试题

如图甲所示，是江苏如东风力发电场的外景，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：．
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（选填“可再生”或“不可再生”）能源．风力发电机的工作原理是．
（5）对表格进行分析，你发现风速在5m/s～15m/s的范围内，风力发电机每秒获得的风能与风速的关系是．
（6）风速为10m/s时，这台发电机1h发的电可供教室里10盏标有“220V  40W”的灯同时工作h．这些能量相当于kg煤完全燃烧放的热．（煤的热值是3×10⁷J/kg）
（7）风速为10m/s时，这台发电机的发电效率为．
（8）当风速超过20m/s时，为了防止每秒获得的风能过大，导致风叶损坏，你认为可采取的措施是：．

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．
故答案为：风叶的材料（或表面积）．
（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=

W

t

=

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．
故答案为：提升钩码到A点的时间．
（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．
故答案为：风速越大，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．
故答案为：可再生；电磁感应．
（5）分析表二和表三可知，风速在5m/s～15m/s的范围内，风车获得的能量随风速的增大而增大，并且成倍数的增加，所以风车获得的能量与风速成正比关系．
故答案为：风车获得的能量与风速成正比关系．
（6）风速为10m/s时，风车的输出功率720kw，
风车工作1h的发电量：
W_电=720kw×1h=720kw·h，
①这些能量可供教室里10盏标有“220V 40W”的灯同时工作的时间：
t=

W电

P总

=

720kwh

0.04kw×10

=1800h
②产生这些能量需要完全燃烧煤的质量：
m=

Q

q

=

720×3.6×106J

3×107J/kg

=86.4kg
故答案为：1800；86.4．
（7）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=

W电

W总

×100%=

2.592×109J

4.32×109J

×100%=60%
故答案为：60%．
（8）为了防止每秒获得的风能过大，导致风叶损坏，可以适当减小叶片的受力面积，或者叶片采用柔性材料．
故答案为：适当减小叶片的受力面积（或者叶片采用柔性材料）．