Question

14．如图甲所示，是江苏如东风力发电厂的外景，该场是亚洲目前建设规模最大的风电基地，小明在参观了发电场后，对风力发电机产生了浓厚的兴趣．

风力发电机发电时的输出功率和哪些因素有关呢？对这一问题，他做了如下猜想：
①风力发电机的输出功率可能与风速有关．
②风力发电机的输出功率可能与叶片的倾角有关．
（1）请你也提出一个猜想：
③风力发电机的输出功率可能与叶片面积有关．
为了探究风力发电机的输出功率是否与风速有关，小明设计了如下实验步骤：①如图乙，将风叶安装在风车底座上，把线的一端固定在风车转轴上，另一端系上钩码．②在风车正前方1米处放置电风扇，将电风扇的风速调到1挡位，用秒表记录提升钩码到A点所需的时间．③将电风扇换到2、3挡位，重复以上实验，并将数据记录在表格中．（注：电风扇挡位越高，风速越大）
表一：

电风扇挡位	钩码的质量（克）	提升钩码到A点的时间（秒）
1	50	15
2	50	13
3	50	10

请你回答：
（2）这个实验是通过测量砝码上升时间的长短来比较风车输出功率的大小．
（3）通过实验可以得到的结论是：风力发电机的输出功率与风速有关，风速越大输出功率越大．
为了进一步研究风力发电机，他又从电厂查到一台1500kW的发电机组的相关数据：
表二：输出功率与风速的关系

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

表三：不同风速下风力发电机每秒获得的风能：

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

（4）风能是清洁能源，也是可再生（选填“可再生”或“不可再生”）能源．风力发电机的工作原理是电磁感应．
（5）风速为10m/s时，这台发电机的发电效率为60%．

Answer 1

分析 （1）风速、叶片的倾角、叶片的材料以及叶片的表面积都可以影响发电机的输出功率；
（2）因风车输出的功率为提升重物的功率，要求提升重物的功率可以由P=$\frac{W}{t}$=$\frac{mgh}{t}$=mgv来求；而知道提升时间即可以得出提升物体的速度，则可比较风车的输出功率大小．
（3）分析表一中数据，电风扇档位越高，风速越大，提升钩码到A点的时间越短，据此得出结论．
（4）风能是可再生能源，发电机的制作原理是电磁感应现象，即发电过程是将机械能转化为电能的过程．
（5）从表格数据得出风速为10m/s时，1s内获得的能量，求出风车工作1h获得的能量（总能量）；再求出风车工作1h产生的电能（有用能量）；利用效率公式求风车发电的效率．

解答 解：（1）风叶的材料不同，可以影响发电机的输出功率，如组成风叶的材料越轻，则越易转动；同时若风叶的表面积不同，则风叶获得的能量不同，也可影响输出功率等．
（2）因提升高度要同，则由h=Vt可知，通过提升时间，可知提升的速度大小，则由P=$\frac{W}{t}$=$\frac{mgh}{t}$=mgv可知输出功率的大小，故比较提升时间可知功率大小．
（3）分析表一数据可见，在提升钩码质量相同的情况下，风速越大，提升钩码到A点的时间越短，风车的输出功率越大．
（4）风能是一种很清洁的可再生能源，资源丰富，无污染；风力发电将风能转化为电能，发电机是通过运动产生电能，即是利用电磁感应现象的原理制成的．
（5）风速为10m/s时，1s内获得的能量为120×10⁴J，
风车工作1h获得的能量：
W_总=120×10⁴J×3600s=4.32×10⁹J，
风车工作1h产生的电能：
W_电=720kw×1h=720kw•h=2.592×10⁹J，
风车发电的效率：η=$\frac{{W}_{电}}{{W}_{总}}$×100%=$\frac{2.592×1{0}^{9}J}{4.32×1{0}^{9}J}$×100%=60%．
故答案为：（1）叶片面积；（2）砝码上升时间的长短；（3）风力发电机的输出功率与风速有关，风速越大输出功率越大；（4）可再生；电磁感应；（5）60%．

点评 化石能源越来越少，碳排放所造成的环境问题越来越受到人们的重视，开发和利用新能源已成为人们的共识．太阳能、风能、地热、潮汐等新能源的利用已成为现实．通过新能源利用考查物理知识是中考命题的亮点之一．