输出功率为44 kW，输电导线的电阻为0.2 ，如果用原、副线圈匝数之比为110的升压变压器升压，经输电线后，再用原、副线圈匝数比为101的降压变压器降压供给用户，则：(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将电送到用户，求用户得到的电压和功率解析(1)示意图如图所示(2)升压变压器的输出电压U2U1×220 V2 200 V根据升压变压器输出功率等于输入功率知，升压变压器输出电流为I2 A20 A输电线路上的电压损失和功率损失分别为URI2R20×0.2 V4 VPRIR202×0.2 W80 W降压变压器上的输入电流和输入电压分别为I3I220 AU3U2UR2 200 V4 V2 196 V降压变压器上的输出电压和输出电流分别为U4U3×2 196 V219.6 VI4I310×20 A200 A用户得到的功率为P4I4U4200×219.6 W4.392×104 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I A200 A，输电线路上的电压损失URIR200×0.2 V40 V所以用户得到的电压为U4U1UR220 V40 V180 V用户得到的功率为P4IU4200×180 W3.6×104 W答案(1)见解析图(2)219.6 V4.392×104 W(3)180 V3.6×104 W1(输电线上功率损失的计算)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，输电线上损耗的电功率为P.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，若不考虑其他因素的影响，则输电线上损耗的电功率将变为()A. B. C2P D4P答案A解析在超高压输电中，设输送电功率为P，输电电压为U，输电线电阻为R，则输电线上损耗的电功率为P2R，当输电电压升为原来的2倍时，输电线损耗的电功率变为原来的，故选A.2(输电线上功率损失的计算)在远距离输电时，输送的电功率为P，输送电压为U，所用导线的电阻率为，横截面积为S，总长度为L，输电线损失的电功率为P，用户得到的电功率为P用，则P、P用的关系式正确的是 ()AP BPCP用P DP用P(1)答案BD解析输电线电阻R，输电电流I，故输电线上损失的电功率为：PI2R()2用户得到的功率为：P用PPP(1)故选B、D.3(远距离输电问题)在如图4所示的远距离输电电路图中，升压变压器和降压变压器均为理想变压器，发电厂的输出电压和输电线的电阻均不变，随着发电厂输出功率的增大，下列说法中正确的有()图4A升压变压器的输出电压增大B降压变压器的输出电压增大C输电线上损耗的功率增大D输电线上损耗的功率占总功率的比例增大答案CD解析发电厂的输出电压不变，升压变压器的输入电压不变，输出电压不变，选项A错误；随着发电厂输出功率的增大，输电线中电流增大，输电线上损失的电压(UIR)增大，降压变压器的输入电压减小，降压变压器的输出电压减小，选项B错误；随着发电厂输出功率的增大，输电线中电流增大，输电线上损耗的功率(PI2R)增大，选项C正确；输电线上损耗的电功率PI2R2R，输电线上损耗的功率占总功率的比例P输，选项D正确4(远距离输电问题)某小型水电站发电机输出的电功率为100 kW，输出电压为250 V，现准备向远处输电所用输电线的总电阻为8 ，要求输电时在输电线上损失的电功率不超过输送电功率的5%.用户获得220 V电压，求应选用匝数比分别为多大的升压变压器和降压变压器？答案11619011解析依题意作出输电示意图如图所示，升压变压器原线圈的电流为I1 A400 A当输电线上损失的电功率为输送电功率的5%时，输电线中的电流为I2，则IR线5%P.所以I2 A25 A升压变压器T1的匝数比为：.则U3U2R线·I23 800所以.题组一减小输电损失的途径1中央电视台焦点访谈多次报道某些边远落后农村电价过高，农民负担过重，其客观原因是电网陈旧老化近来，农村进行电网改造，为减少远距离输电的损耗而降低电费价格可采取的措施有()A提高输送功率 B增大输送电流C提高输电电压 D减小输电导线的横截面积答案C解析电费高低与线路损耗有关，损耗越大，电费越高，减少损耗的途径：一、减小输电导线中的电流，即可提高输电电压；二、减小输电线的电阻，即增大导线的横截面积，故C正确2如图1所示为远距离高压输电的示意图关于远距离输电，下列表述正确的是()图1A增加输电导线的横截面积有利于减少输电过程中的电能损失B高压输电是通过减小输电电流来减少电路的发热损耗的C在输送电压一定时，输送的电功率越大，输电过程中的电能损失越小D高压输电必须综合考虑各种因素，不一定是电压越高越好答案ABD解析依据输电原理，电路中的功率损耗PI2R线，而R线l/S，增大输电导线的横截面积，可减小输电线的电阻，则能够减小输电过程中的电能损失，选项A正确；由P输UI知，在输送功率P输一定的情况下，输送电压U越大，则输电电流I越小，则电路中的功率损耗越小，选项B正确；若输电电压一定，输送功率P输越大，则电流I越大，电路中损耗的电功率越大，选项C错误；因为输电电压越高，对于安全和技术的要求也越高，因此并不是输电电压越高越好，高压输电必须综合考虑各种因素，选项D正确所以该题正确选项为A、B、D.题组二输电线上功率损失的计算3输电线路的总电阻为R，发电站输出功率为P，输电电压为U，则用户得到的功率为()AP BP()2·RCP D()2·R答案B解析用户得到功率P得PI2RP()2·R，所以B正确4发电厂发电机的输出电压为U1，发电厂至用户的输电导线的总电阻为R，通过输电导线的电流为I，输电线末端的电压为U2，下面选项表示输电导线上损耗的功率的是 ()A. B.CI2R DI(U1U2)答案BCD解析输电线上功率损耗PI2RI·U，而UU1U2，故B、C、D正确5输电导线的总电阻为R，输送电功率为P.