Question

（2007年全國(guó)初中應(yīng)用物理知識(shí)競(jìng)賽）空氣的流動(dòng)形成風(fēng)，風(fēng)具有能量，稱為風(fēng)能。風(fēng)能具有來(lái)源豐富、安全衛(wèi)生等優(yōu)點(diǎn)。圖2A是我國(guó)某地區(qū)風(fēng)力發(fā)電的外景圖。風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的葉片在風(fēng)力的推動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)機(jī)頭發(fā)電機(jī)發(fā)電，為人們提供電能。設(shè)該地區(qū)空氣密度為1.3kg/m³,一臺(tái)風(fēng)車的輪葉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可以形成面積為600m²的圓面。

（1） 、若風(fēng)速為10m/s，則ls內(nèi)沖擊到風(fēng)車輪葉形成的圓面的空氣質(zhì)量是多少kg？已知1kg空氣以這樣的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)具有的動(dòng)能是50J，10臺(tái)這樣的風(fēng)車工作ls所產(chǎn)生的電能可供1盞“220V 60W”燈炮正常工作2h，求這種風(fēng)車發(fā)電的效率。

（2）、若此地年平均風(fēng)速為15m/s，100臺(tái)這樣的風(fēng)車一年（工作時(shí)間按4000h計(jì)算）獲得的風(fēng)能相當(dāng)于完全燃燒多少kg煤？（煤的熱值為3×10⁷J/kg）

（3）、請(qǐng)你結(jié)合風(fēng)力發(fā)電的實(shí)際情況及圖4中的有關(guān)信息說(shuō)明自前風(fēng)力發(fā)電開發(fā)的困難和前景。

Answer 1

解析：（1）．每秒鐘通過(guò)的空氣流的長(zhǎng)度為：L=vt=10m/s×1s=10m。

每秒鐘通過(guò)風(fēng)車輪葉形成的圓面空氣流的體積V=SL=600m²×10m=6×10³m³。

每秒鐘通過(guò)風(fēng)車輪葉空氣流的質(zhì)量為：m=rV=1.3kg/m³×6×10³m³=7.8×10³kg。

1臺(tái)風(fēng)車工作1s獲得的空氣的動(dòng)能為：E₀=7.8×10³kg×50J/kg=3.9×10⁵J。

10臺(tái)風(fēng)車工作1s獲得的空氣的動(dòng)能為：E=10 E₀=10×3.9×10⁵J=3.9×10⁶J。

10臺(tái)風(fēng)車工作1s產(chǎn)生的電能為：E_電=Pt=60W×2×3600s=4.32×10⁵J

風(fēng)車發(fā)電的效率為：η= E_電/E×100%=4.32×10⁵J/3.9×10⁶J×100%=11%。

（2）．100臺(tái)風(fēng)車1s獲得的風(fēng)能為 E₀^‘=100×12×10⁴J=12×10⁷J

100臺(tái)風(fēng)車一年獲的風(fēng)能為 E_總=4000×3600×1.2×10⁷J=1.728×10¹⁴J

如果這些能量是由完全燃燒煤來(lái)獲得，則煤的質(zhì)量應(yīng)為：

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

（3）．風(fēng)力發(fā)電的實(shí)際困難為：風(fēng)力不穩(wěn)定，前期投資大，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電成本較高等。

前景：隨著技術(shù)不斷的成熟，成本下降較快，有望低于火力發(fā)電成本；風(fēng)力發(fā)電對(duì)環(huán)境幾乎沒(méi)有污染等。

【點(diǎn)評(píng)】此題以風(fēng)車發(fā)電為切入點(diǎn)，考查密度、動(dòng)能、能量、效率、熱值及其相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。