2022年高二物理下學(xué)期 第3周 遠(yuǎn)距離輸電導(dǎo)學(xué)案

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1、2022年高二物理下學(xué)期 第3周 遠(yuǎn)距離輸電導(dǎo)學(xué)案 一、從發(fā)電站到用戶的輸電線路 遠(yuǎn)距離輸電過程：發(fā)電機(jī)輸出的電壓通過變壓器升高到幾十萬伏，然后進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸電．當(dāng)電能被輸送到用電區(qū)域后，再用變壓器將電壓降低． 二、為什么要用高壓輸電 減小電能損失的方法有兩種：(1)減小導(dǎo)線的電阻．(2)減小輸電導(dǎo)線中的電流，即提高輸電的電壓． 三、直流輸電：現(xiàn)代的直流輸電，只有輸電這個(gè)環(huán)節(jié)使用高壓直流，發(fā)電、用電及升、降電壓仍然是交變電流． 一、降低輸電損耗的兩個(gè)途徑 [問題設(shè)計(jì)] 如圖1所示，假定輸電線路中的電流是I，兩條導(dǎo)線的總電阻是r，在圖中導(dǎo)線電阻集中畫為r，輸送功率為P，發(fā)電廠輸出的

2、電壓為U.那么： 圖1 (1)遠(yuǎn)距離大功率輸電面臨的困難是什么？ (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？降低輸電損耗的兩個(gè)途徑是什么？ (3)為什么遠(yuǎn)距離輸電必須用高壓呢？ 答案　(1)在輸電線上有功率損失． (2)由于輸電線有電阻，當(dāng)有電流流過輸電線時(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． 功率損失表達(dá)式：ΔP＝I2r，所以降低輸電損耗的兩個(gè)途徑為：①減小輸電線的電阻r；②減小輸電電流I. (3)因?yàn)榘l(fā)電廠的輸出功率P是一定的，由P＝UI得，要減小輸電電流I，必須提高輸出電壓U. [要點(diǎn)提煉] 輸電線上的電壓損失和功

3、率損失(設(shè)輸電線上電阻為R，電流為I) 1．電壓損失 輸電線始端電壓U與輸電線末端電壓U′的差值．ΔU＝U－U′＝IR. 2．功率損失 (1)遠(yuǎn)距離輸電時(shí)，輸電線有電阻，電流的熱效應(yīng)引起功率損失，損失的電功率ΔP＝I2R. (2)若輸電線上損失的電壓為ΔU，則功率損失還可以表示為ΔP＝，ΔP＝ΔU·I. 3．減小電壓、功率損失的方法 (1)減小輸電線的電阻 由R＝ρ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． (2)減小輸電電流I 由P＝UI可知，當(dāng)輸送功率一定時(shí)，升高電壓可以減小電流． [延伸思考]　為什么在用電高峰期家中的白熾燈燈光較暗？ 答

4、案　用電高峰期到用戶家中的輸電線電流I較大，輸電線上損失的電壓ΔU＝IR較大，用戶得到的電壓U－ΔU變低，達(dá)不到額定電壓，因此白熾燈燈光較暗． 二、遠(yuǎn)距離輸電電路中的各種關(guān)系 [問題設(shè)計(jì)] 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． 升壓變壓器　　　　降壓變壓器 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)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：P1＝U1I1 第二個(gè)回路：U2＝ΔU＋U3，P2＝ΔP

5、＋P3＝IR＋P3 第三個(gè)回路：P4＝U4I4 (2)若兩個(gè)變壓器為理想變壓器，則有：＝、＝、P1＝P2；＝、＝、P3＝P4. [要點(diǎn)提煉] 遠(yuǎn)距離輸電問題的分析 1．解決遠(yuǎn)距離輸電問題時(shí)，應(yīng)首先畫出輸電的電路圖，并將已知量和待求量寫在電路圖的相應(yīng)位置(參考圖2)． 2．分析三個(gè)回路，在每個(gè)回路中，變壓器的原線圈是回路的用電器，而相應(yīng)的副線圈是下一個(gè)回路的電源． 3．綜合運(yùn)用下面三方面的知識(shí)求解 (1)能量守恒： P＝U1I1＝U2I2＝P用戶＋ΔP ΔP＝IR P用戶＝U3I3＝U4I4. (2)電路知識(shí)：U2＝ΔU＋U3 ΔU＝I2R (3)變壓器知識(shí)：＝＝

6、＝＝. 其中ΔP＝IR，ΔU＝I2R往往是解題的切入點(diǎn)． 一、輸電線上功率損失的計(jì)算 例1　三峽電站某機(jī)組輸出的電功率為50萬千瓦． (1)若輸出的電壓為20萬伏，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？ 解析　(1)由P＝UI得I＝＝＝2 500 A (2)輸電線上損失的功率ΔP＝I2·2r＝2 5002×2×10 W＝1.25×108 W 損失功率與輸出功率之比為＝＝ (3)將電壓

