Question

10．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葉片面積有關．
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砝碼上升時間的長短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：風力發電機的輸出功率與風速有關，風速越大輸出功率越大．
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，也是可再生（選填“可再生”或“不可再生”）能源．風力發電機的工作原理是電磁感應．
（5）風速為10m/s時，這臺發電機的發電效率為60%．

Answer 1

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=$\frac{W}{t}$=$\frac{mgh}{t}$=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�。�
（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）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．

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．
（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=$\frac{W}{t}$=$\frac{mgh}{t}$=mgV可知輸出功率的大小，故比較提升時間可知功率大小．
（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．
（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．
（5）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=$\frac{{W}_{電}}{{W}_{總}}$×100%=$\frac{2.592×1{0}^{9}J}{4.32×1{0}^{9}J}$×100%=60%
故答案為：（1）葉片面積；（2）砝碼上升時間的長短；（3）風力發電機的輸出功率與風速有關，風速越大輸出功率越大；（4）可再生；電磁感應；（5）60%．

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．