北京高考物理专题_新能源发电(风能、光能核能、潮汐能.docx

北京高考物理专题之发电机北京景山学校北京高考甚至全国高考历年考试真题中，有多次考查到各种各样的新能源发电机。包括风力发电、水力发电、磁流体发电、核能发电、太阳能发电等等。考查的类型通常为计算题中难度相对较大的一题。处理方法通常是利用动量定理和功能关系或电磁学与力学知识相结合，是一道信息量、阅读量较大、灵活多变的综合题。需要学生从中提取各种有用信息。如能将题意理解深透，题目设计的问题相对较为简单，综合动量定理和功能关系或电磁学与力学知识等，我们能够轻易解决。2010年北京23.（18分）利用霍尔效应制作的霍尔元件以及传感器，广泛应用于测量和自动控制等领域。如图1，将一金属或半导体薄片垂直置于磁场B中，在薄片的两个侧面a、b间通以电流I时，另外两侧c、f间产生电势差，这一现象称为霍尔效应。其原因是薄片中的移动电荷受洛伦兹力的作用向一侧偏转和积累，于是c、f间建立起电场EH，同时产生霍尔电势差UH。当电荷所受的电场力与洛伦兹力处处相等时，EH和UH达到稳定值，UH的大小与I和B以及霍尔元件厚度d之间满足关系式UHRH，其中比例系数RH称为霍尔系数，仅与材料性质有关。（1）设半导体薄片的宽度（c、f间距）为l，请写出UH和EH的关系式;若半导体材料是电子导电的，请判断图1中c、f哪端的电势高;（2）已知半导体薄片内单位体积中导电的电子数为n，电子的电荷量为e，请导出霍尔系数RH的表达式。（通过横截面积S的电流InevS，其中v是导电电子定向移动的平均速率）;（3）图2是霍尔测速仪的示意图，将非磁性圆盘固定在转轴上，圆盘的周边等距离地嵌装着m个永磁体，相邻永磁体的极性相反。霍尔元件置于被测圆盘的边缘附近。当圆盘匀速转动时，霍尔元件输出的电压脉冲信号图像如图3所示。 a.若在时间t内，霍尔元件输出的脉冲数目为P，请导出圆盘转速N的表达式。b.利用霍尔测速仪可以测量汽车行驶的里程。除此之外，请你展开“智慧的翅膀”，提出另一个实例或设想。2008年北京23（18分）风能将成为21世纪大规模开发的一种可再生清洁能源。风力发电机是将风能（气流的功能）转化为电能的装置，其主要部件包括风轮机、齿轮箱，发电机等。如图所示。（1）利用总电阻 的线路向外输送风力发电机产生的电能。输送功率，输电电压，求导线上损失的功率与输送功率的比值;（2）风轮机叶片旋转所扫过的面积为风力发电机可接受风能的面积。设空气密度为p，气流速度为v，风轮机叶片长度为r。求单位时间内流向风轮机的最大风能Pm;在风速和叶片数确定的情况下，要提高风轮机单位时间接受的风能，简述可采取的措施。（3）已知风力发电机的输出电功率P与Pm成正比。某风力发电机的风速v1=9m/s时能够输出电功率P1=540kW。我国某地区风速不低于v2=6m/s的时间每年约为5000小时，试估算这台风力发电机在该地区的最小年发电量是多少千瓦时。07年北京23. （18分）环保汽车将为2008年奥运会场馆服务。某辆以蓄电池为驱动能源的环保汽车，总质量m3103 kg。当它在水平路面上以v36 km/h的速度匀速行驶时，驱动电机的输入电流I50 A，电压U300 V。在此行驶状态下：求驱动电机的输入功率P电；若驱动电机能够将输入功率的90%转化为用于牵引汽车前进的机械功率P机，求汽车所受阻力与车重的比值（g取10 m/s2）；设想改用太阳能电池给该车供电，其他条件不变，求所需的太阳能电池板的最小面积。结合计算结果，简述你对该设想的思考。已知太阳辐射的总功率P041026 W，太阳到地球的距离r1.51011 m，太阳光传播到达地面的过程中大约有30%的能量损耗，该车所用太阳能电池的能量转化效率约为15%。06年北京24（20分）磁流体推进船的动力来源于电流与磁场间的相互作用。图1是平静海面上某实验船的示意图，磁流体推进器由磁体、电极和矩形通道（简称通道）组成。如图2所示，通道尺寸a2.0m，b0.15m、c0.10m。工作时，在通道内沿z轴正方向加B8.0T的匀强磁场；沿x轴正方向加匀强电场，使两金属板间的电压U99.6V；海水沿y轴正方向流过通道。已知海水的电阻率0.22m。（1）船静止时，求电源接通瞬间推进器对海水推力的大小和方向；（2）船以vs5.0m/s的速度匀速前进。