（选必2：核心素养）3.4 电能的输送（教案3）

skybamboo · 发表于 10 小时前

3.4电能的输送
〖教材分析〗
电能的输送其实也是一种能量的输送，本节课的一条线路就是能量守恒，通过能量守恒定律分析出功率损耗的问题，进而讨论如何降低能量损耗。本节课的内容看似简单，实则各种物理量之间的变化还是比较复杂的，但是主要抓住以下几点即可：能量守恒、欧姆定律和变压器原理。
〖教学目标与核心素养〗
物理观念∶只能电能的输送其实也就是能量的输送，其过程中电压与功率都存在着必然的损耗。
科学思维∶通过降低输电损耗的分析，体会科学思维的在构建物理模型中的重要作用。
科学探究：培养学生运用物理规律和公式分析解决实际问题的能力。
科学态度与责任∶通过对简单的远距离输电线路分析与计算，体会科技对社会发展的推动作用。
〖教学重难点〗
教学重点：理论分析如何减少能量损耗和理解远距离输电原理图。
教学难点：对远距离输电原理图的理解。
〖教学准备〗
多媒体课件
〖教学过程〗
一、新课引入

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。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?
分析：生活中为了节约成本，发电厂总是建在有能源的地区，比如水库大坝，煤炭产地等。这些地方往往离城市比较远，这就需要通过导线把发电机产生的电输送给远在城市的用户。
引入课题：这就涉及到了远距离输电的问题。
二、新课教学

（一）输送电能

1.电能的优点：便于远距离输送。
2.输送电能的基本要求：
①可靠，是指保证供电线路可靠地工作，故障少。
②保质，就是保证电能的质量——电压和频率稳定。
③经济，则是指输电线路建造和运行的费用低，电能损耗少。
长距离输电过程中，这么长的导线总是会有电阻的，这样就会有部分能量变成电线上电阻产生的电热，耗散在空气中。那么我们如何减少输电过程的能量损耗呢？
（二）降低输电损耗的两个途径

1.电压损耗
为了方便分析，咱们把从发电厂到用户的输电过程简化成这样，假设发电厂提供了电压为U，用户获得的电压为U用，电路中的电流为I，输电线上的总电阻为r。电压的损失主要就在电阻r上记为U损。
根据串联分压原理：U=U损+U用
再根据欧姆定律，电压损失：U损=Ir
注意：如果说的是每根导线的电阻为r，那么导线上损耗的电压就不是U损=Ir，而是U损=2Ir。
2.功率损耗
同样的假设发电厂输到导线的功率为P，由于电阻r的存在，所以导线上会有热损耗用P损来表示。那么用户获得的功率就用P用来表示，这个P用有时也叫做导线或电网的输出功率。
根据能量守恒：P=P损+P用
功率损失：P损=I2r
由功率损失的表达式可以要想减少功率损耗，有两个途径减少输电线的电阻r和减少输电线的电流I。
途径一：减少输电线的电阻r
根据电阻的决定式
<Object: word/embeddings/oleObject1.bin>
可知要想减少电阻，就要减小材料的电阻率ρ，减少输电线的长度L，增加导线的横截面积S。

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减少输电线的长度L，但实际上是不可行的，因为用户和发电厂的输电距离一定。
③增加导线的横截面积S。过粗的导线会耗费太多的金属材料，而且输电线太重、太粗夜歌铺设工程带来困难，不经济不实惠。所以来看看另外一个途径，如何减小输电电流I。
途径二：减少输电线的电流I
思考与讨论

假定输电线路中的电流是I，用户端的电压是U，两条导线的总电阻是r。在图中导线的电阻集中画为一个电阻r。
1.怎样计算输电线路损失的功率?
2.在输电电流一定的情况下，如果线路的电阻减为原来的一半，线路上损失的功率减为原来的几分之一?在线路电阻一定的情况下，如果输电电流减为原来的一半线路上损失的功率减为原来的几分之一?
3.通过第2步的两项计算，你认为哪个途径对于降低输电线路的损耗更为有效?
4.怎样计算用户消耗的功率P?
5.在保证用户的电功率的前提下，怎样才能减小输电电流？
分析：前面已经讲过，这里是两根导线的总电阻，所以P损=I2r。
电阻减半时<Object: word/embeddings/oleObject2.bin>，所以<Object: word/embeddings/oleObject3.bin>
电流减半时有：<Object: word/embeddings/oleObject4.bin>，所以<Object: word/embeddings/oleObject5.bin>
看来通过减小电流的方法来降低损耗，效果非常明显。
用户消耗的功率：P=P损+P用，→P用=P-P损，
发电厂发出的功率P=UI，所以有
P用=UI-I2r
减少输电线的电流I的困难：根据P=UI，如果输入到导线的电压U不变，单纯的减小电流I，这会造成导线传输的功率P也减小，也就是电网输送电能的能力下降了。
减少输电线的电流I的方法：将电压提高为原来的n倍，电流为降为原来的1/n，这样传输功率p不变，而损耗功率变为原来的1/n2 。也就是高压输电。

3.高压输电
在实际生活中，远距离传输电能时一般都采用超高压输电，输电电压高达几十万伏，根本目的就是在保证传输功率的前提下降低导线损耗。
科普：由于高压电线上的电压太高，已经可以击穿几厘米厚的塑料或者橡胶，因此高压线都没有绝缘表皮都是裸线。
安全教育：导线和电势为零的大地之间有很大的电势差，如果人站在地面上触摸高压线，瞬间就会有巨大的电流通过人体结果就是这样烧焦了。所以你在生活中看到高压线时，如果不想变成焦炭，一定要多远点啊。
注意：输电电压也不是越高越好。
（三）电网供电

