Question

如圖甲所示，是江蘇如東風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的外景，該場(chǎng)是亞洲目前建設(shè)規(guī)模最大的風(fēng)電基地．小明在參觀了發(fā)電場(chǎng)后，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生了濃厚的興趣．

風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電時(shí)的輸出功率和哪些因素有關(guān)呢？對(duì)這一問(wèn)題，他做了如下猜想：
①風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率可能與風(fēng)速有關(guān)．
②風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率可能與葉片的傾角有關(guān)．
（1）請(qǐng)你也提出一個(gè)猜想：
③風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率可能與

風(fēng)葉的材料（或表面積）

有關(guān)．
為了探究風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率是否與風(fēng)速有關(guān)，小明設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)步驟：①如圖乙，將風(fēng)葉安裝在風(fēng)車底座上，把線的一端固定在風(fēng)車轉(zhuǎn)軸上，另一端系上鉤碼．②在風(fēng)車正前方1米處放置電風(fēng)扇，將電風(fēng)扇的風(fēng)速調(diào)到1擋位，用秒表記錄提升鉤碼到A點(diǎn)所需的時(shí)間．③將電風(fēng)扇換到2、3擋位，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)，并將數(shù)據(jù)記錄在表格中．（注：電風(fēng)扇擋位越高，風(fēng)速越大）
表一：

電風(fēng)扇擋位	鉤碼的質(zhì)量（克）	提升鉤碼到A點(diǎn)的時(shí)間（秒）
1	50	15
2	50	13
3	50	10

請(qǐng)你回答：
（2）這個(gè)實(shí)驗(yàn)是通過(guò)測(cè)量

提升鉤碼到A點(diǎn)的時(shí)間

來(lái)比較風(fēng)車輸出功率的大�。�
（3）通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以得到的結(jié)論是：

風(fēng)速越大，風(fēng)車的輸出功率越大

．
為了進(jìn)一步研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)，他又從電廠查到一臺(tái)1500kW的發(fā)電機(jī)組的相關(guān)數(shù)據(jù)：
表二：輸出功率與風(fēng)速的關(guān)系

風(fēng)速（m/s）	5	10	15	20
輸出功率（kW）	80	720	1500	1100

表三：不同風(fēng)速下風(fēng)力發(fā)電機(jī)每秒獲得的風(fēng)能：

風(fēng)速（m/s）	5	10	15	20
1s獲得的能量（104J）	15	120	405	350

（4）風(fēng)能是清潔能源，也是

可再生

（選填“可再生”或“不可再生”）能源．風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理是

電磁感應(yīng)

．
（5）對(duì)表格進(jìn)行分析，你發(fā)現(xiàn)風(fēng)速在5m/s～15m/s的范圍內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)每秒獲得的風(fēng)能與風(fēng)速的關(guān)系是

風(fēng)車獲得的能量與風(fēng)速成正比關(guān)系

．
（6）風(fēng)速為10m/s時(shí)，這臺(tái)發(fā)電機(jī)1h發(fā)的電可供教室里10盞標(biāo)有“220V  40W”的燈同時(shí)工作

1800

h．這些能量相當(dāng)于

86.4

kg煤完全燃燒放的熱．（煤的熱值是3×10⁷J/kg）
（7）風(fēng)速為10m/s時(shí)，這臺(tái)發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率為

60%

．
（8）當(dāng)風(fēng)速超過(guò)20m/s時(shí)，為了防止每秒獲得的風(fēng)能過(guò)大，導(dǎo)致風(fēng)葉損壞，你認(rèn)為可采取的措施是：

適當(dāng)減小葉片的受力面積（或者葉片采用柔性材料）

．

Answer 1

分析：（1）風(fēng)速、葉片的傾角、葉片的材料以及葉片的表面積都可以影響發(fā)電機(jī)的輸出功率；
（2）因風(fēng)車輸出的功率為提升重物的功率，要求提升重物的功率可以由P=

W

t

=

mgh

t

=mgV來(lái)求；而知道提升時(shí)間即可以得出提升物體的速度，則可比較風(fēng)車的輸出功率大小．
（3）分析表一中數(shù)據(jù)，電風(fēng)扇檔位越高，風(fēng)速越大，提升鉤碼到A點(diǎn)的時(shí)間越短，據(jù)此得出結(jié)論．
（4）風(fēng)能是可再生能源，發(fā)電機(jī)的制作原理是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，即發(fā)電過(guò)程是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程．
（5）由表二和表三可知，風(fēng)速小于15m/s時(shí)，風(fēng)速越大，發(fā)電機(jī)的輸出功率增大，獲得的風(fēng)能增大；但是風(fēng)速大于15m/s時(shí)，風(fēng)速越大，發(fā)電機(jī)的輸出功率減小，獲得的風(fēng)能減�。�
（6）從表格數(shù)據(jù)得出風(fēng)速為10m/s時(shí)，風(fēng)車的輸出功率，求出1h的發(fā)電量；再根據(jù)t=