若以船为参照物，海水以5.0m/s的速率涌入进水口由于通道的截面积小球进水口的截面积，在通道内海水速率增加到vd8.0m/s。求此时两金属板间的感应电动势U。（3）船行驶时，通道中海水两侧的电压U/UU计算，海水受到电磁力的80%可以转化为对船的推力。当船以vs5.0m/s的船速度匀速前进时，求海水推力的功率。03年北京25（20分）曾经流行过一种向自行车车头灯供电的小型交流发电机，因I为其结构图中N、S是一对固定的磁极，abcd为固定在转轴上的矩形线框，转轴过bc边中ab边平行，它的一端有一半径r0=1.0cm的摩擦小轮，小轮与自行车车轮的边缘接触，如图2所示。当车轮转动时，因摩擦而带动小轮转动，从而使线框在磁极间转动线框由N=800匝导线圈组成，每匝线圈的面积S=20cm2，磁极间磁场可视匀磁场，磁感强度B=0.010T，自行车车轮的半径R1=35cm，小齿轮的半径R2=4.0cm齿轮的半径R3=10.0cm（见图2）。现从静止开始大齿轮加速转动，问大齿轮1度为多大才能使发电机输出电压的有效值U=3.2V。 （假定摩擦小轮与自行车车轮之间无相对滑动）上游水库下游水库Hd2012西城二模（18分）十三陵抽水蓄能电站担负着北京地区调峰和紧急事故备用电源，改善首都供电质量的重要任务。抽水蓄能电站的工作原理是，在用电低谷时，电站利用电网多余电能把水抽到高处蓄水池中，到用电高峰时，再利用蓄水池中的水发电。电站利用已建十三陵水库为下游水库，在蟒山后上寺沟头修建上游水库。电站的年发电量约为10亿kWh，年抽水用电量约为14亿kWh。如图所示，上游水库近似视为长方体，可用于发电的库容量为V，蓄水后上游水库水深为d，蓄水后水位高出下游水面高度为H。已知下游水库的库容量远大于上游水库的库容量。（1）求十三陵抽水蓄能电站的总效率；（2）求能用于发电的水的最大重力势能EP；（3）若把抽水蓄能电站产生的电能输送到北京城区。已知输电功率为P，输电线路的总阻值为R。要使输电线路上损耗的功率小于P， a求输电电压的最小值U；b在输电功率一定时，请提出两种减少输电过程中功率损耗的方法。2012年海淀二模23（18分）大风可能给人们的生产和生活带来一些危害，同时风能也是可以开发利用的清洁能源。甲风轮机叶片发电机风力发电机示意图乙齿轮箱与（1）据北京市气象台监测显示，2012年3月23日北京刮起了今年以来最大的风，其短时风力达到近十级。在海淀区某公路旁停放的一辆小轿车被大风吹倒的数字信息亭砸中，如图甲所示。已知该信息亭形状为长方体，其高度为h，底面是边长为l的正方形，信息亭所受的重力为G，重心位于其几何中心。求大风吹倒信息亭的过程中，至少需要对信息亭做多少功；若已知空气密度为，大风的风速大小恒为v，方向垂直于正常直立的信息亭的竖直表面，大风中运动的空气与信息亭表面作用后速度变为零。求信息亭正常直立时，大风给它的对时间的平均作用力为多大。（2）风力发电是利用风能的一种方式，风力发电机可以将风能（气流的动能）转化为电能，其主要部件如图乙所示。已知某风力发电机风轮机旋转叶片正面迎风时的有效受风面积为S，运动的空气与受风面作用后速度变为零，风力发电机将风能转化为电能的效率和空气密度均保持不变。当风速为v且风向与风力发电机受风面垂直时，风力发电机输出的电功率为P。求在同样的风向条件下，风速为时这台风力发电机输出的电功率。利用风能发电时由于风速、风向不稳定，会造成风力发电输出的电压和功率不稳定。请你提出一条合理性建议，解决这一问题。31电磁感应之发电：电磁炉起加热作用的底盘可以简化等效为如图所示的31个同心导电圆环，各圆环之间彼此绝缘，导电圆环所用材料单位长度的电阻为R0=0.125（/m）。从中心向外第n个同心圆环的半径（cm），式中n=1、231。电磁炉工作时产生垂直于锅底方向的变化磁场，磁场的磁感应强度B的变化率为=100sint（T/s）。（计算时取2=10）半径为r1（n=1）的圆环中感应电动势最大值为多少伏？半径为r1（n=1）的圆环中感应电流的有效值为多少安？各导电圆环总的发热功率为多少瓦？潮汐发电：图3为潮汐发电的示意图。左侧是大海，中间有水坝，水坝下装有发电机，右侧是水库。