2017-2018高中物理 第二章 交變電流 第七節(jié) 遠(yuǎn)距離輸電學(xué)案 粵教版選修3-2

第七節(jié)遠(yuǎn)距離輸電學(xué)習(xí)目標(biāo)1.理解輸電線上電能的損失與哪些因素有關(guān).2.理解減小電能損失的兩個(gè)途徑以及高壓輸電的原理.3.知道遠(yuǎn)距離輸電的典型電路，并能利用變壓器和電路的規(guī)律解決實(shí)際問(wèn)題一、降低輸電損耗的兩個(gè)途徑導(dǎo)學(xué)探究如圖1所示，假定發(fā)電廠輸出的電壓為U，輸送功率為P，輸電線路中的電流是I，兩條導(dǎo)線的總電阻是r.那么：圖1(1)用戶得到的電能與發(fā)電廠輸出的電能相等嗎？(2)輸電線上功率損失的原因是什么？功率損失的表達(dá)式是什么？降低功率損耗有哪些途徑？答案(1)不相等，由能量守恒知，發(fā)電廠輸出的電能等于用戶得到的電能與輸電線上損失的電能之和(2)由于輸電線有電阻，當(dāng)有電流流過(guò)輸電線時(shí)，有一部分電能轉(zhuǎn)化為電熱而損失掉了，這是輸電線上功率損失的主要原因功率損失的表達(dá)式：PI2rr，所以降低功率損耗的兩個(gè)途徑為：減小輸電線的電阻r；減小輸電電流I，即提高輸送電壓U.知識(shí)梳理減小輸電線損耗的方法：(1)電壓損失：輸電線始端電壓U與末端電壓U的差值UUUIR.(2)功率損失：電流的熱效應(yīng)引起功率損失PI2R.(3)減少電壓、功率損失的方法：減小電阻：由R可知，距離l一定時(shí)，使用電阻率小的材料，增大導(dǎo)體橫截面積可減小電阻提高輸送電壓：由PUI可知，當(dāng)輸送功率一定時(shí)，升高電壓可以減小電流，即采用高壓輸電即學(xué)即用判斷下列說(shuō)法的正誤(1)輸電線上電功率的損失，與輸電線的電阻成正比，與輸電電流的平方成正比()(2)由P可知，輸電電壓越小，輸電線上的損失就越小()(3)由PI2r可知，減小輸電線的電阻和降低輸電電流可減小輸電損失()(4)高壓輸電是通過(guò)提高電壓，減小輸電電流來(lái)減少電路發(fā)熱損耗的()答案(1)(2)×(3)(4)二、遠(yuǎn)距離輸電電路中的各種關(guān)系導(dǎo)學(xué)探究某發(fā)電站向遠(yuǎn)處送電的示意圖如圖2所示，其中各部分的物理量已在圖上標(biāo)注，在這個(gè)電路中包括三個(gè)回路圖2(1)結(jié)合閉合電路的知識(shí)，分別分析三個(gè)回路中各物理量之間的關(guān)系(發(fā)電機(jī)內(nèi)阻、n1、n2、n3、n4線圈的電阻均忽略不計(jì))(2)若兩個(gè)變壓器均為理想變壓器，則每個(gè)變壓器中的電流、電壓、功率有什么關(guān)系？答案(1)第一個(gè)回路：P1U1I1第二個(gè)回路：U2UU3，P2PP3IRP3第三個(gè)回路：P4U4I4(2)、P1P2；、P3P4.知識(shí)梳理遠(yuǎn)距離輸電過(guò)程的幾個(gè)基本關(guān)系：(1)功率關(guān)系：P1P2，P2P線P3，P3P4，P線I2UIR.(2)電壓關(guān)系：，U2U3U.(3)電流關(guān)系：n1I1n2I2，n3I3n4I4，I2.即學(xué)即用判斷下列說(shuō)法的正誤(1)使用變壓器進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸電，用戶得到的電壓可以高于發(fā)電機(jī)輸出的電壓()(2)遠(yuǎn)距離輸電時(shí)，若升壓變壓器匝數(shù)比為1n，降壓變壓器匝數(shù)比為n1，則升壓變壓器的輸入電壓和降壓變壓器的輸出電壓相等()(3)電廠與用戶離得越遠(yuǎn)，用戶得到的交流電的頻率與電廠發(fā)出的交流電的頻率小得越多()(4)遠(yuǎn)距離輸電時(shí)，輸送電壓越高越好()答案(1)(2)×(3)×(4)×一、輸電線上功率損失的計(jì)算輸電線路上的功率損失，主要是輸電線電阻發(fā)熱造成的損失常用計(jì)算公式：(1)PI2R，其中I為輸電線路上的電流(2)PU·I或P，其中U為輸電線上的電壓損失例1三峽水電站某機(jī)組輸出的電功率為50萬(wàn)千瓦(1)若輸出的電壓為20萬(wàn)伏，則輸電線上的電流為多少？