高中物理 55电能的输送教案.docx

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高中物理55电能的输送教案

5．5电能的输送

【教学目标】

（一）知识与技能

1．知道“便于远距离输送”是电能的优点，知道输电过程。

2．知道降低输电损耗的两个途径。

3．了解电网供电的优点和意义。

（二）过程与方法

通过思考、讨论、阅读，培养学生阅读、分析、综合和应用能力

（三）情感、态度与价值观

1．培养学生遇到问题要认真、全面分析的科学态度。

2．介绍我国远距离输电概况，激发学生投身祖国建设的热情。

【教学重点】

找出影响远距离输电损失的因素，使学生理解高压输电可减少功率与电压损失。

【教学难点】

理解高压输电原理，区别导线上的输电电压U和损失电压ΔU。

【教学方法】

自学讨论法、阅读法、讲解法。

【教学工具】

投影仪、投影片

【教学过程】

（一）引入新课

师：

人们常把各种形式的能（如水流能、燃料化学能、核能）先转化为电能再进行传输，这是因为电能可以通过电网来传输，那么电能在由电厂传输给用户过程中要考虑什么问题？

这节课我们就来学习远距离输电的知识，请同学们认真仔细地阅读教材，回答老师提出的下列问题（屏幕上打出）。

生：

阅读并展开激烈的讨论。

（二）进行新课

1．降低输电损耗的两个途径

师：

输送电能的基本要求是什么？

生：

输送电能的基本要求是：

可靠、保质、经济。

可靠，是指保证供电线路可靠地工作，少有故障和停电。

保质，就是保证电能的质量，即电压和频率稳定。

经济是指输电线路建造和运行的费用低，电能损耗小。

师：

远距离大功率输电面临的困难是什么？

生：

在输电线上有功率损失。

师：

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？

生1：

由于输电线有电阻，当有电流流过输电线时，有一部分电能转化为电热而损失掉了。

这是输电线上功率损失的主要原因。

生2：

设输电电流为I，输电线的电阻为r，则功率损失为ΔP=I2r.

生3：

根据功率损失的表达式ΔP=I2r可知，要减少输电线上的功率损失，有两种方法：

其一是减小输电线的电阻；其二是减小输电电流。

师：

如何减小输电线的电阻呢？

生：

根据电阻定律可知r=ρ

，要减小输电线的电阻r，可采用下述方法：

①减小材料的电阻率ρ.银的电阻率最小，但价格昂贵，目前选用电阻率较小的铜或铝作输电线.

②减小输电线的长度l不可行，因为要保证输电距离.

③增加导线的横截面积，可适当增大横截面积。

太粗不可能，既不经济又架设困难。

师：

如何减小输电线中的电流呢？

阅读并回答教材49页“思考与讨论”中的问题。

生：

在输电功率一定的条件下，根据P=UI可知，要减小输电线中的电流I，必须提高输电电压U，这就是采用高压输电的道理。

师：

以上两个途径中，哪一个对于降低输电线路的损耗更有效？

举例说明。

生：

采用高压输电。

在输电电流一定的情况下，线路电阻减为原来的一半，线路中损耗的功率减为原来的

。

在线路电阻一定的情况下，电压提高一倍，线路中的电流减为一半，而损耗的功率减为原来的

。

师：

大型发电机发出的电压不符合远距离输电的要求，怎么办？

而到达目的地的电压也不符合用户的要求，怎么办？

生：

在发电机处用升压变压器升高电压，在用户处用降压变压器降低电压.

师：

投影片展示我国远距离高压输电情况及远距离高压输电的原理。

如下图所示。

设发电机的输出功率为P，则功率损失为ΔP=I22R

用户得到的功率为P用=P-ΔP.

输电线路上的电压损失为：

ΔU=I2R，则U3=U2-ΔU.

师：

目前，我国常用的远距离输电采用的电压有哪几种？

生：

有110kV、220kV、330kV，输电干线采用500kV的超高压，西北电网正在建设750kV的线路。

师：

是不是输电电压越高越好？

为什么？

生：

不是。

电压越高，对输电线路和变压器的要求越高，建设费用越高。

实际输送电能时，要综合考虑，如输送功率的大小、距离的远近、技术和经济要求等，要依照不同情况选择合适的输电电压。

2．电网供电

师：

采用电网供电的优点是什么？

生：

可以在能源产地使用大容量发电机组，降低一次能源的输送成本，获得最大的经济效益。

同时，电网可以减少断电的风险，调剂不同地区电力供需平衡，保障供电质量。

3．例题精讲

（投影例题）

例某交流发电机输出功率为5×10.5W，输出电压为U=1.0×10.3V，假如输电线的总电阻R=10Ω，在输电线上损失的电功率等于输电功率的5%，用户使用电压U=380V.

