河北省邢台市高中物理第五章交变电流

河北省邢台市高中物理第五章交变电流

‎5.5 电能的输送 ‎ ‎【学习目标】‎ ‎1.理解输电线上电能的损失与哪些因素有关.‎ ‎2.理解减小电能损失的两个途径以及高压输电的原理.‎ ‎3.3.知道远距离输电的典型电路，并能利用变压器和电路的规律解决实际问题．‎ 一、降低输电损耗的两个途径 ‎[问题设计]‎ 如图1所示，假定输电线路中的电流是I，两条导线的总电阻是r，在图中把导线电阻集中画为r，输送功率为P，发电厂输出的电压为U.那么：‎ 图1‎ ‎(1)远距离大功率输电面临的困难是什么？‎ ‎(2)输电线上功率损失的原因是什么？功率损失的表达式是什么？降低输电损耗的两个途径是什么？‎ ‎(3)为什么远距离输电必须用高压呢？‎ ‎[要点提炼]‎ 输电线上的电压损失和功率损失(设输电线上电阻为R，电流为I)‎ ‎1．电压损失 输电线始端电压U与输电线末端电压U′的差值．ΔU＝U－U′＝IR.‎ ‎2．功率损失 ‎(1)远距离输电时，输电线有电阻，电流的热效应引起功率损失，损失的电功率ΔP＝I2R.‎ ‎(2)若输电线上损失的电压为ΔU，则功率损失还可以表示为ΔP＝，ΔP＝ΔU·I.‎ ‎3．减小电压、功率损失的方法 ‎(1)减小输电线的电阻 由R＝ρ可知，距离l一定时，使用电阻率小的材料，增大导体横截面积可减小电阻．‎ ‎(2)减小输电电流I 由P＝UI可知，当输送功率一定时，升高电压可以减小电流．‎ ‎[延伸思考] 为什么在用电高峰期家中的白炽灯灯光较暗？‎ 二、远距离输电电路中的各种关系 ‎[问题设计]‎ 某发电站向远处送电的示意图如图2所示，其中各部分的物理量已在图上标注，在这个电路中包括三个回路．‎ 图2‎ ‎(1)结合闭合电路的知识，分别分析三个回路中各物理量之间的关系(发电机内阻、n1、n2、n3、n4线圈的电阻均忽略不计)．‎ ‎(2)每个变压器中的电流、电压、功率有什么关系？‎ ‎[要点提炼]‎ 远距离输电问题的分析 ‎1．远距离输电基本原理 在发电站内用 升压，然后进行远距离输电，在用电区通过 降到所需的电压．‎ ‎2．解决远距离输电问题时，应首先画出输电的电路图，如图3所示，并将已知量和待求量写在电路图的相应位置．‎ 图3‎ ‎3．分析三个回路，在每个回路中，变压器的原线圈是回路的用电器，而相应的副线圈是下一个回路的电源．‎ ‎4．综合运用下面三方面的知识求解 ‎(1)能量守恒：‎ P＝U1I1＝U2I2＝P用户＋ΔP ΔP＝IR P用户＝U3I3＝U4I4.‎ ‎(2)电路知识：U2＝ΔU＋U3‎ ΔU＝I2R ‎(3)变压器知识：＝＝ ＝＝.‎ 其中ΔP＝IR，ΔU＝I2R往往是解题的切入点．‎ 一、输电线上功率损失的计算 例1 超导材料电阻降为零的温度称为临界温度.1987年我国科学家制成了临界温度为90 K的高温超导材料，利用超导材料零电阻的性质，可实现无损耗输电．现有一直流电路，输电线的总电阻为0.4 Ω，它提供给用电器的电功率为40 kW，电压为800 V．如果用临界温度以下的超导电缆替代原来的输电线，保持供给用电器的功率和电压不变，那么节约的电功率为( )‎ A．1 kW B．1.6×103 kW C．1.6 kW D．10 kW 例2 三峡电站某机组输出的电功率为50万千瓦．‎ ‎(1)若输出的电压为20万伏，则输电线上的电流为多少？‎ ‎(2)某处与电站间每根输电线的电阻为10欧，则输电线上损失的功率为多少？