(2)某處與電站間每根輸電線的電阻為10歐，則輸電線上損失的功率為多少？它占輸出功率的幾分之幾？(3)若將電壓升高至50萬(wàn)伏，輸電線上的電流為多少？輸電線上損失的功率又為多少？它占輸出功率的幾分之幾？答案(1)2500A(2)1.25×108W(3)1000A2×107W解析(1)由PUI得I2500A(2)輸電線上損失的功率PI2·2r25002×2×10W1.25×108W損失功率與輸出功率之比為(3)將電壓升高至50萬(wàn)伏時(shí)，I1000A輸電線上損失的功率PI2·2r10002×2×10W2×107W損失功率與輸出功率之比為.二、高壓輸電線路的分析與計(jì)算解決遠(yuǎn)距離輸電問(wèn)題時(shí)，需要畫輸電的電路圖，理清三個(gè)回路，抓住兩個(gè)聯(lián)系，掌握一個(gè)定律1畫圖、理清三個(gè)回路(如圖3所示)圖32抓住兩個(gè)聯(lián)系(1)理想升壓變壓器聯(lián)系回路1和回路2即，I1n1I2n2，P1P2.(2)理想降壓變壓器聯(lián)系回路2和回路3即，I3n3I4n4，P3P43掌握一個(gè)定律根據(jù)能量守恒定律得P2PP3.例2如圖4所示，發(fā)電站通過(guò)升壓變壓器、輸電導(dǎo)線和降壓變壓器把電能輸送到用戶(升壓變壓器和降壓變壓器都可視為理想變壓器)，若發(fā)電機(jī)的輸出功率是100kW，輸出電壓是250V，升壓變壓器的原、副線圈的匝數(shù)比為125.圖4(1)求升壓變壓器的輸出電壓和輸電導(dǎo)線中的電流；(2)若輸電導(dǎo)線中的電功率損失為輸入功率的4%，求輸電導(dǎo)線的總電阻和降壓變壓器原線圈兩端的電壓答案(1)6250V16A(2)15.6256000V解析(1)對(duì)升壓變壓器，據(jù)公式，有U2U1×250V6250VI2A16A(2)P損IR線，P損0.04P1所以R線15.625因?yàn)閁U2U3I2R線所以U3U2I2R線6000V.1夏天由于用電器的增多，每年夏天都會(huì)出現(xiàn)“用電荒”，只好拉閘限電若某發(fā)電站在供電過(guò)程中，用電高峰時(shí)輸電的功率是正常供電時(shí)的2倍，輸電線電阻不變，下列說(shuō)法正確的是()A若輸送電壓不變，則用電高峰時(shí)輸電電流為正常供電時(shí)的2倍B若輸送電壓不變，則用電高峰時(shí)輸電線上損失的功率為正常供電時(shí)的2倍C若用電高峰時(shí)的輸送電壓變?yōu)檎９╇姷?倍，則此時(shí)輸電電流為正常供電時(shí)的4倍D若用電高峰時(shí)的輸送電壓變?yōu)檎９╇姷?倍，則此時(shí)輸電線損失的功率為正常供電時(shí)的4倍答案A解析高壓輸電時(shí)PUI，I是輸送電路上的電流用電高峰時(shí)，若輸送電壓不變，則I為正常時(shí)的2倍，A正確；輸電線上的熱耗功率PI2R線，則熱耗功率變?yōu)檎r(shí)的4倍，B錯(cuò)誤；用電高峰時(shí)，若輸送電壓加倍，則I不變，與正常時(shí)相同，C錯(cuò)誤；由PI2R線，知熱耗功率不變，D錯(cuò)誤2(多選)如圖5為遠(yuǎn)距離輸電示意圖，發(fā)電機(jī)的輸出電壓U1和輸電線的電阻、理想變壓器匝數(shù)均不變，且n1n2n4n3.