W

P

求出這些能量供燈工作的時(shí)間；根據(jù)m=

Q

q

求出需要燃燒的煤的質(zhì)量．
（7）從表格數(shù)據(jù)得出風(fēng)速為10m/s時(shí)，1s內(nèi)獲得的能量，求出風(fēng)車工作1h獲得的能量（總能量）；再求出風(fēng)車工作1h產(chǎn)生的電能（有用能量）；利用效率公式求風(fēng)車發(fā)電的效率；
（8）葉片的材料和表面積都會(huì)影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)獲得的風(fēng)能，從這個(gè)角度考慮．

解答：解：（1）風(fēng)葉的材料不同，可以影響發(fā)電機(jī)的輸出功率，如組成風(fēng)葉的材料越輕，則越易轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)若風(fēng)葉的表面積不同，則風(fēng)葉獲得的能量不同，也可影響輸出功率等．
故答案為：風(fēng)葉的材料（或表面積）．
（2）因提升高度要同，則由h=Vt可知，通過(guò)提升時(shí)間，可知提升的速度大小，則由P=

W

t

=

mgh

t

=mgV可知輸出功率的大小，故比較提升時(shí)間可知功率大�。�
故答案為：提升鉤碼到A點(diǎn)的時(shí)間．
（3）分析表一數(shù)據(jù)可見(jiàn)，在提升鉤碼質(zhì)量相同的情況下，風(fēng)速越大，提升鉤碼到A點(diǎn)的時(shí)間越短，風(fēng)車的輸出功率越大．
故答案為：風(fēng)速越大，風(fēng)車的輸出功率越大．
（4）風(fēng)能是一種很清潔的可再生能源，資源豐富，無(wú)污染；風(fēng)力發(fā)電將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，發(fā)電機(jī)是通過(guò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電能，即是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象的原理制成的．
故答案為：可再生；電磁感應(yīng)．
（5）分析表二和表三可知，風(fēng)速在5m/s～15m/s的范圍內(nèi)，風(fēng)車獲得的能量隨風(fēng)速的增大而增大，并且成倍數(shù)的增加，所以風(fēng)車獲得的能量與風(fēng)速成正比關(guān)系．
故答案為：風(fēng)車獲得的能量與風(fēng)速成正比關(guān)系．
（6）風(fēng)速為10m/s時(shí)，風(fēng)車的輸出功率720kw，
風(fēng)車工作1h的發(fā)電量：
W_電=720kw×1h=720kw?h，
①這些能量可供教室里10盞標(biāo)有“220V 40W”的燈同時(shí)工作的時(shí)間：
t=

W電

P總

=

720kwh

0.04kw×10

=1800h
②產(chǎn)生這些能量需要完全燃燒煤的質(zhì)量：
m=

Q

q

=

720×3.6×106J

3×107J/kg

=86.4kg
故答案為：1800；86.4．
（7）風(fēng)速為10m/s時(shí)，1s內(nèi)獲得的能量為120×10⁴J，
風(fēng)車工作1h獲得的能量：
W_總=120×10⁴J×3600s=4.32×10⁹J，
風(fēng)車工作1h產(chǎn)生的電能：
W_電=720kw×1h=720kw?h=2.592×10⁹J，
風(fēng)車發(fā)電的效率：
η=

W電

W總

×100%=

2.592×109J

4.32×109J

×100%=60%
故答案為：60%．
（8）為了防止每秒獲得的風(fēng)能過(guò)大，導(dǎo)致風(fēng)葉損壞，可以適當(dāng)減小葉片的受力面積，或者葉片采用柔性材料．
故答案為：適當(dāng)減小葉片的受力面積（或者葉片采用柔性材料）．

點(diǎn)評(píng)：化石能源越來(lái)越少，碳排放所造成的環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視，開(kāi)發(fā)和利用新能源已成為人們的共識(shí)．太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)帷⒊毕�等新能源的利用已成為現(xiàn)實(shí)．通過(guò)新能源利用考查物理知識(shí)是中考命題的亮點(diǎn)之一．