粵教高中物理選修(3-2)第二章《遠距離輸電》學案
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1、2019最新粵教版高中物理選修(3-2)第二章《遠距離輸電》學案 [學習目標定位]1.理解輸電線上電能的損失與哪些因素有關 .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. 混打啤本溯海推麻方可即知 知識,儲備區(qū) X知識鏈接 1 .電阻定律:在溫度不變時,同種材料的導體,其電阻R與它的長度l成正比,與它的橫截面 積S成反比,導體電阻與構成它的材料有關 ,即R=《. 2 .電功率 P=UI,熱功率 P= I2R. 3 .理想變壓器原、副線圈的三個關系: 新知呈現(xiàn) 一、從發(fā)電站到用戶的輸電線路 遠
2、距離輸電過程:發(fā)電機輸出的電壓通過變壓器升高到幾十萬伏 ,然后進行遠距離輸電.當 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)減小導線的電阻.(2)減小輸電導線中的電流,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. 基礎自學落實 重臣瓦司探究 學習?探究區(qū) 一、降低輸電損耗的兩個途徑 [問題設計] 如圖1所示,假定輸電線路中的電流是 I,兩條導線的總電阻是 r,在圖中導線電阻集中畫為 r, 輸送功率為P發(fā)電廠輸出的電壓為 U.那
3、么: 12 / 10 (1)遠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?功率損失的表達式是什么?降低輸電損耗的兩個途徑 是什么? (3)為什么遠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,當有電流流過輸電線時 ,有一部分電能轉化為電熱而損失掉了.這是 輸電線上功率損失的主要原因. 功率損失表達式: AP= I2r,所以降低輸電損耗的兩個途徑為:①減小輸電線的電阻 r;②減 小輸電電流I. (3)因為發(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. [要點提煉]
4、 輸電線上的電壓損失和功率損失(設輸電線上電阻為 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.AU=U-UI,= IR. 2 .功率損失 (1)遠距離輸電時,輸電線有電阻,電流的熱效應引起功率損失,損失的電功率 AP=I2R. (2)若輸電線上損失的電壓為 A U則功率損失還可以表示為 AP=JzU2 A UI - I. R 3 .減小電壓、功率損失的方法 (1)減小輸電線的電阻 定時,使用電阻率小的材料 ,增大導體橫截面積可減小電阻. (2)減小輸電電流I 由P= UI可知,當輸送功率一定時,升高電壓可以減小電流. [延
5、伸思考]為什么在用電高峰期家中的白熾燈燈光較暗? 答案 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 AU= IR較大,用戶 得到的電壓U —AU變低,達不到額定電壓,因此白熾燈燈光較暗. 二、遠距離輸電電路中的各種關系 [問題設計] 某發(fā)電站向遠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注 ,在這個電路中 包括三個回路. 升壓變壓器 降壓變壓器 圖2 ⑴結合閉合電路的知識,分別分析三個回路中各物理量之間的關系 (發(fā)電機內阻、n1、n2、 n3、n4線圈的電阻均忽略不計). (2)每個變壓器中的電流、電壓、功率有什么關系? 答案 (1)
6、第一個回路:P1=U1I1 第二個回路:U2= AU+U3,P2= AP+P3= I2IR+P3 第三個回路:P4= U4I4 (2)若兩個變壓器為理想變壓器 則有.U1=n1、11=嗎吁P2; U3=n3、里/、P3= , U2 n2 I2 n1 U4 n4 I4 n3 P4. [要點提煉] 遠距離輸電問題的分析 1 .解決遠距離車^電問題時,應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 應位置(參考圖2). 2 .分析三個回路,在每個回路中,變壓器的原線圈是回路的用電器 ,而相應的副線圈是下一個 回路的電源. 3 .綜合運用下面三方面的知識求解 (1
7、)能量守恒: P= U1I1 = U2I2 = P 用戶+ AP AP= I2R P 用戶=U3I3 = U4I4. (2)電路知識:U2= AU+ U3 AU= I2R (3)變壓器知識: U3 I4 n3 U1_I2_n1 U2=I1 =n2 U4 I3 n4- 其中AP= I2R,AU=I2R往往是解題的切入點. X典例精析 一、輸電線上功率損失的計算 【例1 三峽電站某機組輸出的電功率為 50萬千瓦. ⑴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