當(dāng)用戶用電器的總電阻減少時(shí)()圖5AU1U2U4U3B用戶的電壓U4增加C輸電線上損失的功率增大D用戶消耗的功率等于發(fā)電機(jī)的輸出功率答案AC解析根據(jù)，以及n1n2n4n3，知U1U2U4U3，故A正確用戶用電器總電阻減小，則電流增大，所以輸電線上的電流增大，根據(jù)P損I2r知，輸電線上損耗的功率增大，根據(jù)UIr知，輸電線上的電壓損失變大，發(fā)電機(jī)的輸出電壓不變，則升壓變壓器的輸出電壓不變，降壓變壓器的輸入電壓變小，用戶的電壓U4減小，故C正確，B錯(cuò)誤用戶消耗的功率等于發(fā)電機(jī)的輸出功率與輸電線上損失的功率之差，故D錯(cuò)誤3(多選)在如圖6所示的遠(yuǎn)距離輸電電路圖中，升壓變壓器和降壓變壓器均為理想變壓器，發(fā)電廠的輸出電壓和輸電線的電阻均不變，隨著發(fā)電廠輸出功率的增大，下列說(shuō)法中正確的有()圖6A升壓變壓器的輸出電壓增大B降壓變壓器的輸出電壓增大C輸電線上損耗的功率增大D輸電線上損耗的功率占總功率的比例增大答案CD解析發(fā)電廠的輸出電壓不變，升壓變壓器的輸入電壓不變，輸出電壓不變，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；隨著發(fā)電廠輸出功率的增大，輸電線中電流增大，輸電線上損失的電壓(UIR)增大，降壓變壓器的輸入電壓減小，降壓變壓器的輸出電壓減小，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；隨著發(fā)電廠輸出功率的增大，輸電線中電流增大，輸電線上損耗的功率(PI2R)增大，選項(xiàng)C正確；輸電線上損耗的功率PI2R2R，輸電線上損耗的功率占總功率的比例P輸，選項(xiàng)D正確4如圖7所示為遠(yuǎn)距離交流輸電的簡(jiǎn)化電路圖發(fā)電廠的輸出電壓是U，用等效總電阻是r的兩條輸電線輸電，輸電線路中的電流是I1，其末端間的電壓為U1.在輸電線與用戶間連有一理想變壓器，流入用戶端的電流是I2.則()圖7A用戶端的電壓為B輸電線上的電壓降為UC理想變壓器的輸入功率為IrD輸電線路上損失的電功率為I1U答案A解析根據(jù)理想變壓器的工作原理，得I1U1I2U2，所以用戶端的電壓U2，選項(xiàng)A正確；輸電線上的電壓降UI1rUU1，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；變壓器的輸入功率P1I1UIrI1U1，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；輸電線路上損失的電功率PIrI1(UU1)，選項(xiàng)D錯(cuò)誤一、選擇題(15題為單選題，610題為多選題)1農(nóng)村進(jìn)行電網(wǎng)改造，為減少遠(yuǎn)距離輸電的損耗而降低電費(fèi)價(jià)格可采取的措施有()A提高輸送功率B增大輸送電流C提高輸電電壓D減小輸電導(dǎo)線的橫截面積答案C解析電費(fèi)高低與線路損耗有關(guān)，損耗越大，電費(fèi)越高，減少損耗的途徑：一、減小輸電導(dǎo)線中的電流，即提高輸電電壓；二、減小輸電線的電阻，即增大輸電導(dǎo)線的橫截面積，故C正確2輸電線路的總電阻為R，發(fā)電站輸出功率為P，輸電電壓為U，則用戶得到的功率為()APBP()2·RCPD()2·R答案B解析用戶得到的功率P得PI2RP()2·R，所以B正確3某水電站，用總電阻為2.5的輸電線輸電給500km外的用戶，其輸出電功率是3×106kW.