高中物理 第二章 交变电流 第七节 电能的输送素材 粤教版选修3-2（通用）

高中物理 第二章 交变电流 第七节 电能的输送素材 粤教版选修3-2（通用）

第七节 电能的输送 ‎ ‎【思维激活】‎ 在我国城镇和农村电网的低压改造已基本结束，由于低压改造使我国广大城乡居民获得了实惠。农村电网改造前，某些村庄经常出现以下现象（离变压器较远的用户），（1）电灯不亮，达不到额定功率，换额定功率越大的灯泡越是不亮；（2）日光灯不能启动；（3）洗衣机没劲等。尤其是过节时现象更明显，这是为什么呢？‎ 提示：低压输电线较细，电阻较大，导线的电压降较大，致使用户末端电压远低于额定电压（有时甚至不高于160V）。到了过节的时候，各家用电器增多，所有用电器都是并联连接，总电阻会更小，线路电流更大，输电导线上分得的电压变多，致使用户电压降低，就会出现上述现象。经过低太改造后，换上了合格的输电导线，以上现象就不明显了。‎ ‎【自主整理】‎ 为什么要采用高压输电 ‎（1）电功率损失：输电导线上有电阻，当电流通过时，由于电流的热效应会引起电功率的损失。可以考虑通过减小输电导线的电阻或减小输送电流来减少电功率的损失。‎ ‎（2）电压损失：导线上的电阻，电流流过电阻会带来电压的损失。对交流电路，由于电流的变化，输电导线上的自感作用会阻碍电流的变化，产生感抗。在空中架设的输电导线与大地之间构成一个电容器，地下电缆或海底电缆与大地或海水之也会构成电容器，交流电通过时会产生容抗。感抗和容抗（也叫电抗）也会造成电压损失。‎ ‎（3）高压输电：减小电阻就要增粗导线，增粗导线有带来两个不利，其一，耗费更多的金属材料；其二，会使电抗更大，造成更大的电压损失。只有采用小电流输电才会避免上述问题，在保证输送功率不变的情况下，减小电流必须靠提升电压来实现。‎ ‎【高手笔记】‎ ‎1.如何把握远距离输电的基本网络和功能关系？‎ 剖析：（1）远距离输送电网基本结构：如图‎2-7-1‎所示 图‎2-7-1‎ ‎（2）输电导线损失的电功率：‎ 由P损=I线2R线可推得 P损=R线 ‎（3）两个基本公式：电压关系U升=U线+U降=IR线+U降 能量关系P出=P线+P降或IU升=I2R线+IU降。‎ 总之，远距离送电的电路属于非纯电阻电路、电功和电势不相等，电功率P=UI，电势功率P线=·r，在送电过程中，不变的是输送的总功率P，输电电流，绝对不能由I=U/R来求电流，这是因为输电线路并非纯电阻电路，且电压U没有全部降在输电线路的电阻R上。‎ ‎2.“提高电压，降低电流”是否与欧姆定律相矛盾？‎ 剖析：不矛盾。欧姆定律是对纯电阻耗能元件成立的定律，而“提高电压，降低电流”是从输送角度，由P=IU，且P一一的条件下得出的结论，两者没有联系。‎ ‎3.高压输电是不是电压越高越好？‎ 剖析：输电线上的电压损失，不但有导线电阻引起的电压损失，而且有电抗引起的电压损失，电抗造成的电压损失随电压的增大而增大，所以高压输电并非电压越高越好。‎ 另外，电压越高，对线路和变压器的技术要求就越高，线路的修建费用就会增多，所以实际输电时，综合考虑各种因素，依照不同的情况，选择适合的输电电压。‎ ‎【名师解惑】‎ ‎1.远距离输电问题的解法 在中学物理中远距离输电问题，由于涉及的物理量多、物理知识多、综合性强而成为学习的重点和难点。为了迅速而准确地分析解答此类问题，应按照下列解法进行。‎ 方法是：先画出输电线路简图，标出涉及的物理量（如图‎2-7-2‎所示）。注意搞清楚在发电厂和用户之间的一升一降变压器，把整个输电线路分成三个彼此绝缘而又通过能量相互紧密联系的电路，再综合运用下面三方面知识求解。‎ 图‎2-7-2‎ ‎（1）能量守恒：P源出=U1I1=U2I2=P热损+P用户+P线损=I22R=U2线/R P用户=U4I4=U3I2‎ ‎（2）电路知识：E=I1r+U1 U2=I2R+U3 U线=I2R ‎（3）变压器知识（理想）：‎ 注意：高压输电电压指图中U2，输电线上损失的电压指导线电阻R上的电压降：U线=I2R ‎2.高压输电是怎样减小线路中功率损失的？‎ 剖析：线路中的电阻是要消耗电能的，电阻越大，流过的电流越大，线路中损耗就越多，根据功率公式P损=I2R可知，减小线路上的功率损失的方法有两个途径：‎ 第一、减小输电导线上的电阻R，据电阻定律R=ρ知，在实际输电线路中，输电导线的长度不能减小，可以用电阻率ρ 小的材料，像用铜和铝等，金、银属贵重金属，做输电导线就不现实了，但在大规模集成电路里是要用这种金属导体的，最后一点是增大导体的横截面积，这又给电路的铺设带来了困难，同时也会消费大量的金属材料。