Question

（2007年全国初中应用物理知识竞赛）空气的流动形成风，风具有能量，称为风能。风能具有来源丰富、安全卫生等优点。图2A是我国某地区风力发电的外景图。风力发电机中的叶片在风力的推动下转动，并带动机头发电机发电，为人们提供电能。设该地区空气密度为1.3kg/m³,一台风车的轮叶转动时可以形成面积为600m²的圆面。

（1） 、若风速为10m/s，则ls内冲击到风车轮叶形成的圆面的空气质量是多少kg？已知1kg空气以这样的速度运动时具有的动能是50J，10台这样的风车工作ls所产生的电能可供1盏“220V 60W”灯炮正常工作2h，求这种风车发电的效率。

（2）、若此地年平均风速为15m/s，100台这样的风车一年（工作时间按4000h计算）获得的风能相当于完全燃烧多少kg煤？（煤的热值为3×10⁷J/kg）

（3）、请你结合风力发电的实际情况及图4中的有关信息说明自前风力发电开发的困难和前景。

Answer 1

解析：（1）．每秒钟通过的空气流的长度为：L=vt=10m/s×1s=10m。

每秒钟通过风车轮叶形成的圆面空气流的体积V=SL=600m²×10m=6×10³m³。

每秒钟通过风车轮叶空气流的质量为：m=rV=1.3kg/m³×6×10³m³=7.8×10³kg。

1台风车工作1s获得的空气的动能为：E₀=7.8×10³kg×50J/kg=3.9×10⁵J。

10台风车工作1s获得的空气的动能为：E=10 E₀=10×3.9×10⁵J=3.9×10⁶J。

10台风车工作1s产生的电能为：E_电=Pt=60W×2×3600s=4.32×10⁵J

风车发电的效率为：η= E_电/E×100%=4.32×10⁵J/3.9×10⁶J×100%=11%。

（2）．100台风车1s获得的风能为 E₀^‘=100×12×10⁴J=12×10⁷J

100台风车一年获的风能为 E_总=4000×3600×1.2×10⁷J=1.728×10¹⁴J

如果这些能量是由完全燃烧煤来获得，则煤的质量应为：

m=E_总/q=1.728×10¹⁴J/3×10⁷J/kg=5.76×10⁶kg

（3）．风力发电的实际困难为：风力不稳定，前期投资大，导致风力发电成本较高等。

前景：随着技术不断的成熟，成本下降较快，有望低于火力发电成本；风力发电对环境几乎没有污染等。

【点评】此题以风车发电为切入点，考查密度、动能、能量、效率、热值及其相关知识点。