物理选择性必修 第二册4 电能的输送教学设计及反思

第3章　交变电流

第4节　电能的输送

本节课程是对于电路上的功率损失，可根据学生的实际情况，引导学生自己从已有的直流电路知识出发，进行分析，得出结论。提及电路上的电压损失，目的是希望学生对输电问题有更全面、更深人和更接近实际的认识，知道影响输电损失的因素不只一个，分析问题应综合考虑，抓住主要方面。学生常常容易将导线上的电压损失面  与输电电压混淆起来，甚至进而得出错误结论。可引导学生进行讨论，澄清认识．这里要注意，切不可代替了学生的思考，否则会事倍功半。课本中讲了从减少损失考虑，要求提高输电电压；又讲了并不是输电电压越高越好。希望帮助学生科学地、全面地认识问题，逐步树立正确地分析问题、认识问题的观点和方法。

【物理观念】了解电能的输送过程中电压与功率都存在着必然的损耗。

【科学思维】知道降低输电损耗的两个途径要从控制输电电阻，提高输电电压作为出发点来进行研究，提升根据理论公式指导实际的思维能力。

【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】养成利用理论公式知道实际的学习态度，通过对课本拓展知识的学习了解电能输送技术的发展历史，不断提升理论结合实际解决问题的能力。

【教学重点】高压输电的基本工作原理及降低电能消耗的两种途径。

【教学难点】高压输电的数学推导过程及各物理量之间的相互关系。

一、【引入新课】

引导学生回忆

变压器的构造

1．示意图

 2．符号

变压器的工作原理：

 1、互感现象：变压器只能改变交流电的电压和电流

 2、能量转化：电能→磁场能→电能

 3、理想变压器功率：P入＝P出

理想变压器的变压、变流规律：，

二、【进行新课】

探究点一  电能的输送

【思考】为了合理利用能源，发电厂要建在靠近能源的地方，而用电的地方却分布很广，大部分地方离发电厂很远，故需要把电能输送到很远的地方——远距离输电。而在远距离输电中，面临的就是如何输送电能？如何减少损耗、节约电能？

 风力发电                                                   高压输电

老师引出：

1、电能的突出优点

便于远距离输送

2、输送电能的基本要求

可靠：保证供电线路可靠地工作,少有故障和停电

保质：保证电能的质量（电压和频率稳定）

经济：输电线路建造和运行的费用低,电能损耗小

探究点二、 降低输电损耗的两个途径

1、电压损失

2、电功率损失

【思考与讨论】

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用？

三、降低输电损耗的两个途径

如果输送的电功率为P，输送电压为U，输电线的总长度为L，横截面积为S，电阻率为    。则输电线损耗功率为多少呢？

则功率损耗为可表示为：

如何减少电能损失?

(1)减小输电线电阻R

(2)减小输电电流I

途径一、减小输电线电阻R：

①减小材料的电阻率ρ：用铜或铝

②减小输电线的长度L：不可行

③可适当增大导线横截面积S. 有一定限度

途径二、提高输电电压，减小输电电流I

提高输电电压U

P一定，R一定

U提高到原来的n倍，P损将为原来的倍。

说明

输电电压也不是越高越好。电压越高，对输电线路绝缘性能的要求就越高，线路修建费用就会增多。输电电压越高，变压器上的电压也越高，对变压器的要求也相应提高。实际输送电能时，要综合考虑各种因素，如输送功率的大小、距离的远近、技术和经济要求等，依照不同情况选择合适的输电电压。

四、远距离输电原理图

引导学生观察电路原理图，得出各物理量之间的相互关系。

功率关系：

电压关系：

电流关系：

输电电流：

损耗功率：

五、电网供电

要求学生自学，并回答以下问题

什么是电网供电？

现在世界各国都不采用一个电厂与一批用户的“一对一”的供电方式，而是通过网状的输电线、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，这就是电网。

电网供电有什么好处？

1、次能源产地使用大容量的发电机组，降低一次能源的运输成本，获得最大的经济效益；

2、可以减小断电的风险，调剂不同地区电力供需的平衡；

3、可以根据火电、水电、核电的特点，合理地调度电力。

六、输电技术的发展

要求学生自学，认识输电技术的发展历史

1882年，爱迪生在美国修建了第一个电力照明系统；每隔3 km 左右就要建立一个发电厂，否则灯泡因电压过低而不能发光；

1882年，一个法国工程师修建了第一条远距离输电电路，将一个水电站发出的电送到57 km之外的慕尼黑；

1891 年，德国建成170 km 的1530 kV 的高压输电线路，效率高达70% 80%。1893年，国修建尼亚加拉水电站时，经过反复论证，决定采用交流供电系统。