（1）画出输电线路的示意图（下图）。

（标明各部分的符号）

（2）所用升压和降压变压器的原、副线圈的匝数比是多少？

（使用的变压器是理想变压器）

解析：

引导学生画出电路。

引导学生写出各部分关系式

U∶U1=n1∶n2I2∶I1=n1∶n2

U2∶U用=n1′∶n2′I3∶I2=n1′∶n2′

U1=U损+U2P=P损+P用户P损=I22·R

解：

I1=

=500A

P损=5%P=5%×5×105W=2.5×104W

P损=I22R

I2=

=50A

I3=

=

=

所以

（三）课堂总结、点评

通过本节学习，主要学习以下问题：

1．降低输电损耗的两个途径：

减小线路电阻和减小输电电流。

减小输电电流是最有效的途径。

远距离输电线路上，P损=I2r=

，其中（I=

）。

采用高压输电可以达到减小输电电流的目的。

2．电网供电的优点

（四）实例探究

1、高压输电的优点

【例1】远距离输送交变电流都采用高压输电。

我国西北电网正在建设750kV线路。

采用高压输电的优点是（）

A．可节省输电线的铜材料

B．可根据需要调节交流电的频率

C．可减少输电线上的能量损耗

D．可加快输电的速度

解析：

远距离输电过程中，由于电流的热效应，输电线上发生热损耗，根据焦耳定律，损耗功率P损=I2R=（

）2R，式中P为输电功率，U为输电电压，R为输电线电阻，在P、R不变时，P损∝（

）2，所以采用高压输电可减少输电线上的能量损耗，当P损、P不变时，R∝U2，又R=ρ

，联立得输电线横截面积S∝

.采用高压输电，在损耗功率不变的情况下可使输电线横截面积大大减小而节省输电线铜材料.选项A、C正确

点评：

在远距离输送电能计算线路功率损耗时常用关系式P损=I线2R线计算.其原因是I线较易求出：

I线=P送/U送，而P送=I送U送或P损=U线2/R线则不常用，其原因是在一般条件下，U线不易求出，且易把U线和U送相混淆而造成错误。

2、远距离输电的过程

【例2】某小型水电站发电机输出的电功率为100kW，输出电压250V，现准备向远处输电，所用输电线的总电阻为8Ω，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220V电压.求应选用匝数比为多大的升压变压器和降压变压器？

（理想变压器）

解析：

画出高压输电线路图如图所示

设升压变压器原线圈电流为I1，电压为U1，有U1=250V，

I1=

A=400A.

升压变压器副线圈电流为I2，当输电线上损失功率为输送功率的5%时，有

ΔP=I22r线=5%P

I2=

A=25A

因此升压变压器的匝数比

降压变压器副线圈中的电流为I4，用户得到的功率P′=P-ΔP=95%P

又P′=U4I4

所以I4=

A=431.8A.

而降压变压器原线圈电流I3=I2=25A

所以，降压变压器匝数比

.

点评：

解决传输电问题时，应注意:

①根据输电情况画出传输电路图.②注意传输功率P，线路损失功率ΔP和用户得到功率P′及传输电压、线路损失电压和用户得到电压的区别和联系，根据需要选用它们不同表示形式。

