2021-2022学年人教版物理选择性必修第二册学案：第三章 4电能的输送

4.电能的输送

课程标准素养目标

1.了解输电线上电能损失的影响因素和远距离高压

输电的原理。（物理观念）

知道远距离输电2.知道远距离输电线路的基本构成，会对简单的远

时通常米用局压距离输电线路进行计算。（科学思维）

输电的原因。3.探究电压损失、功率损失的关系。（科学探究）

4.知道交变电流从发电站到用户的输电过程。（科学

态度与责任）

必备知识•自主学习

一、降低输电损耗的两个途径

情境思考、

我国很多发电厂建在能源聚集的西部地区，而用电量大的城市多在东

部沿海地区。

探讨：从发电厂到用电量大的区域的远距离输电中，如何减少电能的

损耗？

提示：（1）减少输电线的电阻。

(2)减少输电线中的电流。

1.输送电能的基本要求：

(1)可靠：指保证供电线路可靠地工作,少有故障。

(2)保质：保证电能的质量—电压和频率稳定。

(3)经济：指输电线路建造和运行的费用低，电能损耗少。

2.降低输电损耗的两个途径：

要减少输电线路上的功率损失，由公式P损=I2R线知，必须减小输电

线电阻或减小输电电流。

(1)要减小电阻，从R=P(看，在输电距离一定的情况下，可以增

大导线的横截面积，但过粗的导线会耗费太多的金属材料，同时也给

铺设线路带来困难；还可以选用电阻率较小的导体。

(2)从公式P二UI来看，在保证功率不改变的情况下，要减小输电

电流就必须提高输电电压。

3.高压输电：

(1)现代远距离输电都采用高压输电。目前我国远距离送电采用的

电压有

110kV、220kV、330kV,输电干线已采用500kV和750kV的超高

压，西北电网甚至达到1100kV的特高压。

(2)高压输电并不是越高越好。电压越高，对输电线路绝缘性能和

变压器的要求就越高，线路修建费用会增多。

(3)实际输送电能时要综合考虑输送功率、距离、技术和经济等要

求选择合适的输电电压。

二、电网供电

1.远距离输电基本原理：

在发电站内用升压变压器升压，然后进行远距离输电，在用电区域通

过隆压变压器降到所需的电压。

2.电网：

通过网状的输电线、变电站,将许多电厂和广大用户连接起来，形成

全国性或地区性的输电网络。

3.电网输电的优点：

(1)降低一次能源的运输成本，获得最大的经济效益。

(2)减小断电的风险，调剂不同地区电力供需的平衡，保障供电的

质量。

(3)合理调度电力，使电力的供应更加可靠，质量更高。

(4)关于电能的输送

解释符合科学实际的有：①③。

①输电线上电功率的损失，与输电线的电阻成正比，与输电线电流的

平方成正比。

②由P=*可知，输电电压越小，输电线上电功率的损失就越小。

③使用变压器进行远距离输电，用户得到的电压可以高于发电机输出

的电压。

④远距离输电时，若升压变压器匝数比为1：n,降压变压器匝数比

为n：1,则升压变压器的输入电压和降压变压器的输出电压相等。

【易错辨析】

(1)输电线上电功率的损失，与输电线的电阻成正比，与输电线电

流的平方成正比。(d)

(2)由P=4可知，输电电压越小，输电线上的电功率损失就越小。

(x)

(3)使用变压器进行远距离输电，用户得到的电压可以高于发电机

输出的电压。(4)

(4)远距离输电时，若升压变压器匝数比为1：n,降压变压器匝数

比为n：1,则升压变压器的输入电压和降压变压器的输出电压相等。

(x)

关键能力•合作学习

知识点一电能输送中的电压损失和电能损耗

1.输电线上的电功率损失：

(1)原因：输电导线有电阻R线，电流流过输电线时，电流的热效

应引起电功率的损失。

U叁

(2)计算式：①P线=FR线；②P线二U线I；③P线二o

R线

2.输电线上的电压损失：

若用u表示输电线始端电压，U表示输电线末端电压，则U线=U-

U或

U线=IR线。

3.电压损失与输电电压的关系：

如果远距离输电的电功率P不变，输电电压为U,输电导线电阻为R

线，则输电导线上发热损失的功率P损=FR线=(1)2R线，因此输

电电压若提高到nU,则P损将降低为原来的*0

问题探究、

如图所示，假定发电厂输出的电压为U,输送功率为P,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r1

P

发

-4ZZL

电NP用

厂户

(1)用户两端的电压是多大？

(2)用户得到的电能与发电厂输出的电能相等吗？

(3)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?

