Question

如圖甲所示，是江蘇如東風力發電場的外景，該場是亞洲目前建設規模最大的風電基地．小明在參觀了發電場后，對風力發電機產生了濃厚的興趣．

風力發電機發電時的輸出功率和哪些因素有關呢？對這一問題，他做了如下猜想：
①風力發電機的輸出功率可能與風速有關．
②風力發電機的輸出功率可能與葉片的傾角有關．
（1）請你也提出一個猜想：
③風力發電機的輸出功率可能與______有關．
為了探究風力發電機的輸出功率是否與風速有關，小明設計了如下實驗步驟：①如圖乙，將風葉安裝在風車底座上，把線的一端固定在風車轉軸上，另一端系上鉤碼．②在風車正前方1米處放置電風扇，將電風扇的風速調到1擋位，用秒表記錄提升鉤碼到A點所需的時間．③將電風扇換到2、3擋位，重復以上實驗，并將數據記錄在表格中．（注：電風扇擋位越高，風速越大）
表一：

電風扇擋位	鉤碼的質量（克）	提升鉤碼到A點的時間（秒）
1	50	15
2	50	13
3	50	10

請你回答：
（2）這個實驗是通過測量______來比較風車輸出功率的大小．
（3）通過實驗可以得到的結論是：______．
為了進一步研究風力發電機，他又從電廠查到一臺1500kW的發電機組的相關數據：
表二：輸出功率與風速的關系

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

表三：不同風速下風力發電機每秒獲得的風能：

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

（4）風能是清潔能源，也是______（選填“可再生”或“不可再生”）能源．風力發電機的工作原理是______．
（5）對表格進行分析，你發現風速在5m/s～15m/s的范圍內，風力發電機每秒獲得的風能與風速的關系是______．
（6）風速為10m/s時，這臺發電機1h發的電可供教室里10盞標有“220V  40W”的燈同時工作______h．這些能量相當于______kg煤完全燃燒放的熱．（煤的熱值是3×10⁷J/kg）
（7）風速為10m/s時，這臺發電機的發電效率為______．
（8）當風速超過20m/s時，為了防止每秒獲得的風能過大，導致風葉損壞，你認為可采取的措施是：______．

Answer 1

【答案】分析：（1）風速、葉片的傾角、葉片的材料以及葉片的表面積都可以影響發電機的輸出功率；
（2）因風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===mgV來求；而知道提升時間即可以得出提升物體的速度，則可比較風車的輸出功率大小．
（3）分析表一中數據，電風扇檔位越高，風速越大，提升鉤碼到A點的時間越短，據此得出結論．
（4）風能是可再生能源，發電機的制作原理是電磁感應現象，即發電過程是將機械能轉化為電能的過程．
（5）由表二和表三可知，風速小于15m/s時，風速越大，發電機的輸出功率增大，獲得的風能增大；但是風速大于15m/s時，風速越大，發電機的輸出功率減小，獲得的風能減小．
（6）從表格數據得出風速為10m/s時，風車的輸出功率，求出1h的發電量；再根據t=求出這些能量供燈工作的時間；根據m=求出需要燃燒的煤的質量．
（7）從表格數據得出風速為10m/s時，1s內獲得的能量，求出風車工作1h獲得的能量（總能量）；再求出風車工作1h產生的電能（有用能量）；利用效率公式求風車發電的效率；
（8）葉片的材料和表面積都會影響風力發電機獲得的風能，從這個角度考慮．
解答：解：（1）風葉的材料不同，可以影響發電機的輸出功率，如組成風葉的材料越輕，則越易轉動；同時若風葉的表面積不同，則風葉獲得的能量不同，也可影響輸出功率等．
故答案為：風葉的材料（或表面積）．
（2）因提升高度要同，則由h=Vt可知，通過提升時間，可知提升的速度大小，則由P===mgV可知輸出功率的大小，故比較提升時間可知功率大小．
故答案為：提升鉤碼到A點的時間．
（3）分析表一數據可見，在提升鉤碼質量相同的情況下，風速越大，提升鉤碼到A點的時間越短，風車的輸出功率越大．
故答案為：風速越大，風車的輸出功率越大．
（4）風能是一種很清潔的可再生能源，資源豐富，無污染；風力發電將風能轉化為電能，發電機是通過運動產生電能，即是利用電磁感應現象的原理制成的．
故答案為：可再生；電磁感應．
（5）分析表二和表三可知，風速在5m/s～15m/s的范圍內，風車獲得的能量隨風速的增大而增大，并且成倍數的增加，所以風車獲得的能量與風速成正比關系．
故答案為：風車獲得的能量與風速成正比關系．
（6）風速為10m/s時，風車的輸出功率720kw，
風車工作1h的發電量：
W_電=720kw×1h=720kw?h，
①這些能量可供教室里10盞標有“220V 40W”的燈同時工作的時間：
t===1800h
②產生這些能量需要完全燃燒煤的質量：
m===86.4kg
故答案為：1800；86.4．
（7）風速為10m/s時，1s內獲得的能量為120×10⁴J，
風車工作1h獲得的能量：
W_總=120×10⁴J×3600s=4.32×10⁹J，
風車工作1h產生的電能：
W_電=720kw×1h=720kw?h=2.592×10⁹J，
風車發電的效率：
η=×100%=×100%=60%
故答案為：60%．
（8）為了防止每秒獲得的風能過大，導致風葉損壞，可以適當減小葉片的受力面積，或者葉片采用柔性材料．
故答案為：適當減小葉片的受力面積（或者葉片采用柔性材料）．
點評：化石能源越來越少，碳排放所造成的環境問題越來越受到人們的重視，開發和利用新能源已成為人們的共識．太陽能、風能、地熱、潮汐等新能源的利用已成為現實．通過新能源利用考查物理知識是中考命題的亮點之一．