7、升高至50萬伏時(shí)，I′＝＝＝1 000 A 輸電線上損失的功率ΔP′＝I′2·2r＝1 0002×2×10 W＝2×107 W 損失功率與輸出功率之比為＝＝ 答案　(1)2 500 A　(2)1.25×108 W　 (3)1 000 A　2×107 W　 二、遠(yuǎn)距離輸電問題 例2　發(fā)電機(jī)的輸出電壓為220 V，輸出功率為44 kW，輸電導(dǎo)線的電阻為0.2 Ω，如果用原、副線圈匝數(shù)之比為1∶10的升壓變壓器升壓，經(jīng)輸電線后，再用原、副線圈匝數(shù)比為10∶1的降壓變壓器降壓供給用戶，則： (1)畫出全過程的線路示意圖； (2)求用戶得到的電壓和功率； (3)若不經(jīng)過變壓而直接將電送

8、到用戶，求用戶得到的電壓和功率． 解析　(1)示意圖如圖所示 (2)升壓變壓器的輸出電壓 U2＝U1＝×220 V＝2 200 V 根據(jù)升壓變壓器輸出功率等于輸入功率知，升壓變壓器輸出電流為 I2＝＝ A＝20 A 輸電線路上的電壓損失和功率損失分別為 UR＝I2R＝20×0.2 V＝4 V PR＝IR＝202×0.2 W＝80 W 降壓變壓器上的輸入電流和輸入電壓分別為 I3＝I2＝20 A U3＝U2－UR＝2 200 V－4 V＝2 196 V 降壓變壓器上的輸出電壓和輸出電流分別為 U4＝U3＝×2 196 V＝219.6 V I4＝I3＝10×20 A

9、＝200 A 用戶得到的功率為 P4＝I4U4＝200×219.6 W＝4.392×104 W (3)若不采用高壓輸電，用220 V低壓直接供電時(shí)，電路如圖所示，則輸電電流I＝＝ A＝200 A，輸電線路上的電壓損失UR′＝IR＝200×0.2 V＝40 V 所以用戶得到的電壓為 U4′＝U1－UR′＝220 V－40 V＝180 V 用戶得到的功率為P4′＝IU4′＝200×180 W＝3.6×104 W 答案　(1)見解析圖　(2)219.6 V　4.392×104 W (3)180 V　3.6×104 W 第四節(jié)課遠(yuǎn)距離輸電習(xí)題課 1．(輸電線上功率損失的計(jì)算)(

10、單選)中國(guó)已投產(chǎn)運(yùn)行的1 000 kV特高壓輸電是目前世界上電壓最高的輸電工程．假設(shè)甲、乙兩地原來用500 kV的超高壓輸電，輸電線上損耗的電功率為P.在保持輸送電功率和輸電線電阻都不變的條件下，現(xiàn)改用1 000 kV特高壓輸電，若不考慮其他因素的影響，則輸電線上損耗的電功率將變?yōu)?　　) A. B. C．2P D．4P 答案　A 2．(輸電線上功率損失的計(jì)算)(雙選)在遠(yuǎn)距離輸電時(shí)，輸送的電功率為P，輸送電壓為U，所用導(dǎo)線的電阻率為ρ，橫截面積為S，總長(zhǎng)度為L(zhǎng)，輸電線損失的電功率為P′，用戶得到的電功率為P用，則P′、P用的關(guān)系式正確的是 (　　) A．P′＝

11、 B．P′＝ C．P用＝P－ D．P用＝P(1－) 答案　BD 3．(遠(yuǎn)距離輸電問題)(雙選)在如圖3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，下列說法中正確的有(　　) 圖3 A．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 題組一　減小輸電損失的途徑 1．(單選)中央電視臺(tái)《焦點(diǎn)訪談》多次報(bào)導(dǎo)某些邊遠(yuǎn)落后農(nóng)村電價(jià)過高，農(nóng)民負(fù)擔(dān)過重，其客觀原因是電網(wǎng)陳舊老化．近來，農(nóng)村

12、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 2．(雙選)如圖1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1 A．增大輸電導(dǎo)線的橫截面積有利于減少輸電過程中的電能損失 B．高壓輸電是通過減小輸電電流來減少電路的發(fā)熱損耗 C．在輸送電壓一定時(shí)，輸送的電功率越大，輸電過程中的電能損失越小 D．高壓輸電一定是電壓越高越好，所以我們要盡可能地提高輸送電壓 答案　AB 3．(單選)輸電線路的總電阻為R，發(fā)電站輸出功率為P，輸

13、電電壓為U，則用戶得到的功率為(　　) A．P B．P－()2·R C．P－ D．()2·R 答案　B 4．(單選)發(fā)電廠發(fā)電機(jī)的輸出電壓為U1，發(fā)電廠至用戶的輸電導(dǎo)線的總電阻為R，通過輸電導(dǎo)線的電流為I，輸電線末端的電壓為U2，下面選項(xiàng)不能表示輸電導(dǎo)線上損耗的功率的是 (　　) A. B. C．I2R D．I(U1－U2) 答案　A 5．(單選)輸電導(dǎo)線的總電阻為R，輸送電功率為P.現(xiàn)分別用U1和U2兩種電壓來輸電，則兩次輸電線上損失的功率之比為(　　) A．U1∶U2　　　　　　B．U∶U C．U∶U D．U2∶U1