降低功率损耗有哪些途径？

p

提小：(1)U=U-AU=U-ur0

(2)不相等，由能量守恒知，发电厂输出的电能等于用户得到的电

能与输电线上损失的电能之和。

(3)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。

p2

功率损失表达式：AP二R二看］，所以降低功率损耗的两个途径为：

①减小输电线的电阻r；②减小输电电流I,即提高输电电压U。

产典例示范二

【典例】某变电站用220V的电压输电，导线上损失的功率为输送功

率的20%。若要使导线上损失的功率降为输送功率的5%,则输电电

压应为多少？

【解题探究】

降低功率损耗方便、可行的途径是什么？

提示：减小输电电流I,即提高输电电压Uo

设输送功率为p,输电电压U1=220V时，损失功率AP1=20%P

_P

又因为AP1=ITR线，11=5

P2

解得APi二正'R线

p2

现要求同理线

AP2=5%P,AP2=^TR

Ap20%U；

因此可得送

=苏=uf

所以

U2=2UI=440VO

答案：440V

。规律方法、、计算输电线上功率损失的两种方法

计算输电线上损失的功率时，要注意区分两个电压：输电电压(输电

线始端的电压)U和输电线上的损失电压AU0

2

(1)P损=AUI=叽AU,AU是输电线两端的电压，即输电线上损失

R线

的电压。

p

(2)P损=(])2R线，U是指输电电压，即从发电站发出后，经过

变压器升高后的电压。

/素养训练“

1.(母题追问)在【典例】中，若输电电压不变，输电线的电阻应变

为原来的多少倍？

提示：AP=12R线，贝U祟二用引R线14

1

R线2

输电线的电阻应变为原来的;0

2.中国输电工程目前是世界上电压最高的假设甲、乙两地原来用500

kV的超高压输电，在保持输送电功率和输电线电阻都不变的条件下,

现改用1000kV特高压输电，不考虑其他因素的影响。则()

A.输电电流变为原来的2倍

B.输电线上降落的电压将变为原来的2倍

c.输电线上降落的电压将变为原来的;

D.输电线上损耗的电功率将变为原来的;

