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1、第五節(jié) 電能的輸送本節(jié)教材分析這節(jié)教材是學(xué)生前面所學(xué)知識(shí)綜合運(yùn)用解決實(shí)際問題的一個(gè)典型例子.通過本節(jié)的學(xué)習(xí),要注意培養(yǎng)和提高學(xué)生運(yùn)用物理知識(shí)分析、解決實(shí)際問題的能力.教材寫得比較詳細(xì)、通俗,可讓學(xué)生閱讀課本,然后提出一些問題引導(dǎo)學(xué)生思考、討論.在內(nèi)容的處理上,應(yīng)注意以下幾個(gè)方面:1.對(duì)于電路上的功率損失,可引導(dǎo)學(xué)生自己從已有的直流電路知識(shí)出發(fā),進(jìn)行分析,得出結(jié)論.2.講解電路上的電壓損失,是本節(jié)教材新增加的.目的是希望學(xué)生對(duì)輸電問題有更全面、更深入和更接近實(shí)際的認(rèn)識(shí),知道影響輸電損失的因素不只一個(gè),分析問題應(yīng)綜合考慮,抓住主要方面.但真正的實(shí)際問題比較復(fù)雜,教學(xué)中并不要求深入討論輸電中的這些實(shí)

2、際問題,也不要求對(duì)輸電過程中感抗和容抗的影響進(jìn)行深入分析.3.學(xué)生常常容易將導(dǎo)線上的電壓損失U=U-U與輸電電壓混淆起來,甚至進(jìn)而得出錯(cuò)誤結(jié)論.要通過具體的例子,可引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行討論,澄清認(rèn)識(shí).要注意,切不可單純由教師講解,而代替了學(xué)生的思考,否則會(huì)事倍功半,似快而實(shí)慢.4.課本中講了從減少損失考慮,要求提高輸電電壓;又講了并不是輸電電壓越高越好.希望幫助學(xué)生科學(xué)地、全面地認(rèn)識(shí)問題,逐步樹立正確地分析問題、認(rèn)識(shí)問題的觀點(diǎn)和方法.節(jié)后設(shè)的閱讀材料直流輸電既可以開闊學(xué)生眼界,也可以增加知識(shí). 教學(xué)目標(biāo)一、知識(shí)目標(biāo)1.知道“便于遠(yuǎn)距離輸送”是電能的優(yōu)點(diǎn),知道輸電過程.2.知道什么是輸電線上的功率損失和

3、如何減少功率損失.3.知道什么是輸電導(dǎo)線上的電壓損失和如何減少電壓損失.4.理解遠(yuǎn)距離輸電要用高壓.二、技能目標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生閱讀、分析、綜合和應(yīng)用能力.三、情感態(tài)度目標(biāo)1.培養(yǎng)學(xué)生遇到問題要認(rèn)真、全面分析的科學(xué)態(tài)度.2.介紹我國(guó)遠(yuǎn)距離輸電概況,激發(fā)學(xué)生投身祖國(guó)建設(shè)的熱情. 教學(xué)重點(diǎn)找出影響遠(yuǎn)距離輸電損失的因素,使學(xué)生理解高壓輸電可減少P與U損失. 教學(xué)難點(diǎn)理解高壓輸電原理,區(qū)別導(dǎo)線上的輸電電壓U和損失電壓U. 教學(xué)方法自學(xué)討論法. 教學(xué)用具可拆變壓器(2臺(tái))、長(zhǎng)導(dǎo)線、學(xué)生電源、小燈泡、投影儀、CAI課件. 課時(shí)安排1課時(shí)教學(xué)過程一、引入新課師人們常把各種形式的能(如水流能、燃料化學(xué)能、核能)先轉(zhuǎn)化