1909至1912年，美国、德国建造100 kV的高压输电线路，从此高压输电技术迅速普及。

现代，直流输电技术。在送电端有专用的“整流”设备将交流变换为直流，在用户端也有专用的“逆变”设备再将直流变换为交流。

提问：

为什么要使用直流输电技术呢？

长距离输电时，线路上的电容、电感对交变电流的影响也不能忽略，有时它们引起的电能损失甚至大于导线电阻引起的电能损失，为了减少感抗和容抗，在输电这个环节可以使用直流。直流输电需要专门的“整流设备”与“逆流设备”。

七、课堂重点知识小结

一、电能的输送

输送电能的基本要求：可靠、保质、经济

二、降低输电损耗的两个途径

1)减小输电线电阻R

2)减小输电电流I

三、远距离输电原理图

随堂练习

例1、（多选）远距离输送交流电都采用高压输电，我国正在研究用比330 kV高得多的电压进行输电，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失

D．可加快输电的速度

【答案】：AC

【解析】：由P＝IU得，I＝U(P)，当输送功率P一定时，采用高压输电，U大则I小，输电线中的电流就小，由P线＝I2r，在要求输电线损耗一定的情况下，就可选电阻率略大一点的材料做导线．若输电线确定，则可以减少输电线上的能量损失，故A、C正确．交流电的频率是固定的，不需要调节．输电的速度就是电磁波的传播速度，是一定的，故B、D不正确．

例2、（单选）远距离输电，输电功率一定，当输电电压为U0时，输电线上的电流为I0，损失的电功率为P0.则当输电电压提高为2U0时(　　)

A．由I＝U/R得，输电线上的电流变为2I0

B．由I＝P/U得，输电线上的电流变为I0/2

C．由P＝U2/R得，输电线上损失的电功率为4P0

D．由P＝IU得，输电线上损失的电功率为2P0

【答案】B

【解析】设输电线的电阻为R，当输电线上的电流为I0时，损失的电功率为P0＝I02R.当输电电压提高为2U0时，由可知输电线上的电流变为2(I0)，输电线上损失的电功率为P损＝(2I0)2R＝4(P0).故选项B正确．

引导学生思考当输电电压变化时，输电线上的电流发生变化，输电线上损失的电功率发生变化，计算出输电线上的电流，就能计算出输电线上损失的电功率．

例3、某交流发电机的输出电压为220V，输出功率为4400W，输电线总电阻为4Ω，求：

（1）输电导线中的电流是多少？

（2）输电线中损失的电压和功率各是多少？

（3）用户得到的电压和功率各是多少？

【答案】（1）120A、（2）80V、1600w、（3）14000V，2800W。

【解析】

例4、图甲为远距离输电示意图，理想升压变压器原、副线圈匝数比为1∶1000，理想降压变压器原、副线圈匝数比为1 000∶1，输电线的总电阻为1 000 Ω，若升压变压器的输入电压如图乙所示，用户端电压为220 V。下列说法正确的是(　　)

A．输电线中的电流为3 A

B．电站输出的功率为7 500 kW

C．输电线路损耗功率为90 kW

D．用户端交变电流的频率为100 Hz

【答案】B　

【解析】由题图乙知升压变压器输入端电压的最大值为Um＝250 V，有效值为U1＝＝250 V，根据＝，得副线圈两端的电压U2＝U1＝×250 V＝2.5×105 V；用户端电压为220 V，根据＝，得降压变压器原线圈两端的电压U3＝U4＝×220 V＝2.2×105 V，故输电线上损失的电压为ΔU＝U2－U3＝3×104 V，则输电线上的电流为I＝＝ A＝30 A，电站的输出功率为P1＝P2＝U2I＝7 500 kW，输电线路损耗功率为ΔP＝I2R＝900 kW，由题图乙可知，原线圈交变电流的周期为T＝0.02 s，则频率为f＝＝50 Hz，变压器不会改变交流电的频率，故用户端交变电流的频率为50 Hz，故B正确，A、C、D错误。