它占输出功率的几分之几？‎ ‎(3)若将电压升高至50万伏，输电线上的电流为多少？输电线上损失的功率又为多少？它占输出功率的几分之几？‎ 二、远距离输电问题 例3 某小型水电站的电能输送示意图如图4所示，发电机的输出电压为200 V，输电线总电阻为r，升压变压器原、副线圈匝数分别为n1、n2.降压变压器原、副线圈匝数分别为n3、n4(变压器均为理想变压器)．要使额定电压为220 V的用电器正常工作，则( )‎ 图4‎ A.> B.< C．升压变压器的输出电压等于降压变压器的输入电压 D．升压变压器的输出功率大于降压变压器的输入功率 例4 发电机的输出电压为220 V，输出功率为44 kW，输电导线的电阻为0.2 Ω，如果用原、副线圈匝数之比为1∶10的升压变压器升压，经输电线后，再用原、副线圈匝数比为10∶1的降压变压器降压供给用户，则：‎ ‎(1)画出全过程的线路示意图；‎ ‎(2)求用户得到的电压和功率；‎ ‎(3)若不经过变压而直接将电送到用户，求用户得到的电压和功率．‎ ‎1．(输电线上功率损失的计算)中国已投产运行的1 000 kV特高压输电是目前世界上电压最高的输电工程．假设甲、乙两地原来用500 kV的超高压输电，输电线上损耗的电功率为P.在保持输送电功率和输电线电阻都不变的条件下，现改用1 000 kV特高压输电，若不考虑其他因素的影响，则输电线上损耗的电功率将变为( )‎ A. B. C．2P D．4P ‎2．(输电线上电压损失问题)照明供电线路的路端电压基本上是保持不变的，可是我们在晚上七、八点钟用电高峰时开灯，电灯比深夜时要显得暗些，这是因为用电高峰时 ( )‎ A．总电阻比深夜时大，干路电流小，每盏灯分到的电压较小 B．总电阻比深夜时大，干路电流小，每一支路的电流较小 C．总电阻比深夜时小，干路电流大，输电线上损失的电压大 D．干路电流一定，支路比深夜时多，分去了一部分电流 ‎3．(远距离输电问题)在如图5所示的远距离输电电路图中，升压变压器和降压变压器均为理想变压器，发电厂的输出电压和输电线的电阻均不变，随着发电厂输出功率的增大，下列说法中正确的有( )‎ 图5‎ A．升压变压器的输出电压增大 B．降压变压器的输出电压增大 C．输电线上损耗的功率增大 D．输电线上损耗的功率占总功率的比例增大 ‎4．(远距离输电问题)某小型水电站发电机输出的电功率为100 kW，输出电压为250 V，现准备向远处输电．所用输电线的总电阻为8 Ω，要求输电时在输电线上损失的电功率不超过输送电功率的5%.用户获得220 V电压，求应选用匝数比分别为多大的升压变压器和降压变压器？‎ 题组一 减小输电损失的途径 ‎1．中央电视台《焦点访谈》多次报道某些边远落后农村电价过高，农民负担过重，其客观原因是电网陈旧老化．近来，农村进行电网改造，为减少远距离输电的损耗而降低电费价格可采取的措施有( )‎ A．提高输送功率 B．增大输送电流 C．提高输电电压 D．减小输电导线的横截面积 ‎2．如图1所示为远距离高压输电的示意图．关于远距离输电，下列表述正确的是( )‎ 错误！未找到引用源。图1‎ A．增加输电导线的横截面积有利于减少输电过程中的电能损失 B．高压输电是通过减小输电电流来减少电路的发热损耗 C．在输送电压一定时，输送的电功率越大，输电过程中的电能损失越小 D．高压输电必须综合考虑各种因素，不一定是电压越高越好 题组二 输电线上功率损失的计算 ‎3．