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17. 如图所示是某市新农村建设中一道靓丽的风景——风光互补路灯.“有风无光”风力发电机发电，“有光无风”太阳能电池板发电，二者皆备时同时发电，并日夜蓄能，某型号的该路灯额定功率为$50 \mathrm{ W}$.试问：
(1)风力发电机利用风力发电时，是将
(2)“幸福村”安装了这种“风光互补路灯”100盏，如果每天路灯正常工作$10 \mathrm{ h}$，一月($30$天)消耗的电能相当于完全燃烧多少千克的天然气所放出的热量？(天然气的热值为$6.4×10^{7} \mathrm{ J/kg}$)
(3)若太阳能的辐射功率为$800 \mathrm{ J/(s} · \mathrm{m}^2)$($1 \mathrm{ s$内辐射在$1 \mathrm{ m}^2$上的太阳能为$800 \mathrm{ J}$)，太阳能的光电转换效率为$12.5\%$，太阳能电池板在$1 \mathrm{ m}^2$的面积上的平均输出功率是多少?
(4)若每个路灯上太阳能电池板的面积为$0.8 \mathrm{ m}^2$，每天有效日照时间$8 \mathrm{ h}$，则每个路灯上太阳能电池板一天发电多少千瓦时?
(5)从物理学的角度说出这种“风光互补路灯”的优点有哪些？(答出一点即可)
(1)风力发电机利用风力发电时，是将
机械
能转化为电能.(2)“幸福村”安装了这种“风光互补路灯”100盏，如果每天路灯正常工作$10 \mathrm{ h}$，一月($30$天)消耗的电能相当于完全燃烧多少千克的天然气所放出的热量？(天然气的热值为$6.4×10^{7} \mathrm{ J/kg}$)
(3)若太阳能的辐射功率为$800 \mathrm{ J/(s} · \mathrm{m}^2)$($1 \mathrm{ s$内辐射在$1 \mathrm{ m}^2$上的太阳能为$800 \mathrm{ J}$)，太阳能的光电转换效率为$12.5\%$，太阳能电池板在$1 \mathrm{ m}^2$的面积上的平均输出功率是多少?
(4)若每个路灯上太阳能电池板的面积为$0.8 \mathrm{ m}^2$，每天有效日照时间$8 \mathrm{ h}$，则每个路灯上太阳能电池板一天发电多少千瓦时?
(5)从物理学的角度说出这种“风光互补路灯”的优点有哪些？(答出一点即可)
答案
机械
解：
(2) 100盏路灯一月消耗的电能$W_{\mathrm{总}}=nPt=100×0.05\ \mathrm{kW}×10\ \mathrm{h}×30=1500\ \mathrm{kW·h}=5.4×10^9\ \mathrm{J}$，
由$Q_{\mathrm{放}}=W_{\mathrm{总}}=mq$得天然气质量$m=\frac{Q_{\mathrm{放}}}{q}=\frac{5.4×10^9\ \mathrm{J}}{6.4×10^7\ \mathrm{J/kg}}=84.375\ \mathrm{kg}$。
(3) 平均输出功率$P_{\mathrm{出}}=800\ \mathrm{J/(s·m}^2\mathrm{)}×12.5\%=100\ \mathrm{W}$。
$ (4) 1\ \mathrm{m}^2$一天发电$W_1=P_{\mathrm{出}}t_{\mathrm{照}}=0.1\ \mathrm{kW}×8\ \mathrm{h}=0.8\ \mathrm{kW·h}$，
$ 0.8\ \mathrm{m}^2$一天发电$W=0.8\ \mathrm{kW·h}×0.8=0.64\ \mathrm{kW·h}$。
(5) 节约能源、清洁、无污染、可再生、保护环境，且易安装等。（合理即可）
解：
(2) 100盏路灯一月消耗的电能$W_{\mathrm{总}}=nPt=100×0.05\ \mathrm{kW}×10\ \mathrm{h}×30=1500\ \mathrm{kW·h}=5.4×10^9\ \mathrm{J}$，
由$Q_{\mathrm{放}}=W_{\mathrm{总}}=mq$得天然气质量$m=\frac{Q_{\mathrm{放}}}{q}=\frac{5.4×10^9\ \mathrm{J}}{6.4×10^7\ \mathrm{J/kg}}=84.375\ \mathrm{kg}$。