8、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? 在刀工己 , I”/日? P 5M08 W 斛析⑴由 P=UI 倚 I =U= 2X105 V = 2 500 A (2)輸電線上損失的功率 AP= 12 2r = 2 5002 2M0 W=1.25 108 W 損失功率與輸出功率之比為 1汽 譽=1 P 5X108 4 (3)將電壓升高至 50萬伏時,I = P U 5M08 W 5M05 V =1 000 A 輸電線上損失的功率 AP= I 2 =2r 0002 >2X10 W= 2X107
9、 W 損失功率與輸出功率之比為仁聾7=點 P 5 A108 25 ,一 1 答案 (1)2 500 A (2)1.25 108 W 4 1 (3)1 000 A 2X107 W — 25 二、遠距離輸電問題 【例2 發(fā)電機的輸出電壓為 220 V,輸出功率為44 kW,輸電導線的電阻為 0.2 ◎如果用原、 副線圈匝數(shù)之比為 1 : 10的升壓變壓器升壓,經輸電線后,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; ,求用戶得到的電壓和功率. (2)求用戶得到的電壓和功率; (3)若不經過變壓而直接將電送到用戶 解
10、析(1)示意圖如圖所示 (2)升壓變壓器的輸出電壓 n2 10 U2 = /U1 =彳 X220 V = 2 200 V ,升壓變壓器輸出電流為 根據(jù)升壓變壓器輸出功率等于輸入功率知 P 44 M03 12 = U2- 2 200 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= I2R= 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 n4 1 降壓
11、變壓器上的輸出電壓和輸出電流分別為 U4 = n3U3 = - X2 196 V = 219.6 V n3 I4=n4I3= 10 >20 A = 200 A 用戶得到的功率為 P4= I4U4 = 200X219.6 W= 4.392 104 W (3)若不采用高壓輸電,用220 V低壓直接供電時,電路如圖所示,則 輸電電流I = 1三=44普 A = 200 A,輸電線路上的電壓損失 UR = U1 220 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=
12、200X180 W = 3.6 M04 W 答案 (1)見解析圖 (2)219.6 V 4.392 >104 W (3)180 V 3.6 104 W ⑥課堂要點小結 1輸電的要求:可靠,保質、經濟 減小輸電線上的電壓、/提高輸電電壓 遠距離 輸電 功率損失的方法 減小輸電發(fā)電阻 遠距離輸 電線路 發(fā) 電 站 升壓變壓器 降壓變壓器 用 戶 檢測學習效果慷驗成功快樂 自我?檢測區(qū) 1 .(輸電線上功率損失的計算)(單選)已投產運行的1 000 kV特高壓輸電是目前世界上電壓 最高的輸電工程.假設甲、乙兩地原來用 5
13、00 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)?( ) P P A.4 B.2 C. 2P D. 4P 答案 A 解析 在超高壓輸電中,設輸送電功率為 P輸電電壓為 U,輸電線電阻為 R,則輸電線上損耗 的電功率為P= ?R,當輸電電壓升為原來的 2倍時,輸電線損耗的電功率變?yōu)樵瓉淼?《故 選A. 2 .(輸電線上功率損失的計算)(雙選)在遠距離輸電時,輸送的電功率為 P輸送電壓為U,所用 導線的電阻率為 p橫截面積為S,總長度為L,
14、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用的關系式正確的是 ( ,U2S a. p=r p L C. P用=P-U2S p L 答案 BD P2 P L B P= B U2S D. P用=P(1 — Pp U2S 解析輸電線電阻R=點 P 輸電電流i=u, 故輸電線上損失的電功率為: P= I2R = P2 P L (U)2 S U2S 用戶得到的功率為: E , P P用=P- P=P(1 -詼. 故選B、D. 3 .(遠距離輸電問題)(雙選)在如圖3所示的遠距離輸電電路圖中,升壓變壓器和降壓變壓器 均為理想變壓器
15、,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( ) 升壓變壓器 降壓變壓器 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 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 (AU= 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(AP