1.一对一供电
你
发电站发的电是通过这样的模型输送给用户。我们已经知道发电机和变压器决定电压。用户决定功率和电流。所以他会有很大的缺点。
缺点：产能浪费
比如采用这种供电方式的某个区域，凌晨的时候人们都睡觉了，用户端的耗电量非常少大概是1000W，这时发电机的输出功率也是1000W，但其实这台发电机的输出功率可以达到十的6次方千瓦，现在就只能产生很小的电能，有很大一部分产能都被浪费。
为了解决这个问题，现代社会采用的是另一种供电方式。
2.电网供电

在一个较大的区域，通过输电网络，把所有的发电站，变压器和用户都连接起来，这就是电网。显然采用电网供电，不仅可以合理的调度电力，由于有多个发电站在同时供电，因此还能减少断电的风险。

（四）输电线路中的参量关系
把上图简化成如图所示，用户电阻为R用，损耗电阻为r，变压器的电压分别是U1、U2、U3、U4，电流分别为I1、I2、I3、I4，功率依次为P1、P2、P3、P4，线圈匝数分别为n1、n2、n3、n4，电路的损耗为U损、P损。
1.电压关系
按照变压器的变压规律有：
升压变压器的电压关系：<Object: word/embeddings/oleObject6.bin>
降压变压器的电压关系：<Object: word/embeddings/oleObject7.bin>
在中间这个部分的回路中r是导线电阻，U3是降压变压器获得的电压。于是根据串联分压原理，可以得到
传输过程的电压关系：U2=Ur+U3
这样咱就把四个电压联系起来了。
2.电流关系
根据理想变压器的电流规律得：
升压变压器的电流关系：<Object: word/embeddings/oleObject8.bin>
降压变压器的电流关系：<Object: word/embeddings/oleObject9.bin>
如果把升压变压器看做电源，由于整个电路是串联关系，那么回路中的电流I2和流过电阻r的电流Ir和I3应该处处相等。则
传输过程的电流关系：I2=Ir=I3。
这样四个部分的电流也都联系起来。
3.功率的关系
由于理想变压器没有功率损耗，因此
升压变压器的功率关系：P1=P2
降压变压器的电流关系：P3=P4
在中间这个部分电阻r上会有热损耗Pr=122r，于是
传输过程的功率关系：P2=Pr+P3
这样四个功率也联系起来了。在解题过程中，这些公式非常重要，你在花点儿时间好好记住。
课堂练习
某个小水电站发电机的输出功率为100kW，发电机的电压为250V。通过升压变压器升高电压后向远处输电，输电线总电阻为8Ω，在用户端用降压变压器把电压降为220V。要求在輸电线上损失的功率控制在5kW(即用户得到的功率为95kW)。请你设计两个变压器的匝数比。为此，请你计算:
(1)降压变压器输出的电流是多少?输电线上通过的电流是多少?
(2)输电线上损失的电压是多少?升压变压器输出的电压是多少?
(3)两个变压器的匝数比各应等于多少?
解：如图所示：升压变压器，输入功率等于输出（送）功率：P1=P2=100KW。已知U1=250V，U4=220V，P损=5KW，P4=P用=95KW，r=8Ω。

（1）降压变压器的输出电流（即为用户得到的电流）：<Object: word/embeddings/oleObject10.bin>

输电线的电流<Object: word/embeddings/oleObject11.bin>

（2）输电线上损失的电压：U损=I2r=25×8=200V

升压变压器的输出电压：<Object: word/embeddings/oleObject12.bin>

（3）升压变压器的匝数比：<Object: word/embeddings/oleObject13.bin>

降压变压器的输入电压：U3=U2-U损=4000-200=3800V

升压变压器的匝数比：<Object: word/embeddings/oleObject14.bin>

解题方法思路

①画出供电图

②以变压器铁心为界线分出各个回路,各回路可独立运用欧姆定律分析。

③各回路间通过线圈匝数比与电压比和电流比的关系，总功率不变等联系求解。

〖板书设计〗
3.4电能的输送

输送电能的要求∶可靠、保质、经济

功率和电压损失∶U损=Ir，P损=I2r

降低输电损耗的两个途径

①减少输电线的电阻r， ②减少输电线的电流I-——升高电压U
4.电网供电
①电压关系：<Object: word/embeddings/oleObject15.bin>，<Object: word/embeddings/oleObject16.bin>，U2=Ur+U3。
②电流关系：<Object: word/embeddings/oleObject17.bin>，<Object: word/embeddings/oleObject18.bin>，I2=Ir=I3
③功率关系∶P1=P2、P3=P4，P2=Pr+P3
〖教学反思〗
本节课的教学内容明线是电能的输送，暗线是能量守恒。运用能量守恒就可以说明电压和功率的损失。本课教学也有一些不足之处，练课后习题太少，虽然课本后面有，但是有些题目对于初学者来说，讲解起来比较困难，所以就选了一道而已。另外本课的各个物理量之间的变化多样，令学生感到苦恼。今后还是要怎么简化各个量之间的关系，寻找更好的方法来授课。

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