选Co根据输送电功率P输=U输I输及P输不变可知，输电电流I输=

——P输8十1，当u输变为原来的2倍时,1输变为原来的1与,选项A错

u输U输乙

误；输电线上降落的电压U降二I输R线0cl输，所以，当输电电流变为

原来的g时，输电线上降落的电压也变为原来的;,选项B错误，C

正确；输电线上损耗的电功率p损二嗡R线8篇,所以输电线上损

耗的电功率将变为原来的（,选项D错误。

3.（多选）（2020.全国II卷）特高压输电可使输送中的电能损耗和电

压损失大幅降低。我国已成功掌握并实际应用了特高压输电技术。假

设从A处采用

550kV的超高压向B处输电，输电线上损耗的电功率为AP,到达B

处时电压下降了AU0在保持A处输送的电功率和输电线电阻都不变

的条件下，改用

1100kV特高压输电，输电线上损耗的电功率变为AP\到达B处时

电压下降了AU；不考虑其他因素的影响，则（）

A.APr=|APB.APr=1AP

C.AU'=|AUD.AUf=1AU

选A、Do由电功率公式得AP=12R,输电线上电压下降AU=IR,

p

输电电流为I=u，在输送的电功率和输电线电阻都不变时，U变为

原来的2倍,电流变为原来的;，则AP，=]AP,AU=；AU,选项

A、D正确，B、C错误。

教师专用

远距离输电，输电功率一定，当输电电压为Uo时，输电线上的

电流为Io，损失的电功率为Poo则当输电电压提高为2U0时（）

A.由1=£得，输电线上的电流变为210

K

pT

B.由1=，得，输电线上的电流变为与

C.由P=唱得，输电线上损失的电功率为4Po

K

D.由P=UI得，输电线上损失的电功率为2P0

选Bo设输电线的电阻为R,当输电线上的电流为I。时，损失的电功

P

率为Po=gRo当输电电压提高为2Uo时，由I二行可知输电线上的

电流变为冷,输电线上损失的电功率为P损=(段)2R=J，故选

项B正确。

知识点二远距离高压输电过程的分析与计算

1.远距离输电的几个基本关系式：

(1)功率关系：P1=P2,P2=P损+P3,P3=P4o

(2)电压关系噌琮,U2=U线+U3虚=>

(3)电流关系《若,b=I线=天*=>

(4)输电电流：1线点点嗡U2-U3

R线

..、U叁

(5)输电导线上损耗的电功率：P损=P2-P3=I套R线==u线1

R线

线。

(6)输电导线上的电压损失：U线二I线R线=U2-5。

2.两个联系：

(1)线圈1(匝数为m)和线圈2(匝数为山)中各个量间的关系是:

Uini

瓦,Im=上必，Pi=P2。

(2)线圈3(匝数为n3)和线圈4(匝数为山)中各个量间的关系是:

=

U；mU3n3=l4n4,P3=P4o

3.掌握一个定律：

根据能量守恒定律得P2=AP+P3e

问题探究、

某发电站向远处送电的示意图如图所示,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。

(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、nK山、山、山线圈的电阻均忽略不计I

(2)若两个变压器均为理想变压器，则每个变压器中的电流、电压、

功率有什么关系？

提示：(1)第一个回路：Pi=UJ

第二个回路：

U2=AU+U3,P2=AP+P3=4R+P3

第三个回路：p4=U4I4

Z?Ui_niII_n2p_p.5』I3_n4

(2)5-、L一口'Pi*,。-n4'I4一必'P3-P4

企典例示范入

【典例】发电机两端的电压为220V①，输出功率为44kW②，输电导

线的总电阻为0.2Q③，如果用原、副线圈匝数比为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。

(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送给用户，求用户得到的电压和功率。

【审题关键】

序号解题依据信息提取

①交变电流的规律输电电压220V

②理想笠压器的规律输出功率4.4xl()4w

③电阻的特点输电线电阻R线=0.2Q

(1)线路示意图如图甲所示

(2)由图甲可知，升压变压器副线圈两端的输出电压

U2=^Ui=2200Vo

ni

据理想变压器P入=P出，

则升压变压器副线圈的输出电流

P44xl03

[2=瓦=^200-A=20A,

输电线上的功率损失和电压损失分别为

P损二芯R线=202x0.2W=80W,

U损=LR线=20x0.2V=4V,

所以降压变压器原线圈的输入电压和电流分别为

U3=U2-U损=2200V-4V=2196V,

I3=12=20A

降压变压器副线圈的输出电压和电流分别为

1141

U=-U=77；X2196V=219.6V,

4ng103'

I=-I=10x20A=200A

41143

用户得到的功率为

4

P4=U4I4=219.6x200W=4.392X10Wo

(3)若直接给用户供电，

线路示意图如图乙所示，

rR线

发电机Ui=220V5'用户

乙

3

则输电电流I'二#p=4节4x1需0A=200A。

Uizzu

输电线路上的电压损失

U'损二I'R线=200x0.2V=40Vo

所以用户得到的电压

\J2'=Ui-U'损=220V-40V=180Vo

用户得到的功率为

P'=UzT=180x200W=3.6xl04W

答案：(1)见解+析图(2)219.6V4.392X104W

(3)180V3.6x104w

。规律方法、处理远距离输电的方法技巧

(1)画好一张图——远距离输电示意图

(2)抓住电两端—发电站和用户

(3)分析一条线—输电线

(4)研究两次变—升压变压器升压和降压变压器降压

(5)区分三个量——输送电压(功率1损失电压(功率X用户电

压(功率)

＞素养训练.