16、= I2R)增大,選項C正確;輸電線上損耗的電功 率AP= I2R= ?黑 2R,輸電線上損耗的功率占總功率的比例 .=點^輸,選項D正確. W輸」 P輸U2t 40分鐘課時作業(yè) 題組一減小輸電損失的途徑 1.(單選)中央電視臺《焦點訪談》多次報導某些邊遠落后農村電價過高 ,農民負擔過重,其 客觀原因是電網陳舊老化.近來 ,農村進行電網改造,為減少遠距離輸電的損耗而降低電費價 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.減小輸電導線的橫截面積 答案 C 解析 電費高低與線路損耗有關 ,損耗越大,電費越高,減少損耗的途徑:一、減小輸電導線
17、 中的電流,即可提高輸電電壓;二、減小輸電線的電阻 ,即增大導線的橫截面積,故C正確. ,下列表述正確的是 2.(雙選)如圖1所示為遠距離高壓輸電的示意圖.關于遠距離輸電 ( ) 發(fā)電站 升壓變壓器 圖1 A .增大輸電導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 解析 依據(jù)輸電原理,電路中的功率損耗 AP= I2R線,而R線=pl/S曾大輸電導線的橫截面 積,可減小輸
18、電線的電阻,則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;若輸電電壓一定,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 ,對于安全和技術白^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錯誤.所以該題正確選項為 A、B. 題組二輸電線上功率損失的計算 3.(單選)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 ( ) P A. P B. P一(短2 R
19、 C. P — U2 D. (P)2 R 答案 B P 解析 用尸得到功率P得=P—I2R = P—(石)2 R,所以B正確. 4.(單選)發(fā)電廠發(fā)電機的輸出電壓為 導線的電流為 I,輸電線末端的電壓為 U1,發(fā)電廠至用戶的輸電導線的總電阻為 R,通過輸電 A. U2 R B. UI-U2 2 U2,下面選項不能表示輸電導線上損耗的功率的是 C. I2R D. I(U1—U2) 答案 A 解析 輸電線上功率損耗 AP=I2R = ^U2= I - AU, AU=U1 —U2,本題選A正確. R 5.(單選)輸電導線的總電阻為 R,輸送電功率為 P現(xiàn)分另用U
20、1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. U2 : U2 D. U2 : U1 C. U2 : U2 答案 C 解析由P=UI得輸電線中的電流 在輸送功率和輸電線電阻不變的情況下 i=。輸電線上損失的功率 p損=匹=增/=蕾,即 ,損失的功率與輸電電壓的平方成反比.所以兩次輸 電線上損失的功率之比 P損1 : P損2=U2 : U2,選項C正確. 220 kV 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 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( )
21、 ,_ , P 1 A .根據(jù)公式1=5提高電壓后輸電線上的電流降為原來的 20 B.根據(jù)公式I = U,提高電壓后輸電線上的電流增為原來的 20倍 R 1 400 ,一, … P2 , C.根據(jù)公式P損=I2R = U2R,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=4,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 解析 輸電線上電流為I=UP,也可以用1 =普來表示,其中AU為輸電線上電阻 R兩端的電 壓,而不是輸送電壓,故A正確,B錯誤;輸電線上的功率損失為 P損=I2R = pR,C正確;如 果用P損=U2,則U應
22、為R兩端的電壓A U故D錯誤.
R
題組三 遠距離輸電問題
7 .(雙選)某小型水電站的電能輸送示意圖如圖 2所示,發(fā)電機的輸出電壓為 200 V,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 220 V的用電器正常工作,則( )
升壓變依器 降JK變壓器
An2>n3 n1 n4
n2 n3
B.ni 23、的輸出功率大于降壓變壓器的輸入功率 ,故選
U2 n2 U3 n3 一 小上”2 n3、工工
項 D 正確 ui= m,U4= n4,因為 U1 = 200 V 24、 ③降壓變壓器的副
線圈上的電壓變大 ④降壓變壓器到各用戶的輸電線上的電壓損失變大
A.①② B.②③
C.③④ D.②④
答案 D
解析 用電高峰期 用戶端總電阻由于并聯(lián)白熾燈增多而減小 ,電流增大,又由U損=Ir可知,
輸電導線上的電壓損失變大 ,升壓變壓器副線圈的電壓不變 ,降壓變壓器原、副線圈上的電壓
變小,而降壓變壓器到各用戶的輸電線上的電壓損失變大.故正確答案為 D.