4、為電能再進(jìn)行傳輸,這是因?yàn)殡娔芸梢酝ㄟ^電網(wǎng)來傳輸,那么電能在由電廠傳輸給用戶過程中要考慮什么問題?這節(jié)課我們就來學(xué)習(xí)遠(yuǎn)距離輸電的知識(shí),請(qǐng)同學(xué)們認(rèn)真仔細(xì)地閱讀教材,回答老師提出的下列問題(屏幕上打出)生閱讀并展開激烈的討論.二、新課教學(xué)1.輸電線上的功率損失師輸送電能的基本要求是什么?生輸送電能的基本要求是:可靠、保質(zhì)、經(jīng)濟(jì).可靠,是指保證供電線路可靠地工作,少有故障和停電.保質(zhì),就是保證電能的質(zhì)量,即電壓和頻率穩(wěn)定.經(jīng)濟(jì)是指輸電線路建造和運(yùn)行的費(fèi)用低,電能損耗小,電價(jià)低.師遠(yuǎn)距離大功率輸電面臨的困難是什么?生在輸電線上有功率損失和電壓損失.師輸電線上功率損失的原因是什么?功率損失的表達(dá)式是什么

5、?如何減小輸電線上的電壓損失?生1由于輸電線有電阻,當(dāng)有電流流過輸電線時(shí),有一部分電能轉(zhuǎn)化為電熱而損失掉了.這是輸電線上功率損失的主要原因.生2設(shè)輸電電流為I,輸電線的電阻為R,則功率損失為P=I2R.生3根據(jù)功率損失的表達(dá)式P=I2R可知,要減少輸電線上的功率損失,有兩種方法:其一是減小輸電線的電阻;其二是減小輸電電流.師如何減小輸電線的電阻呢?生根據(jù)電阻定律可知R線=,要減小輸電線的電阻R線,可采用下述方法:減小材料的電阻率.銀的電阻率最小,但價(jià)格昂貴,目前選用電阻率較小的銅或鋁作輸電線.減小輸電線的長(zhǎng)度l不可行,因?yàn)橐WC輸電距離.增加導(dǎo)線的橫截面積,可適當(dāng)增大橫截面積.太粗不可能,既不

6、經(jīng)濟(jì)又架設(shè)困難.師如何減小輸電線中的電流呢?生在輸電功率一定的條件下,根據(jù)P=UI可知,要減小輸電線中的電流I,必須提高輸電電壓U,這就是采用高壓輸電的道理.2.輸電線上的電壓損失師在直流輸電時(shí),輸電線上電壓損失的原因是什么?交流輸電呢?生1由于輸電線有電阻,電流在輸電線上有電壓損失.生2對(duì)交流輸電線路來說,既有電阻造成的電壓損失,也有感抗和容抗造成的電壓損失.師在不計(jì)感抗和容抗的條件下,電壓損失的表達(dá)式是什么?生電壓損失U=U-U=IR線師如何減小電壓損失,保證輸電質(zhì)量呢?生根據(jù)電壓損失的表達(dá)式U=IR線可知,要減少輸電線上的電壓損失,有兩種方法:其一是減小輸電線的電阻R線;其二是減少輸電電

7、流.方法同減少功率損失.師為了減少功率損失和電壓損失,都需要采用高壓輸電,但并不是電壓越高越好.因?yàn)殡妷涸礁撸瑢?duì)輸電線絕緣的要求就越高,這樣不經(jīng)濟(jì).實(shí)際輸電時(shí),要綜合考慮各種因素.3.幾種輸電模式師常用的輸電模式有幾種?各是什么?生1低壓輸電:輸電功率為100 kW以下,距離為幾百米以內(nèi),一般采用220 V的電壓輸電.生2高壓輸電:輸電功率為幾千千瓦到幾萬千瓦,距離為幾十千米到幾百千米,一般采用35 kV或110 kV的電壓輸電.生3超高壓輸電:輸電功率為10萬千瓦以上,距離為幾百千米,必須采用220 kV或更高的電壓輸電.師我國(guó)遠(yuǎn)距離輸電采用的電壓有哪幾種?生有110 kV、220 kV、3