(3) 平均输出功率$P_{\mathrm{出}}=800\ \mathrm{J/(s·m}^2\mathrm{)}×12.5\%=100\ \mathrm{W}$。
$ (4) 1\ \mathrm{m}^2$一天发电$W_1=P_{\mathrm{出}}t_{\mathrm{照}}=0.1\ \mathrm{kW}×8\ \mathrm{h}=0.8\ \mathrm{kW·h}$，
$ 0.8\ \mathrm{m}^2$一天发电$W=0.8\ \mathrm{kW·h}×0.8=0.64\ \mathrm{kW·h}$。
(5) 节约能源、清洁、无污染、可再生、保护环境，且易安装等。（合理即可）
解析
【分析】
1. 第(1)问：风力发电机工作时，风具有机械能，发电过程是将机械能转化为电能，结合能量转化的基本规律直接判断即可。
2. 第(2)问：先根据电能公式$W=Pt$计算100盏路灯一月消耗的总电能，再利用燃料燃烧放热公式$Q_{\mathrm{放}}=mq$，结合消耗的电能等于天然气燃烧放出的热量，变形求出天然气的质量，注意单位的统一与换算。
3. 第(3)问：太阳能的光电转换效率是输出电能的功率与太阳能辐射功率的比值，因此输出功率等于太阳能辐射功率乘以光电转换效率，代入数据直接计算即可。
4. 第(4)问：先根据$W=Pt$计算$1\ \mathrm{m}^2$太阳能电池板一天的发电量，再乘以电池板的面积得到每个路灯电池板一天的发电量，注意功率单位换算为$\mathrm{kW}$、时间用$\mathrm{h}$，使结果单位为$\mathrm{kW·h}$。
5. 第(5)问：从环保、节能、能源可再生性等角度分析风光互补路灯的优点，合理即可。
【解析】
(1) 风力发电机利用风力发电时，是将机械（风）能转化为电能。
(2) 计算100盏路灯一月消耗的总电能：
已知每盏路灯额定功率$P=50\ \mathrm{W}=0.05\ \mathrm{kW}$，根据电能公式$W=Pt$，100盏路灯每天工作$10\ \mathrm{h}$，一月（30天）消耗的总电能为：
$W_{\mathrm{总}}=nPt=100×0.05\ \mathrm{kW}×10\ \mathrm{h}×30=1500\ \mathrm{kW·h}=5.4×10^9\ \mathrm{J}$
因为消耗的电能等于天然气完全燃烧放出的热量，即$Q_{\mathrm{放}}=W_{\mathrm{总}}$，由$Q_{\mathrm{放}}=mq$可得，需要完全燃烧天然气的质量：
$m=\frac{Q_{\mathrm{放}}}{q}=\frac{5.4×10^9\ \mathrm{J}}{6.4×10^7\ \mathrm{J/kg}}=84.375\ \mathrm{kg}$
(3) 已知太阳能辐射功率为$800\ \mathrm{J/(s·m}^2)$，光电转换效率为$12.5\%$，则$1\ \mathrm{m}^2$面积上的平均输出功率：
$P_{\mathrm{出}}=800\ \mathrm{J/(s·m}^2)×12.5\%=100\ \mathrm{W}$
(4) 将$P_{\mathrm{出}}=100\ \mathrm{W}=0.1\ \mathrm{kW}$，$1\ \mathrm{m}^2$太阳能电池板每天有效日照$8\ \mathrm{h}$，则$1\ \mathrm{m}^2$一天发电：
$W_1=P_{\mathrm{出}}t_{\mathrm{照}}=0.1\ \mathrm{kW}×8\ \mathrm{h}=0.8\ \mathrm{kW·h}$
每个路灯太阳能电池板面积为$0.8\ \mathrm{m}^2$，则一天发电：
$W=0.8\ \mathrm{kW·h}×0.8=0.64\ \mathrm{kW·h}$
(5) 这种“风光互补路灯”的优点：节约能源、清洁无污染、可再生，能充分利用风能和太阳能等（合理即可）。
【答案】
(1) 机械（或风）
(2) $\boldsymbol{84.375\ \mathrm{kg}}$
(3) $\boldsymbol{100\ \mathrm{W}}$