1.(2021.江苏适应性测试)小明分别按照图1和图2电路探究远距离

输电的输电损耗，将长导线卷成相同的两卷A、B来模拟输电线路，

忽略导线的自感作用。其中「为理想升压变压器，T2为理想降压变

压器，两次实验中使用的灯泡相同，灯泡的电压相等。两次实验中

()

A.都按直流电源

B.A两端的电压相等

C.A损耗的功率相等

D.图1中A的电流较大

选Do变压器不能改变直流电电压，A错误；两次灯泡电压相等，电

流也一定相等，因为乎所以图1流过A的电流大于图2流过A

的电流，P=FR,图1线圈A消耗的功率大于图2线圈A消耗的功

率，C错误，D正确；由U=IR可知图1A两端的电压大，B错误。

2.（2021.济南高二检测）如图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，发电厂的输出电压及输电线的电阻

R均不变。在用电高峰期，发电厂输出功率将增大，下列说法正确的

是（）

A.升压变压器副线圈中电流变小

B.降压变压器副线圈中电流变小

C.输电线上损耗的功率减小

D.用户消耗的功率占发电厂输出总功率的比例减小

选Do发电厂输出功率增大,根据P=UI知，输出电压不变，则升压

变压器原线圈中的电流增大，则副线圈中的电流也增大，故A错误；

用电高峰期时，用电器增多，则降压变压器中电流变大，故B错误；

升压变压器副线圈中的电流等于输电线中的电流，则输电线中的电流

增大，根据P损二I2R知，输电线上损失的功率增大，故C错误；用

P-P损FR

户消耗的功率占发电厂输出总功率的比例『一=1=1-

TT,因为输电线上的电流增大，则电压损失增大，比不变，所以用

户消耗的功率占发电厂输出总功率的比例减小，故D正确。

教师专用【加固训练】

如图所示，某发电厂通过升压变压器和降压变压器向远距离输送电

能，假设输电线路电阻发热是电能损失的唯一原因。若远距离输电电

压加倍，其他条件不变，下列说法正确的是（）

发电厂升压变压器高压线路降压变压器民用电

A.输电线上的电流加倍

B.输电线上的电能损失加倍

c.输电线上的电能损失是原来的;

D.输电线上的电能损失是原来的;

选Do输电线上输送的功率一定，根据P=UI知输电电压越高，输电

电流越小，若输送电压提高到原来的2倍,则输电线上的电流减小到

原来的;，根据P损=FR可知，输电线上的电能损失为原来的;,

故D正确，A、B、C错误。

教师专用【拓展例题】考查内容：远距离输电与交变电流图像的综

合应用

【典例】如图甲是远距离输电线路示意图，图乙是用户端电压随时间

变化的图像，贝U()

A.发电机产生的交流电的频率是100Hz

B.降压变压器输出的电压有效值是340V

C.输电线中的电流仅由输送功率决定

D.仅增加升压变压器的副线圈匝数，其他条件不变，输电线上损失

的功率减小

选D。根据电压随时间变化的关系，由图乙可知，T=0.02s,故f="

二高Hz=50Hz,故A错误；由图像可知交流电压的最大值为Um

340

=340V,因此其有效值为U=忑V,故B错误；根据P=UI,输

电线中的电流与输送功率和输电电压有关，故C错误；保持升压变

压器原线圈匝数不变，增加副线圈匝数，输出电压增大，损失的功率

P

为AP=(一)2R,损失功率减小，故D正确。

U输

情境・模型•素养

生活情境\

北京奥运会场馆的建设体现了“绿色奥运”的理念。作为北京奥运会主

场馆之一的国家体育馆“鸟巢”拥有9.1万个座位，其扇形屋面和大面

积的玻璃幕墙不仅给人以赏心悦目之感，还隐藏着一座年发电量约为

98550kW-h的太阳能光伏发电系统，供给体育馆内的照明灯等使用。

假如该发电系统的输出功率为lx

5

10Wo

探究：

(1)按平均每天太阳照射6h计，该发电系统一年(365天计)能输

出多少电能？

(2)假若发电系统的输出电压为250V，现准备向远处输电。所用

输电线的总电阻为R线=8Q,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。

(1)由题意可以知道：P=1.0x105w,

时间为:t=365x6h=365x6x3600s,

一年能输出电能为E=Pt=1.0X105X365X6X3600J=7.884x100J

(2)依题意作出如图输电示意图

当输电线上损失的电功率为输送电功率的5%时，输电线中的电流为

P

L,Ii=2504。。A/

本艮据5%P=KR线，

解得L=25A,

升压变压器的匝数比为

ni=k_25=J_

ri2-Ii-400-16,

降压变压器副线圈中电流L.