8、30 kV、500 kV.師大型發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓不符合遠(yuǎn)距離輸電的要求,怎么辦?而到達(dá)目的地的電壓也不符合用戶的要求,怎么辦?生在發(fā)電機(jī)處用升壓變壓器升高電壓,在用戶處用降壓變壓器降低電壓.師用CAI課件展示我國(guó)遠(yuǎn)距離高壓輸電情況及遠(yuǎn)距離高壓輸電的原理.如下圖所示.設(shè)發(fā)電機(jī)的輸出功率為P,則功率損失為P=I22R用戶得到的功率為P用=P-P.電壓損失為U=I2R,則U3=U2-U.4.例題分析某交流發(fā)電機(jī)輸出功率為5×10.5 W,輸出電壓為U=1.0×10.3 V,假如輸電線的總電阻R=10 ,在輸電線上損失的電功率等于輸電功率的5%,用戶使用電壓U=380 V.(1)畫

9、出輸電線路的示意圖(下圖).(標(biāo)明各部分的符號(hào))(2)所用升壓和降壓變壓器的原、副線圈的匝數(shù)比是多少?(使用的變壓器是理想變壓器)解析:引導(dǎo)學(xué)生畫出電路.引導(dǎo)學(xué)生寫出各部分關(guān)系式UU1=n1n2I2I1=n1n2U2U用=n1n2I3I2=n1n2U1=U損+U2P=P損+P用戶P損=I22·R解:I1=500 AP損=5%P=5%×5×105 W=2.5×104 WP損=I22RI2=50 AI3=所以三、小結(jié)通過本節(jié)學(xué)習(xí),主要學(xué)習(xí)以下問題:1.遠(yuǎn)距離輸電線路上,P損=I2R=,其中(I=).2.遠(yuǎn)距離高壓輸電中,P損和U損都能減少.3.交流和直流輸電

10、有其各自的優(yōu)點(diǎn)和不足.4.電站輸出功率由用戶消耗功率決定.四、布置作業(yè)(略0五、板書設(shè)計(jì)六、本節(jié)優(yōu)化訓(xùn)練設(shè)計(jì)1.單相交流發(fā)電機(jī)的路端電壓為220 V,輸出的電功率為4400 W,發(fā)電機(jī)到用戶單根輸電線的電阻為2 ,求(1)用戶得到的電壓和電功率各是多少?(2)如果用變壓比為110的升壓變壓器升壓后向用戶輸電,用戶處再用變壓比為101的降壓變壓器降壓后使用,那么用戶得到的實(shí)際電壓和電功率又是多少?2.一條河的流量為Q=40 m3/s,落差為h=5 m.利用它發(fā)電,單相交流發(fā)電機(jī)效率1=50%,輸出電壓U=400 V,輸電線總電阻R線=5 ,電線上允許損失的最大電功率為發(fā)電機(jī)輸出的電功率2倍,2=

11、5%,用戶所需電壓為220 V,設(shè)計(jì)輸電線兩端變壓器的原、副線圈匝數(shù)比各是多少?參考答案:1.解析(1)不用變壓器,直接輸電時(shí):干線中電流:I= A=20 A電線上損失的:U損=I·R線=20×2×2 V=80 VP損=I·U損=1600 W用戶得到的:U戶=220 V-80 V=140 VP戶=P-P損=4400 W-1600 W=2800 W (2)用變壓器時(shí),電路如圖所示.U1=10U=2200 VI線= A=2 AU2=U1-I線R=2200 V-2×4 V=2192 V所以U戶=219.2 VP戶=P-I線2×R=4400

12、W-4×4 W=4384 W2.解析:發(fā)電機(jī)將水機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能,其中:P輸=1Qgh=50%×103×40×10×5 W=106 W輸電線上損失:P損=2P輸=5×104 W輸電線上允許輸送的最大電流I線= A=100 A而不用變壓器直接輸送時(shí),輸電線上電流大小:I=2500 A100 A為減少電能損失,必須是先升壓后降壓,輸電線路如圖所示.I1=2500 AI2=100 AI3= A= A所以備課資料求解輸電問題的思路由于發(fā)電機(jī)本身的輸出電壓不可能提高,所以采用高壓輸電時(shí),在發(fā)電站內(nèi)需用升壓變壓器升壓后再由輸電線輸出,到用電區(qū)再用

