2019-2020年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.doc

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2019-2020年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 [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)律解決實際問題． 一、降低輸電損耗的兩個途徑 [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)有電流流過輸電線時，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：ΔP＝I2r＝r，所以降低功率損耗的兩個途徑為：①減小輸電線的電阻r；②減小輸電電流I，即提高輸送電壓U. [知識梳理]　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ΔU＝U－U′＝IR. (2)功率損失：電流的熱效應(yīng)引起功率損失ΔP＝I2R. (3)減少電壓、功率損失的方法： ①減小電阻：由R＝ρ可知，距離l一定時，使用電阻率小的材料，增大導(dǎo)體橫截面積可減小電阻． ②提高輸送電壓：由P＝UI可知，當(dāng)輸送功率一定時，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P＝I2r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)高壓輸電是通過提高電壓，減小輸電電流來減少電路發(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，在這個電路中包括三個回路． 圖2 (1)結(jié)合閉合電路的知識，分別分析三個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)． (2)若兩個變壓器均為理想變壓器，則每個變壓器中的電流、電壓、功率有什么關(guān)系？ 答案　(1)第一個回路：P1＝U1I1 第二個回路：U2＝ΔU＋U3，P2＝ΔP＋P3＝IR＋P3 第三個回路：P4＝U4I4 (2)＝、＝、P1＝P2；＝、＝、P3＝P4. [知識梳理]　遠(yuǎn)距離輸電過程的幾個基本關(guān)系： (1)功率關(guān)系：P1＝P2，P2＝P線＋P3，P3＝P4，P線＝I2ΔU＝IR. (2)電壓關(guān)系：＝，＝，U2＝U3＋ΔU. (3)電流關(guān)系：n1I1＝n2I2，n3I3＝n4I4，I2＝＝＝. [即學(xué)即用]　判斷下列說法的正誤． (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，若升壓變壓器匝數(shù)比為1∶n，降壓變壓器匝數(shù)比為n∶1，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，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．常用計算公式： (1)ΔP＝I2R，其中I為輸電線路上的電流． (2)ΔP＝ΔUI或ΔP＝，其中ΔU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？ 答案　(1)2500A　(2)1.25108W　 (3)1000A　2107W　 解析　(1)由P＝UI得I＝＝＝2500A (2)輸電線上損失的功率ΔP＝I22r＝25002210W＝1.25108W 損失功率與輸出功率之比為＝＝ (3)將電壓升高至50萬伏時，I′＝＝＝1000A 輸電線上損失的功率ΔP′＝I′22r＝10002210W＝2107W 損失功率與輸出功率之比為＝＝. 二、高壓輸電線路的分析與計算 解決遠(yuǎn)距離輸電問題時，需要畫輸電的電路圖，理清三個回路，抓住兩個聯(lián)系，掌握一個定律． 1．畫圖、理清三個回路(如圖3所示) 圖3 2．抓住兩個聯(lián)系 (1)理想升壓變壓器聯(lián)系回路1和回路2 即＝，I1n1＝I2n2，P1＝P2. (2)理想降壓變壓器聯(lián)系回路2和回路3 即＝，I3n3＝I4n4，P3＝P4 3．掌握一個定律 根據(jù)能量守恒定律得P2＝ΔP＋P3. 例2　如圖4所示，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)，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1∶25. 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)6250V　16A　(2)15.625Ω　6000V 解析　(1)對升壓變壓器，據(jù)公式＝，有 U2＝U1＝250V＝6250V I2＝＝＝A＝16A (2)P損＝IR線，P損＝0.04P1 所以R線＝＝15.625Ω 因為ΔU＝U2－U3＝I2R線 所以U3＝U2－I2R線＝6000V. 1．夏天由于用電器的增多，每年夏天都會出現(xiàn)“用電荒”，只好拉閘限電．若某發(fā)電站在供電過程中，用電高峰時輸電的功率是正常供電時的2倍，輸電線電阻不變，下列說法正確的是(　　) A．若輸送電壓不變，則用電高峰時輸電電流為正常供電時的2倍 B．若輸送電壓不變，則用電高峰時輸電線上損失的功率為正常供電時的2倍 C．若用電高峰時的輸送電壓變?yōu)檎９╇姷?倍，則此時輸電電流為正常供電時的4倍 D．若用電高峰時的輸送電壓變?yōu)檎９╇姷?倍，則此時輸電線損失的功率為正常供電時的4倍 答案　A 解析　高壓輸電時P＝UI，I是輸送電路上的電流．用電高峰時，若輸送電壓不變，則I為正常時的2倍，A正確；輸電線上的熱耗功率ΔP＝I2R線，則熱耗功率變?yōu)檎r的4倍，B錯誤；用電高峰時，若輸送電壓加倍，則I不變，與正常時相同，C錯誤；由ΔP＝I2R線，知熱耗功率不變，D錯誤． 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n1∶n2＝n4∶n3.當(dāng)用戶用電器的總電阻減少時(　　) 圖5 A．U1∶U2＝U4∶U3 B．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n1∶n2＝n4∶n3，知U1∶U2＝U4∶U3，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)ΔU＝Ir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，下列說法中正確的有(　　) 圖6 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 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A錯誤；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(ΔU＝IR)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B錯誤；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(ΔP＝I2R)增大，選項C正確；輸電線上損耗的功率ΔP＝I2R＝2R，輸電線上損耗的功率占總功率的比例＝P輸，選項D正確． 