‎ 第二、减小输电电流I，根据公式I=知，要减小电流，减小输送功率是错误的选择，你的目的就是输送电能，再就是在提高电压上做文章，在输送功率一定、输电线电阻一定的条件下，输电电压提高到原来的n倍，根据公式P损=（）2R知。输电线上的功率损失将降为原来是.‎ 探究结论：采用高电压输电是减小输电线上功率损耗最有效、最经济的措施.‎ ‎2.提高电压，就降低了电流，与欧姆定律相矛盾？‎ 剖析：不矛盾。欧姆定律是对纯电阻耗能元件成立的定律，而“提高电压，降低电流”是从输送角度，由P=IU，且P一一的条件下得出的结论，两者没有联系。‎ ‎【讲练互动】‎ 例1.某变电站用220V的电压输电，输电线上的功率损失是输送功率的20%，若要使功率损失降为输送功率的5%，则变电站的输电电压应为多少？‎ 解析：设输送功率为P 送电电压U1=220V，损失ΔP1=20%P 又ΔP1=I21R线，而 则 现要求 由①②式得：‎ 所以U2=2U1=440V 答案：440V ‎【讲练互动】‎ ‎1.有一台内阻为1的发电机，供给一个学校照明用电，如图‎2-7-3‎所示，升压变压器匝数比为1：4，降压变压器匝数比为4：1，输电线的总电阻R=4，全校共有22个班，每班有“220V 40W”的电灯6盏，若保证电灯全部正常发光，求：‎ 图‎2-7-3‎ ‎（1）发电机输出功率多大？‎ ‎（2）发电机电动势多大？‎ ‎（3）输电效率是多少？‎ ‎（4）若使用灯数减半正常发光，则发电机输出功率是否减半？‎ 解析：题中未加特别说明，电压器即理想变压器，发电机的电动势E，一部分降到电源内阻上，另一部分为发电机的路端电压，由此展开分析 ‎（1）对降压变压器 而，‎ 所以A=‎‎6A 对升压变压器 所以P出=5424W。‎ ‎（2）因为，‎ 所以 又因为。‎ ‎（3）‎ ‎（4）电灯减少一半时，n′P灯=2640W 所以 发电机的输出功率减少一半还要多。‎ 答案：（1）5424W ‎（2）250V ‎（3）97%‎ ‎（4）2676W 例2.一台交流发电机的输出电压为250V，输出功率为100kW，向远处输电所用输电线的总电阻为8Ω，要使输电线上的功率损失不超过输送功率的5%，用户正好得到220V的电压，则供电处的升压变压器和用户处的降压器原、副线圈的匝数比各是多少？‎ 解析：升压变压器原线圈两端电压U1=250V，通过的电流A=‎100A。‎ 输电线的功率损失ΔP=5%P=5%×100×103W=5×103W。输电线上电流（通过升压高压器副线圈，降压变压器原线圈的电流）A=‎25A。降压变压器次级电汉（用户电流）A。‎ 升压变压器原、副线圈匝数比，降压变压器原、副线圈匝数比。‎ 答案：‎ 输电导线上功率损失ΔP=I2‎ R，电压损失ΔU=IR，提高输电电压是减小功率损失和电压损失的有效途径。‎ ‎【变式训练】‎ ‎1.发电机输出功率为100kW，输出电压是250V，用户需要的电压是220V，输电线电阻为10，若输电线中因发热而损失的功率为输送功率的4%，试求：在输电线路中设置的升、降压变压器中原、副线圈的匝数比。‎ 解析：输电线因发热损耗的功率为：，输电电流即升压变压器副线圈中的电流为，升压变压器原线圈中的输入电流为：所以升压变压器中原、副线圈的匝数之比为，升压变压器副线圈两端的电压为：输电线路上的损失的电压为：。降压变压器原线圈两端的电压为：所以，降压变压器原、副线圈的匝数比为：‎ 答案：1：20 240：11‎ ‎【体验探究】‎ 家庭电路的引线均有一定电阻（约几欧），因此当家中大功率用电器如空调、电炉工作时，家中原来开着的灯会变暗，下面通过一个简单的测试，可以估算出家庭电路引线部分的电阻，如图‎2-7-4‎所示，用r表示家庭电路引线部分的总电阻，V为两表笔插入插座的交流电压表，M为一个额定功率P的空调（P较大）测试时，先断开所有家庭电路，测得电压为U1，再闭合开关S，测得电压为U2。‎ 图‎2-7-4‎ ‎（1）试推导出估算r的表达式（设电源两端电压保持恒定）。‎ ‎（2）若P=200kW，测得U1=220V，U2=210V，则引线部分总电阻约为多大？‎ ‎【导思】S断开，电压表测电源电压，S闭合，电压表测用电器两端电压。‎ ‎【探究】（1）断开所有家庭电源时，U额=U1，S闭合后，‎ ‎（2）把U1、U2、P的值代入公式得r=1。‎