9 .(雙選)一臺發(fā)電機最大輸出功率為 4 000 kW,電壓為4 000 V,經變壓器T1升壓后向遠方
輸電,輸電線路總電阻 R線=1 kQ到目的地經變壓器 T2降壓,負載為多個正常發(fā)光的燈泡
25、(220 V、60 W).若在輸電線路上消耗的功率為發(fā)電機輸出功率的 10%,變壓器T1和T2的
損耗可忽略,發(fā)電機處于滿負荷工作狀態(tài),則( )
103 A 和 20 A
1.8 M05 V 和 220 V
A. T1原、副線圈電流分別為
B. T2原、副線圈電壓分別為
C. T1和T2的變壓比分別為1 : 50和40 : 1
D.有5M04盞燈泡(220 V、60W)正常發(fā)光
答案 AB
解析根據(jù)題意畫出輸電線路示意圖如圖所示.
升壓變壓器 降壓變虛器
對升壓變壓器有 P1 = U1I1,可知11=103 A,由輸電線上消耗的功率 AP= I2R線=400 kW可 26、知,輸電線上電流為I2 = 20 A,A項正確;T1的變壓比為n1 : n2= I2 : I1 = 1 : 50;根據(jù)P1 = U2I2得U2 = 2M05 V,輸電線上電壓 U線=I2R線=20 000 V,則變壓器 T2的輸入電壓為 U3 = U2—U線=1.8 >105 V,又燈泡正常發(fā)光,可知T2的輸出電壓 U4為220 V,B項正確;T2的 變壓比為 n3: n4=U3 : U4=1.8M05 : 220,C項錯誤;降壓變壓器的輸入功率等于輸出功
率U3I3=60 W?n,解得n=6X104,D項錯誤.
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 27、電能輸
送給生產和照明用戶,發(fā)電機輸出功率是 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 ◎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
解析
U1
—=
U2
290
(1)4 000 W (2)不~
(1)根據(jù)理想變壓器的變壓規(guī)律
n1得輸電電壓
n2
U2 = n2U1 =學 X240 V = 6 000 V n1 1
輸電電流12 =看=嚕器A=20 A U2 6 000
輸電線上損失的功率 A P= I2r= 28、 202X10 W=4 000 W.
(2)輸電線上損失的電壓
AU= 12r=20M0 V = 200 V
降壓變壓器原線圈兩端的電壓
U3= U2- AU=6 000 V-200 V = 5 800 V
根據(jù)理想變壓器的變壓規(guī)律得:
n3^= U3 = 5 800 V _ 290
(升壓變壓器和降壓
n7一 U4 — 220 V — 7T.
11 .發(fā)電站通過升壓變壓器、輸電導線和降壓變壓器把電能輸送到用戶
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) 29、比為 1 : 25,求升壓變壓器的輸出電壓和輸電導線中的電流;
4%,求輸電導線的總電阻和降壓
(3)在(2)中條件下若輸電導線中的電功率損失為輸入功率的
16 A
變壓器原線圈兩端的電壓; (4)計算降壓變壓器的輸出功率.
答案 (1)見解析圖 (2)6 250 V (3)15.625 您 000 V (4)96 kW 解析⑴
或
、 r , U2 n2 ,
(2)對升壓變壓器,據(jù)公式 丁 =肉,有
n2 25
U2 = /U1 =— X250 V
=6 250 V
P2 P1 100 000
I2=U2=U2= 6 250 A=16 A
(3)P 損=I2R 線尸損=0.04 P1
0.04P1 4 000
所以:R 線=丁丁 = 762-◎= 15.625
因為 AU=U2-U3 = I2R 線
所以 U3=U2 —I2R 線=(6 250— 16X15.625) V = 6 000 V
(4)P4 = P1 — P 損=0.96P1 = 0.96 100 000 W= 96 000 W= 96 kW.
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