“高压输电降低线路损耗”问题释疑

物理组   施  金  良  

摘要：在《电能的输送》教学中，学生容易把线路电阻分担的电压误认为就等于输送的高压，从而导致在“高压输电降低线路损耗”这一问题中出现认知上的矛盾，引发困惑。本文结合教学实际简单地对概念进行区分，并结合实际进行分析，试图解除学生心中的困惑，更清晰地认识高压输电。

关键字：高压输电 损耗 功率

    在高中物理人教版选修3—2《电能的输送》这一节里提到：要提高输电效率，降低输电线的损耗，有减小输电电流I和减少输电线电阻R两种方式，因为输电线的热功率为。通过减小电阻R来减小损耗学生很容易理解，但是通过升高电压U来减小电流，进而降低输电线功率这一方式，就会给学生带来认知上的冲突。

    在教学中，我们先会这样解释：在保持输电功率不变的前提下，因P=UI，电压U越高，则所需电流I越小，线路产生的热功率越小，所以电能损耗越小。这一思路简单明了，学生可以理解。但是在实际教学中，不能就这样简单结束教学。

    因为学生稍加思考：根据欧姆定律得，如果电压越高，则电流越大。所以采用高压输电时，电流应该随着电压的升高而增大，输电线损耗的功率 也会随之增大才对。输电电流和输电线热功率怎么会减少呢？这岂不是自相矛盾吗？

    当然，在这里并不是物理知识出现了矛盾。而是学生对输电过程中各个电压的认识存在模糊和想当然，没有认清输电电压和输电线路两端电压的区别和联系。教学中，需要让学生认识清楚这两个电压，就要先认识图1中三个回路中的中间这个回路.

 这个回路中，有一个线路电阻和两个线圈，但是这两个线圈地位是不同的。左边这个线圈在回路中充当电源，而右边这个线圈和线路电阻R可看做回路的两个用电器。在这个回路中电源电压是才真正意义上的高压。

    为整个中间回路提供电压

    并且这个高压其中绝大部分的电压都被所分担，导线电阻只分担了其中很小的一部分。也就是说高压输电线路中的高压和高压输电线电阻分担的电压是两个不同的物理量。

    另外，在输电时，要想让升得很高，则的匝数就需要比大得多，在降压时，也就要比的匝数大得多。这样一来，的匝数越多，感抗越大，相较于导线电阻，占总电压的比重也就会越大。

    即，且 。

    这样一来，高压输电实际上提高的是和。保持在功率一定的前提下，越大反使得电流更小，而也更小。故而输电线损耗的功率都是减小的。

    但是，是什么导致了学生会认为导线两端的电压就是高压呢？是源于人对高压电的敬畏。只要一想到高压电，就简单地认为——高压线上任何一点都有高电压。实际上，高中物理教学已经明确，电压和电势差是同一个物理量，指的是两点间电势的差值。所以首先高压线上任何一点都是高电压这一认识是不准确的。到线上某一点存在电势，但谈不上电压。

    例如，小鸟站在高压线上之所以能安然无恙，主要是因为两脚间的电压本身就非常低。查阅资料，通过计算来说明这个问题：输送200kv高压的钢芯铝绞线，其横截面积是95平方毫米，允许流过的电流是325安培。如图2假设小鸟两爪A、B间是10厘米，这段10厘米长的导线电阻只有3.26×欧姆，电压不会超过1.06×伏特。由此可见，小鸟两爪间的电压是多么小。

    但如果有物体跨接在两根导线C、D的两点之间，，那这个物体所承受的电压就真的是高压了。或者有导体把火线和大地连在一起，由于大地的电势为零，火线和大地之间也将形成非常巨大的电压。甚至与大地连接的导体距离火线很近，即使还没有接触，巨大的电压也有会将中间的空气击穿，形成电弧，进而发生危险。而人的身高较高，体积较大，如果站在高压线上，很可能就会跨接在两根导线上，或者站在金属架上接触导线，都将发生危险。而这种情形和小鸟站在高压线上的情形有着根本上的差别。

参考文献

[1]钟勇. 基于物理核心素养导向的课堂教学设计——以《电能的输送》教学为例 .物理通报,2019年第3期:62-65

[2]田诚,涂运芳.《电能的输送》之“模拟远距离输电”实验教学设计.物理教学探讨,第35卷总第506期:25-27

（责任编辑  张全三 ）