Question

大風可能給人們的生產(chǎn)和生活帶來一些危害，同時風能也是可以開發(fā)利用的清潔能源．
（1）據(jù)北京市氣象臺監(jiān)測顯示，2012年3月23日北京刮起了今年以來最大的風，其短時風力達到近十級．在海淀區(qū)某公路旁停放的一輛小轎車被大風吹倒的數(shù)字信息亭砸中，如圖甲所示．已知該信息亭形狀為長方體，其高度為h，底面是邊長為l的正方形，信息亭所受的重力為G，重心位于其幾何中心．
①求大風吹倒信息亭的過程中，至少需要對信息亭做多少功；
②若已知空氣密度為ρ，大風的風速大小恒為v，方向垂直于正常直立的信息亭的豎直表面，大風中運動的空氣與信息亭表面作用后速度變?yōu)榱悖�求信息亭正常直立時，大風給它的對時間的平均作用力為多大．
（2）風力發(fā)電是利用風能的一種方式，風力發(fā)電機可以將風能（氣流的動能）轉(zhuǎn)化為電能，其主要部件如圖乙所示．已知某風力發(fā)電機風輪機旋轉(zhuǎn)葉片正面迎風時的有效受風面積為S，運動的空氣與受風面作用后速度變?yōu)榱悖�風力發(fā)電機將風能轉(zhuǎn)化為電能的效率和空氣密度均保持不變．當風速為v且風向與風力發(fā)電機受風面垂直時，風力發(fā)電機輸出的電功率為P．求在同樣的風向條件下，風速為

v

2

時這臺風力發(fā)電機輸出的電功率．
利用風能發(fā)電時由于風速、風向不穩(wěn)定，會造成風力發(fā)電輸出的電壓和功率不穩(wěn)定．請你提出一條合理性建議，解決這一問題．

Answer 1

分析：（1）先找出信息亭的重心，利用動能定理求做的功，由動量定理求對信息亭的作用力．
（2）先求空氣的動能，再根據(jù)斜率求出發(fā)電機的輸出功率．

解答：解：（1）①信息亭被大風吹倒的過程中，其重心上升的最大高度為
△h=

1

2

(

h2+l2

-h)
當信息亭重心最高時速度為零，風對信息亭所做的功最少．設(shè)風吹倒信息亭至少做的功為W，由動能定理，有 W-G△h=0
解得 W=

1

2

G(

h2+l2

-h)
②在△t時間內(nèi)垂直于信息亭表面吹來的風的空氣質(zhì)量為△m=ρhlv△t
設(shè)信息亭對空氣的作用力為F，由動量定理，有-F△t=0-ρhlv²△t
解得 F=ρhlv²
根據(jù)牛頓第三定律可知，大風（空氣）對信息亭的作用力
F′=F=ρhlv²
（2）單位時間內(nèi)垂直吹向旋轉(zhuǎn)葉片有效受風面積的空氣的質(zhì)量為m=ρSv
這些空氣所具有的動能為 E_k=

1

2

ρSv³
設(shè)風力發(fā)電機將風能轉(zhuǎn)化為電能的效率為k，則風力發(fā)電機輸出的電功率為
P=kE_k=

1

2

kρSv³
當風速為

v

2

時輸出的電功率 P′=

1

2

kρS(

v

2

)3=

1

8

P
若風向改變，可以調(diào)整風車的葉面朝向，使葉面與風速垂直，風力發(fā)電機更多地接受風能；風大時可以讓風力發(fā)電機將多余的電能給蓄電池充電，把電能儲存起來，發(fā)電機輸出功率變小時用蓄電池輔助供電等．
答；（1）①大風吹倒信息亭的過程中，至少需要對信息亭做功

1

2

G(

h2+l2

-h)；
②信息亭正常直立時，大風給它的平均作用力為ρhlv²．
（2）發(fā)電機輸出的電功率為

1

8

P．

點評：本題是道信息量非常大的題目，其中包含了眾多物理信息，這就要求我們要仔細閱讀題目，篩選出對我們解題有幫助的信息．