現(xiàn)用500kV電壓輸電，則下列說(shuō)法正確的是()A輸電線上輸送的電流大小為2.0×105AB輸電線上由電阻造成的損失電壓為15kVC若改用5kV電壓輸電，則輸電線上損失的功率為9×108kWD輸電線上損失的功率為P，U為輸電電壓，R為輸電線的電阻答案B解析輸電線上輸送的電流為IA6×103A，A項(xiàng)錯(cuò)誤；輸電線上損失的電壓為U損IR6×103×2.5V1.5×104V15kV，B項(xiàng)正確；當(dāng)用5kV電壓輸電時(shí)，輸電線上損失的功率超過(guò)3×106kW，與實(shí)際情況相矛盾，故C項(xiàng)錯(cuò)誤；當(dāng)用公式P計(jì)算損失的功率時(shí)，U為輸電線上損失的電壓而不是輸電電壓，D項(xiàng)錯(cuò)誤4圖1為遠(yuǎn)距離輸電示意圖，兩變壓器均為理想變壓器，升壓變壓器T的原、副線圈匝數(shù)分別為n1、n2，在T的原線圈兩端接入一電壓uUmsint的交流電源，若輸送電功率為P，輸電線的總電阻為2r，不考慮其他因素的影響，則輸電線上損失的電功率為()圖1A()B()C4r()2()2D4r()2()2答案C解析原線圈電壓的有效值：U1，根據(jù)可得U2，又因?yàn)槭抢硐胱儔浩?，所以T的副線圈的輸出功率等于原線圈的輸入功率P，所以輸電線上的電流I，輸電線上損失的電功率為PI22r4r22，所以C正確，A、B、D錯(cuò)誤5遠(yuǎn)距離輸電的原理圖如圖2所示，升壓變壓器原、副線圈的匝數(shù)分別為n1、n2，電壓分別為U1、U2，電流分別為I1、I2，輸電線上的總電阻為R.變壓器為理想變壓器，則下列關(guān)系式中正確的是()圖2A.BI2CI1U1IRDI1U1I2U2答案D解析根據(jù)理想變壓器的工作原理得I1U1I2U2、.U2不是加在R兩端的電壓，故I2.而I1U1等于R上消耗的功率IR與下一級(jí)變壓器的輸入功率之和選項(xiàng)D正確6如圖3所示為遠(yuǎn)距離高壓輸電的示意圖關(guān)于遠(yuǎn)距離輸電，下列表述正確的是()圖3A增加輸電導(dǎo)線的橫截面積有利于減少輸電過(guò)程中的電能損失B高壓輸電是通過(guò)減小輸電電流來(lái)減少電路的發(fā)熱損耗C在輸送電壓一定時(shí)，輸送的電功率越大，輸電過(guò)程中的電能損失越小D高壓輸電必須綜合考慮各種因素，不一定是電壓越高越好答案ABD解析依據(jù)輸電原理，電路中的功率損耗PI2R線，而R線，增大輸電導(dǎo)線的橫截面積，可減小輸電線的電阻，從而能夠減小輸電過(guò)程中的電能損失，選項(xiàng)A正確；由P輸U(kuò)I知，在輸送功率P輸一定的情況下，輸送電壓U越大，則輸電電流I越小，則電路中的功率損耗越小，選項(xiàng)B正確；若輸送電壓一定，輸送功率P輸越大，則電流I越大，電路中損耗的電功率越大，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；因?yàn)檩旊婋妷涸礁?，?duì)于安全和技術(shù)的要求也越高，因此并不是輸電電壓越高越好，高壓輸電必須綜合考慮各種因素，選項(xiàng)D正確7下列關(guān)于遠(yuǎn)距離高壓直流輸電的說(shuō)法中，正確的是()A直流輸電系統(tǒng)只在輸電環(huán)節(jié)是直流，而在發(fā)電環(huán)節(jié)和用電環(huán)節(jié)是交流B直流輸電系統(tǒng)只在發(fā)電環(huán)節(jié)和用電環(huán)節(jié)是直流，而在輸電環(huán)節(jié)是交流C整流器將交流變直流，逆變器將直流變交流D逆變器將交流變直流，整流器將直流變交流答案AC解析直流輸電系統(tǒng)由整流站、直流線路和逆變站三部分組成，在整流站通過(guò)整流器將交流電變換為直流電，在逆變站利用逆變器將直流電變換為交流電因此選項(xiàng)A、C正確8輸送功率為P，輸送電壓為U，輸電線電阻為R，用戶得到的電壓為U.