(4) $\boldsymbol{0.64\ \mathrm{kW·h}}$
(5) 节约能源（或清洁无污染、可再生等，合理即可）
【知识点】
能量转化、电能与热值综合计算、太阳能的利用
【点评】
本题结合生活中的风光互补路灯，考查了能量转化、电能计算、热值计算以及新能源的优点，紧密联系实际，体现了物理知识在生活中的应用，注重对学生知识应用能力的培养。
【难度系数】
0.7
1. 第(1)问：风力发电机工作时，风具有机械能，发电过程是将机械能转化为电能，结合能量转化的基本规律直接判断即可。
2. 第(2)问：先根据电能公式$W=Pt$计算100盏路灯一月消耗的总电能，再利用燃料燃烧放热公式$Q_{\mathrm{放}}=mq$，结合消耗的电能等于天然气燃烧放出的热量，变形求出天然气的质量，注意单位的统一与换算。
3. 第(3)问：太阳能的光电转换效率是输出电能的功率与太阳能辐射功率的比值，因此输出功率等于太阳能辐射功率乘以光电转换效率，代入数据直接计算即可。
4. 第(4)问：先根据$W=Pt$计算$1\ \mathrm{m}^2$太阳能电池板一天的发电量，再乘以电池板的面积得到每个路灯电池板一天的发电量，注意功率单位换算为$\mathrm{kW}$、时间用$\mathrm{h}$，使结果单位为$\mathrm{kW·h}$。
5. 第(5)问：从环保、节能、能源可再生性等角度分析风光互补路灯的优点，合理即可。
【解析】
(1) 风力发电机利用风力发电时，是将机械（风）能转化为电能。
(2) 计算100盏路灯一月消耗的总电能：
已知每盏路灯额定功率$P=50\ \mathrm{W}=0.05\ \mathrm{kW}$，根据电能公式$W=Pt$，100盏路灯每天工作$10\ \mathrm{h}$，一月（30天）消耗的总电能为：
$W_{\mathrm{总}}=nPt=100×0.05\ \mathrm{kW}×10\ \mathrm{h}×30=1500\ \mathrm{kW·h}=5.4×10^9\ \mathrm{J}$
因为消耗的电能等于天然气完全燃烧放出的热量，即$Q_{\mathrm{放}}=W_{\mathrm{总}}$，由$Q_{\mathrm{放}}=mq$可得，需要完全燃烧天然气的质量：
$m=\frac{Q_{\mathrm{放}}}{q}=\frac{5.4×10^9\ \mathrm{J}}{6.4×10^7\ \mathrm{J/kg}}=84.375\ \mathrm{kg}$
(3) 已知太阳能辐射功率为$800\ \mathrm{J/(s·m}^2)$，光电转换效率为$12.5\%$，则$1\ \mathrm{m}^2$面积上的平均输出功率：
$P_{\mathrm{出}}=800\ \mathrm{J/(s·m}^2)×12.5\%=100\ \mathrm{W}$
(4) 将$P_{\mathrm{出}}=100\ \mathrm{W}=0.1\ \mathrm{kW}$，$1\ \mathrm{m}^2$太阳能电池板每天有效日照$8\ \mathrm{h}$，则$1\ \mathrm{m}^2$一天发电：
$W_1=P_{\mathrm{出}}t_{\mathrm{照}}=0.1\ \mathrm{kW}×8\ \mathrm{h}=0.8\ \mathrm{kW·h}$
每个路灯太阳能电池板面积为$0.8\ \mathrm{m}^2$，则一天发电：
$W=0.8\ \mathrm{kW·h}×0.8=0.64\ \mathrm{kW·h}$
(5) 这种“风光互补路灯”的优点：节约能源、清洁无污染、可再生，能充分利用风能和太阳能等（合理即可）。
【答案】
(1) 机械（或风）
(2) $\boldsymbol{84.375\ \mathrm{kg}}$
(3) $\boldsymbol{100\ \mathrm{W}}$
(4) $\boldsymbol{0.64\ \mathrm{kW·h}}$
(5) 节约能源（或清洁无污染、可再生等，合理即可）
【知识点】
能量转化、电能与热值综合计算、太阳能的利用
【点评】
本题结合生活中的风光互补路灯，考查了能量转化、电能计算、热值计算以及新能源的优点，紧密联系实际，体现了物理知识在生活中的应用，注重对学生知识应用能力的培养。
【难度系数】
0.7