（五）巩固练习

1．交流输电线路中形成电压损失的主要原因是（）

A．输电导线具有电阻B．输电导线具有容抗

C．输电导线具有感抗D．以上说法均不正确

答案：

ABC

2．交流输电线路中形成功率损失的主要原因（）

A．一定是输电导线具有电阻B．一定是输电导线具有容抗

C．一定是输电导线具有感抗D．以上说法均不正确

答案：

A

点评：

电能的主要损耗是电热。

3．在远距离输电过程中，为减少输电线路上的电能损失，可采用的最佳方法是（）

A．使输电线粗一些B．减短输电线长度

C．减少通电时间D．采用高压输电

答案：

D

点评：

从造成电能损失的原因分析。

4．远距离输送一定功率的交变电流，若输电电压提高到原来的n倍，则下列说法中正确的是（）

A．输电线上的电流变为原来的n倍

B．输电线上的电压损失变为原来的1/n2

C．输电线上的电功率损失变为原来的1/n

D．若输电线上的电功率损失不变，输电线路长度可变为原来的n2倍

解析：

P=UI，当U变为n倍时，I变为原来的

；电压降：

ΔU=

R线；

电功率损失：

P损=（

）2R线①

输电线电阻R=ρ

，当l变为n2倍时，电阻增大n2倍，由①式知P损不变。

答案：

D

点评：

输送功率不变，电流和电压成反比。

5．下列关于减小远距离输电导线上热损耗的说法中，正确的是（）

A．因为热功率P=

，所以应降低输送电压，增大输电导线电阻，才能减小输电导线上的热损耗

B．因为热功率P=IU，所以应采用低电压、小电流输电，才能减小输电导线上的热损耗

C．因为热功率P=I2R，所以可采用减小输电线电阻或减小输送电流的方法来减小输电导线上的热损耗

D．以上说法均不正确

解析：

不能盲目看公式，要注意其物理意义的表达，在求热损耗时：

P损=I线2R线或用P热=U线I线，也可用P=

，但U必须为输电线两端的电压.

答案：

C

点评：

弄清P热=I2R中各量的含义。

6．发电厂发电机的输出电压为U1，发电厂至学校的输电导线的总电阻为R，通过导线的电流为I，学校得到的电压为U2，则输电导线上损耗的功率可表示为（）

A．

B．

C．I2RD．I（U1-U2）

答案：

BCD

点评：

弄清P热=I2R中各量的含义。

7．用U1=U和U2=kU两种电压来输送电能，若输送的功率相同，在输电线上损失的功率相同，导线的长度和材料也相同，则在两种情况下导线的横截面积S1∶S2为（）

A．k∶1B．1∶kC．k2∶1D．1∶k2

解析：

输电电流：

I=

，能量损失：

P损=I2R=I2ρ

，所以S=

所以：

S∝

，所以：

S1∶S2=（kU）2∶U2=k2∶1.

答案：

C

点评：

输电线的电阻R=ρ

。

8．远距离输电时，输送电压为6000V，功率为500kW，这时，安装在输电线路起点和终点的电能表一昼夜里读数相差4800kW·h，则输电效率为多大？

输电导线的电阻为多少？

解析：

由能的转化与守恒定律可知：

η=

×100%=（1-

）×100%=60%

因为：

P损=P×40%，P损=

·r

所以：

r=

Ω≈28.8Ω

点评：

电能表的读数差值就是输电线上电能的损耗。

9．山区小水电站发电机的输出功率为100kW，输出电压为250V，从发电机到用户之间输电线的总电阻为8Ω，要使输电线上的功率损失为输出功率的5%，而用户得到的电压恰好为220V.在发电机两端先用升压变压器升压，到用户再用降压变压器把电压降低，不考虑线圈的感抗和其他影响，求这两个变压器的匝数比n1∶n2和n3∶n4各是多少？

解析：

升压变压器原线圈中的电流为I1=

=

A=400A，输电线路的热损耗功率为P损=5%P=5000W，则升压变压器副线圈中的电流为I2=

=

A=25A，

故n1∶n2=I2∶I1=1∶16.

升压变压器副线圈两端电压为U2=

U1=

×250V=4000V，降压变压器原线圈两端电压应为U3=U2-IR=4000V-25A×8Ω=3800V，故对降压变压器n3∶n4=U3∶U4=3800∶220=190∶11

点评：

画出一个输电线路草图，搞清输送功率、线路损耗功率，用户得到功率的关系；输电电压、损失电压、用户得到的电压等几个电压的关系是关键。

（六）课余作业

1．阅读教材“科学漫步”和“STS”栏目中的文章。

2．书面完成P48“问题与练习”第3、4、5、6题；思考并回答第1、2题。

资料袋

求解输电问题的思路

由于发电机本身的输出电压不可能提高，所以采用高压输电时，在发电站内需用升压变压器升压后再由输电线输出，到用电区再用降压变压器降到所需的电压，在解答有关远距离输电问题时，首先要将整个电路分成几段进行研究，找出跟各段电路相应的物理量；然后利用变压器工作原理和直流电路的基本定律分段列式，最后联立求解，进行计算.另外，还需注意以下几点：

（1）因为输电距离不变，所以输电线长度一定。

（2）发电机的输出功率通常认为是恒定的。

（3）输电导线上的电能损失往往要求不能超过某一规定值。

（4）记熟两个基本公式：

电压关系：

U升=U降+ΔU=IR线+U降

能量关系：

P出=P损+P降=I2R线+IU降=IU升