則下列說(shuō)法中正確的是()A輸電線損失功率為()2RB輸電線損失功率為C用戶得到的功率為D用戶得到的功率為答案ABD解析送電電流為I，損失電壓為UU，則損失功率可表示為以下幾種形式：P損I2R()2R，A正確；P損，B正確；用戶功率為P用IU，P用，D正確，C錯(cuò)誤9某小型水電站的電能輸送示意圖如圖4所示，發(fā)電機(jī)通過(guò)升壓變壓器T1和降壓變壓器T2向用戶供電已知輸電線的總電阻為R，降壓變壓器T2的原、副線圈匝數(shù)之比為41，降壓變壓器副線圈兩端交變電壓u220sin(100t) V，降壓變壓器的副線圈與阻值R011的電阻組成閉合電路若將變壓器視為理想變壓器，則下列說(shuō)法中正確的是()圖4A通過(guò)R0的電流有效值是20AB降壓變壓器T2原、副線圈的電壓比為41C升壓變壓器T1的輸出電壓等于降壓變壓器T2的輸入電壓D升壓變壓器T1的輸出功率大于降壓變壓器T2的輸入功率答案ABD解析降壓變壓器副線圈兩端交變電壓有效值為220V，負(fù)載電阻為11，所以通過(guò)R0的電流的有效值是20A，故A正確；因?yàn)榻祲鹤儔浩鱐2的原、副線圈匝數(shù)之比為41，所以原、副線圈的電壓之比為41，故B正確；由于輸電線有電阻導(dǎo)致降壓變壓器T2的輸入電壓低于升壓變壓器T1的輸出電壓，故C錯(cuò)誤；升壓變壓器T1的輸入與輸出功率相等，降壓變壓器T2的輸入與輸出功率也相等，但升壓變壓器T1的輸出功率大于降壓變壓器T2的輸入功率，原因是輸電線上電阻消耗功率，故D正確10.某小型水電站的電能輸送示意圖如圖5所示，發(fā)電機(jī)的輸出電壓為200V，輸電線總電阻為r，升壓變壓器原、副線圈匝數(shù)分別為n1、n2，降壓變壓器原、副線圈匝數(shù)分別為n3、n4(變壓器均為理想變壓器)要使額定電壓為220V的用電器正常工作，則()圖5A.>B.<C升壓變壓器的輸出電壓等于降壓變壓器的輸入電壓D升壓變壓器的輸出功率大于降壓變壓器的輸入功率答案AD解析由于輸電線上的電壓損失，故升壓變壓器的輸出電壓大于降壓變壓器的輸入電壓，故選項(xiàng)C錯(cuò)誤；由于輸電線上的功率損耗，故升壓變壓器的輸出功率大于降壓變壓器的輸入功率，故選項(xiàng)D正確.，因?yàn)閁1200V<U4220V，U2>U3U2U線，故>，選項(xiàng)A正確二、非選擇題11.風(fēng)力發(fā)電作為新型環(huán)保能源，近年來(lái)得到了快速發(fā)展，如圖6所示的風(fēng)車陣中發(fā)電機(jī)輸出功率為100kW，輸出電壓是250V，用戶需要的電壓是220V，輸電線總電阻為10.若輸電線因發(fā)熱而損失的功率為輸送功率的4%，試求：圖6(1)畫出此輸電線路的示意圖；(2)在輸電線路中設(shè)置的升、降壓變壓器原、副線圈的匝數(shù)比；(3)用戶得到的電功率答案(1)見(jiàn)解析圖(2)12024011(3)96kW解析(1)如圖所示(2)輸電線損失的功率P損P×4%100kW×4%4kW.輸電線電流I2A20A.升壓變壓器輸出電壓U2V5×103V.升壓變壓器原、副線圈匝數(shù)比：.電壓損失U損I2R線20×10V200V.降壓變壓器原線圈兩端電壓U3U2U損4800V.降壓變壓器原、副線圈匝數(shù)比.(3)用戶得到的電功率P用PP損96kW.12.某發(fā)電站通過(guò)燃燒煤來(lái)發(fā)電發(fā)電站通過(guò)升壓變壓器、輸電線和降壓變壓器把電能輸送給工廠和照明用戶，發(fā)電機(jī)輸出功率是120kW，輸出電壓是240V，升壓變壓器原、副線圈的匝數(shù)比為125，輸電線的總電阻為10，用戶需要的電壓為220V則：(1)輸電線上損失的電功率為多少？(2)降壓變壓器原、副線圈的匝數(shù)比為多少？答案(1)4000W(2)29011解析(1)根據(jù)理想變壓器的變壓規(guī)律得輸電電壓U2U1×240V6000V輸電電流I2A20A輸電線上損失的電功率PIr202×10W4000W.(2)輸電線上損失的電壓UI2r20×10V200V降壓變壓器原線圈兩端的電壓U3U2U6000V200V5800V根據(jù)理想變壓器的變壓規(guī)律得.13