输电线路的总电阻为R，发电站输出功率为P，输电电压为U，则用户得到的功率为 A．P B．P－()2·R C．P－ D．()2·R ‎4．发电厂发电机的输出电压为U1，发电厂至用户的输电导线的总电阻为R，通过输电导线的电流为I，输电线末端的电压为U2，下面选项表示输电导线上损耗的功率的是 ( )‎ A. B. C．I2R D．I(U1－U2)‎ ‎5．输电导线的总电阻为R，输送电功率为P.现分别用U1和U2两种电压来输电，则两次输电线上损失的功率之比为( )‎ A．U1∶U2 B．U∶U C．U∶U D．U2∶U1‎ ‎6．某发电厂原来用11 kV的交变电压输电，后来改用升压变压器将电压升到220 kV输电，输送的电功率都是P.若输电线路的电阻为R，则下列说法中正确的是( )‎ A．根据公式I＝，提高电压后输电线上的电流降为原来的 B．根据公式I＝，提高电压后输电线上的电流增为原来的20倍 C．根据公式P损＝I2R＝R，提高电压后输电线上的功率损失减为原来的 D．根据公式P损＝，提高电压后输电线上的功率损失增大为原来的400倍 题组三 远距离输电问题 ‎7．如图2所示，图甲是远距离输电线路的示意图，图乙是发电机输出电压随时间变化的图象，则( )‎ 图2‎ A．用户用电器上交流电的频率是100 Hz B．发电机输出交流电的电压有效值是500 V C．输电线上的电流只由降压变压器原、副线圈的匝数比决定 D．当用户用电器的总电阻增大时，输电线上损失的功率减小 ‎8．如图3所示为远距离交流输电的简化电路图．发电厂的输出电压是U，用等效总电阻是r的两条输电线输电，输电线路中的电流是I1，其末端间的电压为U1.在输电线与用户间连有一理想变压器，流入用户端的电流是I2.则( )‎ 图3‎ A．用户端的电压为 B．输电线上的电压降为U C．理想变压器的输入功率为Ir D．输电线路上损失的电功率为I1U ‎9．一台发电机最大输出功率为4 000 kW，电压为4 000 V，经变压器T‎1升压后向远方输电，输电线路总电阻R＝1 kΩ，到目的地经变压器T2降压，负载为多个正常发光的灯泡(220 V、60 W)．若在输电线路上消耗的功率为发电机输出功率的10%，变压器T1和T2的损耗可忽略，发电机处于满负荷工作状态，则 ( )‎ A．T1原、副线圈电流分别为‎103 A和‎20 A B．T2原、副线圈电压分别为1.8×105 V和220 V C．T1和T2的变压比分别为1∶50和40∶1‎ D．有6×104盏灯泡(220 V、60W)正常发光 ‎10．某发电站通过燃烧煤来发电．发电站通过升压变压器、输电线和降压变压器把电能输送给生产和照明用户，发电机输出功率是120 kW，输出电压是240 V，升压变压器原、副线圈的匝数之比为1∶25，输电线的总电阻为10 Ω，用户需要的电压为220 V．则：‎ ‎(1)输电线上损失的电功率为多少？‎ ‎(2)降压变压器原、副线圈的匝数比为多少？‎ ‎11．发电站通过升压变压器、输电导线和降压变压器把电能输送到用户(升压变压器和降压变压器都可视为理想变压器)‎ ‎(1)画出上述输电全过程的线路图；‎ ‎(2)若发电机的输出功率是100 kW，输出电压是250 V，升压变压器的原、副线圈的匝数比为1∶25，求升压变压器的输出电压和输电导线中的电流；‎ ‎(3)在(2)中条件下，若输电导线中的电功率损失为输入功率的4%，求输电导线的总电阻和降压变压器原线圈两端的电压；‎ ‎(4)计算(3)中降压变压器的输出功率．‎