现分别用U1和U2两种电压来输电，则两次输电线上损失的功率之比为()AU1U2BUUCUU DU2U1答案C解析由PUI得输电线中的电流I.输电线上损失的功率P损I2R()2R，即在输送功率和输电线电阻不变的情况下，损失的功率与输电电压的平方成反比所以两次输电线上损失的功率之比P损1P损2UU，选项C正确6某发电厂原来用11 kV的交变电压输电，后来改用升压变压器将电压升到220 kV输电，输送的电功率都是P.若输电线路的电阻为R，则下列说法中正确的是()A根据公式I，提高电压后输电线上的电流降为原来的B根据公式I，提高电压后输电线上的电流增为原来的20倍C根据公式P损I2RR，提高电压后输电线上的功率损失减为原来的D根据公式P损，提高电压后输电线上的功率损失增大为原来的400倍答案AC解析输电线上电流为I，也可以用I来表示，其中U为输电线电阻R两端的电压，而不是输送电压，故A正确，B错误；输电线上的功率损失为P损I2RR，C正确；如果用P损，则U应为R两端的电压U，故D错误题组三远距离输电问题7某小型水电站的电能输送示意图如图2所示，发电机的输出电压为200 V，输电线总电阻为r，升压变压器原、副线圈匝数分别为n1、n2.降压变压器原、副线圈匝数分别为n3、n4(变压器均为理想变压器)要使额定电压为220 V的用电器正常工作，则()图2A.>B.<C升压变压器的输出电压等于降压变压器的输入电压D升压变压器的输出功率大于降压变压器的输入功率答案AD解析由于输电线上的功率损耗，故升压变压器的输出功率大于降压变压器的输入功率，故选项D正确.，因为U1200 V<U4220 V，U2>U3U2U线，故>，选项A正确8某农村水力发电站的发电机的输出电压稳定，它发出的电先通过电站附近的升压变压器升压，然后用输电线路把电能输送到远处村寨附近的降压变压器经变压器降压后，再用线路接到各用户，设两变压器都是理想变压器，那么在用电高峰期，白炽灯不够亮，但用电总功率增加，这时()升压变压器的副线圈的电压变大高压输电线路的电压损失变大降压变压器的副线圈上的电压变大降压变压器到各用户的输电线上的电压损失变大A B C D答案D解析用电高峰期，用户端总电阻由于并联白炽灯增多而减小，电流增大，又由U损Ir可知，输电导线上的电压损失变大，升压变压器副线圈的电压不变，降压变压器原、副线圈上的电压变小，而降压变压器到各用户的输电线上的电压损失变大故正确答案为D.9一台发电机最大输出功率为4 000 kW，电压为4 000 V，经变压器T1升压后向远方输电，输电线路总电阻R1 k，到目的地经变压器T2降压，负载为多个正常发光的灯泡(220 V、60 W)若在输电线路上消耗的功率为发电机输出功率的10%，变压器T1和T2的损耗可忽略，发电机处于满负荷工作状态，则 ()AT1原、副线圈电流分别为103 A和20 ABT2原、副线圈电压分别为1.8×105 V和220 VCT1和T2的变压比分别为150和401D有6×104盏灯泡(220 V、60W)正常发光答案ABD解析根据题意画出输电线路示意图如图所示对升压变压器有P1U1I1，可知I1103 A，由输电线上消耗的功率PIR线400 kW可知，输电线上电流为I220 A，A项正确；T1的变压比为n1n2I2I1150；根据PU2I2得U22×105 V，输电线上电压U线I2R线20 000 V，则变压器T2的输入电压为U3U2U线1.8×105 V，又灯泡正常发光，可知T2的输出电压U4为220 V，B项正确；T2的变压比为n3n4U3U41.8×105220，C项错误；降压变压器的输入功率等于输出功率U3I360 W·n，解得n6×104，D项正确10某发电站通过燃烧煤来发电发电站通过升压变压器、输电线和降压变压器把电能输送给生产和照明用户，发电机输出功率是120 kW，输出电压是240 V，升压变压器原、副线圈的匝数之比为125，输电线的总电阻为10 ，用户需要的电压为220 V则：(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)4 000 W(2)解析(1)根据理想变压器的变压规律得输电电压U2U1×240 V6 000 V输电电流I2 A20 A输电线上损失的功率PIr202×10 W4 000 W.(2)输电线上损失的电压UI2r20×10 V200 V降压变压器原线圈两端的电压U3U2U6 000 V200 V5 800 V根据理想变压器的变压规律得：.11发电站通过升压变压器、输电导线和降压变压器把电能输送到用户(升压变压器和降压变压器都可视为理想变压器)(1)画出上述输电全过程的线路图；(2)若发电机的输出功率是100 kW，输出电压是250 V，升压变压器的原、副线圈的匝数比为125，求升压变压器的输出电压和输电导线中的电流；(3)在(2)中条件下，若输电导线中的电功率损失为输入功率的4%，求输电导线的总电阻和降压变压器原线圈两端的电压；(4)计算(3)中降压变压器的输出功率答案(1)见解析图(2)6 250 V16 A(3)15.625 6 000 V(4)96 kW解析(1)或(2)对升压变压器，据公式，有U2U1×250 V6 250 VI2 A16 A(3)P损IR线，P损0.04 P1所以：R线 15.625 因为UU2U3I2R线所以U3U2I2R线(6 25016×15.625) V6 000 V(4)P4P1P损0.96P10.96×100 000 W96 000 W96 kW.