Question

某電力公司開發出一種圓柱形氣球狀的發電機（如圖），氣球體積3.0×10⁵m³，懸于風力充足的300m高空，整個裝置質量為5.2t，中心處大的風扇隨風轉動，帶動發電機．產生的電流通過系著的電線到地面，但該風力發電機5m/s以上的風速才可以發電．曲阜北部地區春秋季風力大，持續時間長，可以考慮利用該裝置在曲阜北部地區開發風力發電．下表是該風力發電機在不同風速下的發電功率．

風速m/s	5	6	7	8	9	10
功率kW	9	22	34	44	53	60

請完成以下問題：
（1）假設300m高空的空氣密度為1.2kg/m³，氣球在高空受到的浮力是多少N？
（2）整個裝置重為多少N？（g=10N/kg）
（3）假如地面大氣壓為一標準大氣壓，每升高12m，大氣壓降低1mm汞柱，發電機處的大氣壓為多少mm汞柱？
（4）某天平均風速5m/s，1天獲得的電能假設全部用于帶動電動抽水機工作，能把多少kg水抽到9m高的水池里？
（5）若曲阜北部地區每年平均風速7m/s，該風力發電機每年工作4600h，則它的年發電量相當于多少kg汽油完全燃燒放出的熱量？（汽油的熱值4.6×10⁷J/kg）
（6）風能是屬于______再生能（選填“可”或“不可”），根據發電機工作的原理推測其內部必備的組成是______和線圈．
（7）該風力發電機的優點是______，缺點是______（各寫一條）

Answer 1

【答案】分析：（1）知道氣球的體積和高空的空氣密度，根據阿基米德原理求出氣球受到的浮力（阿基米德原理既適用于液體，也適用于氣體）．
（2）知道裝置的質量，根據G=mg求出裝置的重力．
（3）根據大氣壓每升高12m下降1mm汞柱，求出上升300m，大氣壓的值．
（4）在表中查出風速是5m/s時的功率，求出一天風所做的功，求出這些功轉化為電能使水升高，能把多少N的水升高9m，再求出水的質量．
（5）在表格中找出風速是7m/s時的功率，工作4600h，風做功多少，這些功轉化為內能，等于汽油完成燃燒放出的熱量，根據W=mq，求出完全燃燒汽油的質量．
（6）風能取之不盡用之不竭，是可再生能源．
發電機是利用電磁感應工作的，裝置內部一定要線圈和磁體．
（7）風能清潔環保，但是不穩定．
解答：解：（1）氣球在高空受到的浮力：
F_浮=ρ_空氣gV_排=ρ_空氣gV_球=1.2kg/m³×10N/kg×3.0×10⁵m³=3.6×10⁶N．
（2）裝置質量：m=5.2t=5.2×10³kg，
裝置的重力：G=mg=5.2×10³kg×10N/kg=5.2×10⁴N．
（3）大氣壓每升高12m下降1mmHg，升高300m，大氣壓下降mmHg為：=25（mmHg），
所以300m高空的大氣壓為：760mmHg-25mmHg=735mmHg．
（4）在表中查出風速為5m/s時的功率P=9kW=9000W，
∵P=，
∴工作一天，風做功為：W=Pt=9000W×24×3600s=7.776×10⁸J，
∵W=Gh，
∴這些功轉化為電能使水升高9m，被升高水的重力為：G===8.64×10⁷N．
水的質量為：m===8.64×10⁶kg．
（5）在表中查出風速為7m/s時的功率P'=34kW=34000W，
工作4600h，風做功為：W'=P't'=34000W×4600×3600s=5.6304×10¹¹J，
∴這些功完全轉化為內能，完全用汽油完全燃燒活動，需要的汽油質量為：
m===12240kg．
答：（1）氣球在高空受到的浮力是3.6×10⁶N．
（2）整個裝置重為5.2×10⁴N．
（3）發電機處的大氣壓為735mm汞柱．
（4）某天平均風速5m/s，1天獲得的電能假設全部用于帶動電動抽水機工作，能把8.64×10⁶kg水抽到9m高的水池里．
（5）若曲阜北部地區每年平均風速7m/s，該風力發電機每年工作4600h，則它的年發電量相當于12240kg汽油完全燃燒放出的熱量．
（6）風能取之不盡用之不竭，是可再生能源．
發電機是利用電磁感應工作的，裝置內部一定要線圈和磁體．
（7）風能清潔環保，但是不穩定．
故答案為；（6）可；磁體；（7）清潔環保；不穩定．
點評：（1）阿基米德原理既適用于液體，也適用于氣體．
（2）本題把功和燃料完全燃燒放出的熱量聯系起來，把功和克服重力做功聯系起來，綜合性很強，有一定的難度．