13、降壓變壓器降到所需的電壓,在解答有關(guān)遠(yuǎn)距離輸電問題時(shí),首先要將整個(gè)電路分成幾段進(jìn)行研究,找出跟各段電路相應(yīng)的物理量;然后利用變壓器工作原理和直流電路的基本定律分段列式,最后聯(lián)立求解,進(jìn)行計(jì)算.另外,還需注意以下幾點(diǎn):(1)因?yàn)檩旊娋嚯x不變,所以輸電線長(zhǎng)度一定.(2)發(fā)電機(jī)的輸出功率通常認(rèn)為是恒定的.(3)輸電導(dǎo)線上的電能損失往往要求不能超過某一規(guī)定值.(4)記熟兩個(gè)基本公式:電壓關(guān)系:U升=U降+U=IR線 +U降能量關(guān)系:P出=P損+P降=I2R線+IU降=IU升備課資料汽油機(jī)點(diǎn)火裝置的工作原理汽車中汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火裝置是利用感應(yīng)圈的原理制成的.感應(yīng)圈是互感現(xiàn)象的重要應(yīng)用之一.它實(shí)際上就是一

14、個(gè)小功率的升壓變壓器.它能將十幾伏的直流低電壓變成數(shù)萬伏的高電壓,是科學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常用來取得高壓的一種電源設(shè)備.感應(yīng)圈的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,主體部分是在一個(gè)用許多薄硅鋼片疊合而成的直條形鐵芯上套有兩個(gè)線圈的變壓器,初級(jí)線圈繞在里層,次級(jí)線圈繞在外層,層間有良好絕緣,整個(gè)變壓器經(jīng)過絕緣處理后放進(jìn)膠木外套筒中,空隙處灌滿了很厚的一層石蠟.圖1我們知道,恒定直流電是不能變壓的.但不斷的接通與切斷直流電路卻可以產(chǎn)生互感電動(dòng)勢(shì),這表明斷續(xù)的脈動(dòng)直流電可以進(jìn)行電壓變換.這里通斷電流的機(jī)構(gòu)是采用一個(gè)最簡(jiǎn)單的電磁式斷續(xù)器.當(dāng)螺旋調(diào)節(jié)器觸點(diǎn)Z與帶有鐵頭的彈簧片P接觸時(shí),合上電源開關(guān)S,初級(jí)線圈中有直流電通過,于

15、是鐵芯被磁化吸引彈簧片,但此時(shí)卻切斷了電路;鐵芯失去磁性便放開彈簧片,彈簧片又與觸點(diǎn)Z接觸,電路再度被接通.如此不斷的重復(fù)下去,低壓恒定直流電就變成了脈動(dòng)直流電.由于初級(jí)線圈自感作用的結(jié)果,電流不能突然增大,也不能突然減小,因而變成上升被阻攔,下降被拖延的脈動(dòng)直流.其波形如圖2(a)所示.圖中t1時(shí)間內(nèi)的曲線表示電路接通時(shí),電流上升的情形,而t2時(shí)間內(nèi)的曲線則表示電路斷開時(shí),電流下降的情形,我們知道,由于初級(jí)線圈電流的變化,在初級(jí)和次級(jí)線圈中都會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì).電流的變化率越大,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也就越高.由圖可見,由于電路斷開時(shí)電流的變化率比電路接通時(shí)電流的變化率要大得多,所以電路斷開時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也比接通時(shí)高得多.圖2(b)中畫出了次級(jí)的電動(dòng)勢(shì)e2的變化波形.由圖可見,在電路接通時(shí)(t1時(shí)間內(nèi)),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)較小,而電路斷開時(shí)(t2時(shí)間內(nèi)),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)上升至較大的數(shù)值.如果次級(jí)兩端點(diǎn)D、D相距較近,則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的正向與負(fù)向的值都可使DD間的空氣擊穿而發(fā)生強(qiáng)烈的火花放電.這時(shí),次級(jí)線圈中就有交變電流通過,其電流變化的規(guī)律與電動(dòng)勢(shì)變化的規(guī)律相同,仍如圖2(b)所示.但是如果D、D相距較遠(yuǎn),則當(dāng)電路接通時(shí),次級(jí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)較小.不足以使空氣擊穿放電,此時(shí)次級(jí)線圈沒有電流通過;只有當(dāng)電路斷開時(shí),由于次級(jí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)很大,DD間的空氣被擊穿放

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