Question

20．如图甲所示，是风力发电场的外景，小明在参观了发电场后，对风力发电产生了浓厚的兴趣．小明想：风力发电机输出功率是否与风速有关呢？为此，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1m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，并将数据记录在表一中．
（注：电风扇挡位越高，风速越大）

表一：

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

（1）这个实验是通过测量提升钩码到A点的时间来比较风车输出功率的大小．
（2）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，风力发电机输出功率越大．
为了研究风力发电机，他又从电厂查到一台1500kW的发电机组的相关数据：
表二：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

表三：发电机输出功率与风速的关系

风速（m/s）	5	10	15	20
输出功率（kW）	4	360	1500	1100

（3）风速为10m/s时，这台发电机的发电效率是30%．
（4）风速为10m/s时，这台发电机1h发的电可供100只“220V 100W”的路灯工作36h．
（5）你认为风力发电的优点是环保，节省能源，缺点是不稳定．

Answer 1

分析 （1）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．
（2）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．
（3）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．
（4）从表格数据得出风速为10m/s时，风车的输出功率，求出1h的发电量；再根据t=$\frac{W}{P}$求出这些能量供灯工作的时间．
（5）风力发电可以直接利用自然界的能量，节省能源，而且环保；但是风能不稳定．

解答 解：（1）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．
（2）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．
（3）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=360kW×1h=360kW•h=1.296×10⁹J，
风车发电的效率：
η=$\frac{{W}_{电}}{{W}_{总}}$×100%=$\frac{1.296×1{0}^{9}J}{4.32×1{0}^{9}J}$×100%=30%．
（4）风速为10m/s时，风车的输出功率360kW，
风车工作1h的发电量：W_电=360kW×1h=360kW•h，
这些能量可供教室里100只标有“220V 100W”的灯同时工作的时间：
t=$\frac{{W}_{电}}{{P}_{总}}$=$\frac{360kW•h}{0.1kW×100}$=36h；
（5）利用风力发电比较环保，无污染，可以节省能源；但是风是自然现象，不可以控制，不稳定．
故答案为：（1）提升钩码到A点的时间； 
（2）风力发电机的输出功率与风速有关，风速越大，风力发电机输出功率越大；
（3）30%；
（4）36；
（5）环保，节省能源；不稳定．

点评 本题主要考查了对风力的发电利用问题，考查了控制变量法的应用．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．