14、 答案　C 6．(雙選)某發(fā)電廠原來用11 kV的交變電壓輸電，后來改用升壓變壓器將電壓升到220 kV輸電，輸送的電功率都是P.若輸電線路的電阻為R，則下列說法中正確的是(　　) A．根據(jù)公式I＝，提高電壓后輸電線上的電流降為原來的 B．根據(jù)公式I＝，提高電壓后輸電線上的電流增為原來的20倍 C．根據(jù)公式P損＝I2R＝R，提高電壓后輸電線上的功率損失減為原來的 D．根據(jù)公式P損＝，提高電壓后輸電線上的功率損失增大為原來的400倍 答案　AC 題組三　遠(yuǎn)距離輸電問題 7．(雙選)某小型水電站的電能輸送示意圖如圖2所示，發(fā)電機(jī)的輸出電壓為200 V，輸電線總電阻為r，升壓變壓器

15、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220 V的用電器正常工作，則(　　) 圖2 A.> 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 8．(單選)某農(nóng)村水力發(fā)電站的發(fā)電機(jī)的輸出電壓穩(wěn)定，它發(fā)出的電先通過發(fā)電站附近的升壓變壓器升壓，然后用輸電線路把電能輸送到遠(yuǎn)處村寨附近的降壓變壓器．經(jīng)變壓器降壓后，再用線路接到各用戶，設(shè)兩變壓器都是理想變壓器，那么在用電高峰期，白熾燈不夠亮，但用電總功率增加，這時(shí)(　　) ①升壓變壓器的副線圈

16、的電壓變大?、诟邏狠旊娋€路的電壓損失變大?、劢祲鹤儔浩鞯母本€圈上的電壓變大?、芙祲鹤儔浩鞯礁饔脩舻妮旊娋€上的電壓損失變大 A．①② B．②③ C．③④ D．②④ 答案　D 9．(雙選)一臺(tái)發(fā)電機(jī)最大輸出功率為4 000 kW，電壓為4 000 V，經(jīng)變壓器T1升壓后向遠(yuǎn)方輸電，輸電線路總電阻R線＝1 kΩ，到目的地經(jīng)變壓器T2降壓，負(fù)載為多個(gè)正常發(fā)光的燈泡(220 V、60 W)．若在輸電線路上消耗的功率為發(fā)電機(jī)輸出功率的10%，變壓器T1和T2的損耗可忽略，發(fā)電機(jī)處于滿負(fù)荷工作狀態(tài)，則 (　　) A．T1原、副線圈電流分別為103 A和20 A B．T2原、副

17、線圈電壓分別為1.8×105 V和220 V C．T1和T2的變壓比分別為1∶50和40∶1 D．有5×104盞燈泡(220 V、60W)正常發(fā)光 答案　AB 10．某發(fā)電站通過燃燒煤來發(fā)電．發(fā)電站通過升壓變壓器、輸電線和降壓變壓器把電能輸送給生產(chǎn)和照明用戶，發(fā)電機(jī)輸出功率是120 kW，輸出電壓是240 V，升壓變壓器原、副線圈的匝數(shù)之比為1∶25，輸電線的總電阻為10 Ω，用戶需要的電壓為220 V．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)4 000 W　(2) 解析　(1)根據(jù)理想變壓器的變壓規(guī)律 ＝得輸電電壓

18、 U2＝U1＝×240 V＝6 000 V 輸電電流I2＝＝ A＝20 A 輸電線上損失的功率ΔP＝Ir＝202×10 W＝4 000 W. (2)輸電線上損失的電壓 ΔU＝I2r＝20×10 V＝200 V 降壓變壓器原線圈兩端的電壓 U3＝U2－ΔU＝6 000 V－200 V＝5 800 V 根據(jù)理想變壓器的變壓規(guī)律得： ＝＝＝. 11．發(fā)電站通過升壓變壓器、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)． (1)畫出上述輸電全過程的線路圖； (2)若發(fā)電機(jī)的輸出功率是100 kW，輸出電壓是250 V，升壓變壓器的原、副線圈的匝數(shù)

19、比為1∶25，求升壓變壓器的輸出電壓和輸電導(dǎo)線中的電流； (3)在(2)中條件下若輸電導(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； (4)計(jì)算降壓變壓器的輸出功率． 答案　(1)見解析圖　(2)6 250 V　16 A (3)15.625 Ω　6 000 V　(4)96 kW 解析　(1) 或 (2)對(duì)升壓變壓器，據(jù)公式＝，有 U2＝U1＝×250 V ＝6 250 V I2＝＝＝ A＝16 A (3)P損＝IR線，P損＝0.04 P1 所以：R線＝＝ Ω＝15.625 Ω 因?yàn)棣＝U2－U3＝I2R線 所以U3＝U2－I2R線＝(6 250－16×15.625) V＝6 000 V (4)P4＝P1－P損＝0.96P1＝0.96×100 000 W＝96 000 W＝96 kW.