即为提供给所有用户的总电流I总，

用户获得的总功率为P用=P-5%P=95%P,

又P用=Ud总=U4I4,

所以U=220^431.8A,

其原线圈中电流七=b=25A,降压变压器的匝数比为

ns14431.817.3

iu=h=25=~T°

答案：(1)7.884X1011J(2)升压变压器的匝数比为：上降压变

压器的匝数比为：早

生产情境、

近年来为响应国家“精准扶贫，产业扶贫”的战略，投资2.35亿建设

30兆瓦光伏发电，光伏发电成为精准扶贫的新途径。如图是所建光

伏发电项目，该项目一期光伏发电机总输出功率为8000kW,输出

电压为500V,先后经过升压变压器和降压变压器传输到用户。设输

电线的总电阻为8Q,要求输电线中因发热而损失的功率为输送功率

的4%,用户需要的电压为220V,不计变压器的能量损耗。

探究：

(1)升压变压器的输出电压；

(2)升压变压器和降压变压器原、副线圈的匝数比。

(1)损失的功率：

AP=4%P=4%x8xl06W=3.2xl05W

设输电线上的电流为L,

本艮据AP二芯r彳导l2=200A

p4X1C)6

升压变压器的输出电压为：U2=口=2ooV=4xl04V

(2)升压变压器原、副线圈的匝数比为：

ni_Ui500X

E=UI=40000=80

电线上损失的电压为：

AU=I2r=200x8V=1600V

降压变压器原线圈两端的电压为：

4

U3=U2-AU=3.84xlOV

降压变压器原、副线圈的匝数比为：

ng_U33.84X1041920

五二瓦二-220-11

答案：(1)4xl04V(2)1：801920：11

课堂检测•素养达标

1.某水电站，用总电阻为5Q的输电线给940km外的用户送电，其

5

输出电功率是3.3xl0kW0现用110kV的电压输电，则下列说法正

确的是()

A.输电线上输送的电流大小为3x105A

B.输电线上损失的电压为15kV

C.该输电系统的输电效率为95%

D.若改用11kV电压输电，则输电线上损失的功率为4.5x108kw

p33xl08

选B。I=万=llxl05A=3xl()3A,故A错误；U损=IR=3xl()3x5

V=15kV,故B正确；P损=FR=(3x103)2x5w=4.5xl07W,r|=

p—p产

—xl00%^86%,故C错误；损失的功率大于输出的功率，所以

D错误。

2.超高压输电是指使用500~1000kV电压等级输送电能。超高压输

电与普通高压输电(500kV以下)在建设和输送成本方面有大幅度

降低。如果输送相同的电功率，贝U()

A.超高压输电电流更大

B.超局压输电频率更局）

C.超高压输电电能损耗会更多

D.电能损耗相同的情况下，超高压输电线截面积可以更小

选Do根据P=U输I线输送相同的电功率，当输电电压增大时，则电

流变小，A错误；输电频率与输送电压无关,B错误；根据P损二瞑

R线，线上电流减小，损失减小，C错误；超高压输电线截面积变小,

根据R=电阻增大，根据P损二琮R线输电电压增大时，则电流变

小，电阻增大，则电能损耗可以相同，D正确。

3.（多选）（2021.青岛高二检测）某小型水电站的电能输送示意图如

图所示，发电机的输出电压为200V,输电线总电阻为r,升压变压

器原、副线圈匝数分别为川、山。降压变压器原、副线圈匝数分别为

B、山（变压器均为理想变压器）0要使额定电压为220V的用电器正

常工作，则（）

升压变压器

n、113

AA.—2>—

nin4

0山,113

nin4

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

选A、D。忒二彳，号弋，因为Ui=200V<U4=220V,U2>

U3=5-U线，故/，选项B、C错误，A正确；由于输电线上

的功率损耗，故升压变压器的输出功率大于降压变压器的输入功率。

P出-P损=P入，故D正确。

教师专用（》【加固训练】

远距离输电的原理图如图所示，升压变压器原、副线圈的匝数分

别为m、n2,电压分别为Ui、U2,电流分别为lu