当涨潮到海平面最高时开闸，水由通道进入海湾水库，发电机在水流的推动下发电，待库内水面升至最高点时关闭闸门；当落潮到海平面最低时，开闸放水发电。设某潮汐发电站发电有效库容V =3.610 6m3，平均潮差h = 4.8m，一天涨落潮两次，发电四次。水流发电的效率1 = 10。求该电站一天内利用潮汐发电的平均功率P；核能发电：核聚变能是一种具有经济性能优越、安全可靠、无环境污染等优势的新能源。近年来，受控核聚变的科学可行性已得到验证，目前正在突破关键技术，最终将建成商用核聚变电站。一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘（又叫重氢）和氚（又叫超重氢）聚合成氦，并释放一个中子。若已知氘原子的质量为，氚原子的质量为，氦原子的质量为4.0026u，中子的质量为1.0087u，。 （1）写出氘和氚聚合的反应方程。 （2）试计算这个核反应释放出来的能量。 （3）若建一座功率为的核聚变电站，假设聚变所产生的能量有一半变成了电能，每年要消耗多少氘的质量？参考答案：2010年北京23（18分）（1）由 当电场力与洛伦兹力相等时 得 将 、代入，得 （2） a.由于在时间t内，霍尔元件输出的脉冲数目为P，则 P=mNt圆盘转速为 N= 提出的实例或设想 2008年北京23、（18分）导线上损失的功率为损失的功率与输送功率的比值风垂直流向风轮机时，提供的风能功率最大单位时间内垂直流向叶片旋转面积的气体质量为：vS，风能的最大功率可表示为：采取措施合理，如增加风轮机叶片长度，安装调向装置保持风轮机正面迎风等按题意，风力发电机的输出功率为P2最小年发电量约为WP2t1605000 kWh8105 kWh07年北京：23.答案：（1）驱动电机的输入功率 （2）在匀速行驶时 汽车所受阻力与车重之比 。（3）当阳光垂直电磁板入射式，所需板面积最小，设其为S，距太阳中心为r的球面面积。若没有能量的损耗，太阳能电池板接受到的太阳能功率为，则设太阳能电池板实际接收到的太阳能功率为P， 由于，所以电池板的最小面积 2006年北京24.(20分)(1)根据安培力公式,推力F1=I1Bb,其中I1=,R则Ft= N对海水推力的方向沿y轴正方向(向右)(2)U感=Bu感b=9.6 V(3)根据欧姆定律，I2= A安培推力F2=I2Bb=720 N对船的推力F=80%F2=576 N推力的功率P=Fvs=80%F2vs=2 880 W2003年北京2525解：当自行车轮转动时，通过摩擦小轮使发电机的线框在匀强磁场内转动，线框中产生正弦交流电动势，具最大值 式中为线框转动的角速度，即摩擦小轮转动的角速度。 发电机两端电压的有效值 设自行车车转动的角速度为由于自行车车轮与摩擦小轮之间无相对滑动， 小齿轮转动的角速度与自行车轮转动的角速度相同，也为设大齿轮转动的角速度 有由以上各式解得 代入数据得2012年西城二模23（共18分）（1）总效率 2分 2分（2）能用于发电的水的总质量 ；能用于发电的水的平均下落高度 所以，能用于发电的水的最大重力势能： 6分说明：上式中取1000kg/m3 , g取9.8m/s2或10 m/s2均可。 （3）a当输电电压为U时，输电电流1分所以，损失功率 2分 所以，输电电压的最小值2分b提高输电电压U (最经济) 2分增大输电导线的横截面积（或采用电阻率小的输电导线材料） (不经济) 1分； 说明：本题共18分。第（1）问4分；第（2）问6分；第（3）问8分。2012年海淀二模23（18分）（1）信息亭被大风吹倒的过程中，其重心上升的最大高度为Dh=2分当信息亭重心最高时速度为零，风对信息亭所做的功最少。设风吹倒信息亭至少做的功为W，由动能定理，有 W-GDh=0 2分解得 W=1分在Dt时间内垂直于信息亭表面吹来的风的空气质量为Dm=hlvDt1分设信息亭对空气的作用力为F，由动量定理，有 -FDt=0 -hlv2Dt 2分解得 F=hlv2 1分根据牛顿第三定律可知，大风（空气）对信息亭的作用力F=F=hlv2 1分（2）单位时间内垂直吹向旋转叶片有效受风面积的空气的质量为m=rSv这些空气所具有的动能为 Ek=rSv32分设风力发电机将风能转化为电能的效率为k，则风力发电机输出的电功率为 P=kEk= krSv3 1分当风速为