4．如圖7所示為遠(yuǎn)距離交流輸電的簡化電路圖．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7 A．用戶端的電壓為 B．輸電線上的電壓降為U C．理想變壓器的輸入功率為Ir D．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I1U1＝I2U2，所以用戶端的電壓U2＝，選項A正確；輸電線上的電壓降U′＝I1r＝U－U1，選項B錯誤；變壓器的輸入功率P1＝I1U－Ir＝I1U1，選項C錯誤；輸電線路上損失的電功率P′＝Ir＝I1(U－U1)，選項D錯誤． 一、選擇題(1～5題為單選題，6～10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(　　) A．P B．P－()2R C．P－ D．()2R 答案　B 解析　用戶得到的功率P得＝P－I2R＝P－()2R，所以B正確． 3．某水電站，用總電阻為2.5Ω的輸電線輸電給500km外的用戶，其輸出電功率是3106kW.現(xiàn)用500kV電壓輸電，則下列說法正確的是(　　) A．輸電線上輸送的電流大小為2.0105A B．輸電線上由電阻造成的損失電壓為15kV C．若改用5kV電壓輸電，則輸電線上損失的功率為9108kW D．輸電線上損失的功率為ΔP＝，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I＝＝A＝6103A，A項錯誤；輸電線上損失的電壓為U損＝IR＝61032.5V＝1.5104V＝15kV，B項正確；當(dāng)用5kV電壓輸電時，輸電線上損失的功率超過3106kW，與實際情況相矛盾，故C項錯誤；當(dāng)用公式ΔP＝計算損失的功率時，U為輸電線上損失的電壓而不是輸電電壓，D項錯誤． 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u＝Umsinωt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1 A．() B．() C．4r()2()2 D．4r()2()2 答案　C 解析　原線圈電壓的有效值：U1＝，根據(jù)＝可得U2＝，又因為是理想變壓器，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P′＝I22r＝4r22，所以C正確，A、B、D錯誤． 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2 A.＝ B．I2＝ C．I1U1＝IR D．I1U1＝I2U2 答案　D 解析　根據(jù)理想變壓器的工作原理得I1U1＝I2U2、＝.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與下一級變壓器的輸入功率之和．選項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3 A．增加輸電導(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，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ΔP＝I2R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程中的電能損失，選項A正確；由P輸＝UI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C錯誤；因為輸電電壓越高，對于安全和技術(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D正確． 7．下列關(guān)于遠(yuǎn)距離高壓直流輸電的說法中，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′.則下列說法中正確的是(　　) A．輸電線損失功率為()2R B．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U－U′，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4∶1，降壓變壓器副線圈兩端交變電壓u＝220sin(100πt) V，降壓變壓器的副線圈與阻值R0＝11Ω的電阻組成閉合電路．若將變壓器視為理想變壓器，則下列說法中正確的是(　　) 圖4 A．通過R0的電流有效值是20A B．降壓變壓器T2原、副線圈的電壓比為4∶1 C．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11Ω，所以通過R0的電流的有效值是20A，故A正確；因為降壓變壓器T2的原、副線圈匝數(shù)之比為4∶1，所以原、副線圈的電壓之比為4∶1，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5 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 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C錯誤；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D正確.＝，＝，因為U1＝200VU3＝U2－U線，故>，選項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10Ω.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)見解析圖　(2)1∶20　240∶11　(3)96kW 解析　(1)如圖所示 (2)輸電線損失的功率 P損＝P4%＝100kW4%＝4kW. 輸電線電流 I2＝＝A＝20A. 升壓變壓器輸出電壓 U2＝＝V＝5103V. 升壓變壓器原、副線圈匝數(shù)比： ＝＝＝. 電壓損失U損＝I2R線＝2010V＝200V. 降壓變壓器原線圈兩端電壓 U3＝U2－U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＝P－P損＝96kW. 12.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1∶25，輸電線的總電阻為10Ω，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)290∶11 解析　(1)根據(jù)理想變壓器的變壓規(guī)律＝ 得輸電電壓U2＝U1＝240V＝6000V 輸電電流I2＝＝A＝20A 輸電線上損失的電功率 ΔP＝Ir＝20210W＝4000W. (2)輸電線上損失的電壓 ΔU＝I2r＝2010V＝200V 降壓變壓器原線圈兩端的電壓U3＝U2－ΔU＝6000V－200V＝5800V 根據(jù)理想變壓器的變壓規(guī)律得 ＝＝＝.