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1 如图是物地学科节上某实践小组设计的“环保节能生态小屋”。小屋采用的风光互补能源系统是由太阳能电池板、风力发电机组、系统控制器、蓄电池组和逆变器等几部分组成的，有风时通过风力发电机发电，有阳光时通过太阳能电池板发电。在强风或者晴天时，两种发电装置发出的电能不能立刻被使用完，会将一部分电能储存在蓄电池组中。已知蓄电池组的质量为75 kg，电池能量密度为0.2 kW·h/kg，为了增加蓄电池的使用寿命，在充电至蓄电池组容量的90%时停止充电，放电余留10%时停止放电。
(1)0.2 kW·h/kg的物理意义是
(2)风力发电机参数如下表，按照每天平均以3 m·s⁻¹的风速发电4 h计算，风力发电机每天可以给小屋提供多少J的电能。
(3)当风速为0.8 m·s⁻¹时，晴朗的一天启动能源系统工作5 h，已知该太阳能电池板1m²面积上接收到的太阳平均辐射功率为1 kW，太阳能电池板面积为10 m²，光电转化效率为16%。系统启动前蓄电池已达到停止电能放电的电量，若“环保节能生态小屋”一天用掉的总电能为2 kW·h，这天剩余电量能否完成一次蓄电池组完整的充电工作？
(4)▶跨地理 小明认为该“环保节能生态小屋”更适合建造在陕西北部，而小华认为更适合建造在陕西南部。你赞成谁的观点？简要说明你的观点和理由：
(1)0.2 kW·h/kg的物理意义是
1千克该蓄电池组储存的电能为0.2千瓦时
。(2)风力发电机参数如下表，按照每天平均以3 m·s⁻¹的风速发电4 h计算，风力发电机每天可以给小屋提供多少J的电能。
(3)当风速为0.8 m·s⁻¹时，晴朗的一天启动能源系统工作5 h，已知该太阳能电池板1m²面积上接收到的太阳平均辐射功率为1 kW，太阳能电池板面积为10 m²，光电转化效率为16%。系统启动前蓄电池已达到停止电能放电的电量，若“环保节能生态小屋”一天用掉的总电能为2 kW·h，这天剩余电量能否完成一次蓄电池组完整的充电工作？
(4)▶跨地理 小明认为该“环保节能生态小屋”更适合建造在陕西北部，而小华认为更适合建造在陕西南部。你赞成谁的观点？简要说明你的观点和理由：
赞成小明的观点，陕西北部风大，太阳光照充足，可同时利用风能和太阳能
。答案
(1)1千克该蓄电池组储存的电能为0.2千瓦时
(2)由题表格数据知,当风速为3 m·s⁻¹时,1 s内获得的风能是0.15 × 10⁴ J,
风力发电机每天工作4 h可以给小屋提供的电能 W₁ = 0.15 × 10⁴ J/s ×4 × 3 600 s ×30% =6.48 × 10⁶ J。
(3)当风速为0.8 m·s⁻¹时,风力发电机无法启动,只有太阳能电池板提供电能,
工作5 h 太阳能电池板产生的电能 W₂ = 1 × 10³ W/m² ×10 m² ×5 × 3 600 s ×16% =2.88 × 10⁷ J,
蓄电池组充电到90%需要的电能 W₃ =0.2 kW·h/kg ×75 kg ×(90% -10%) =12 kW·h,
太阳能电池板需要转化的电能 W₄ =12 kW·h +2 kW·h =14 kW·h =5.04 × 10⁷ J,
因为 W₂ ＜ W₄,则这天剩余电量不可以完成一次蓄电池组完整的充电工作。
(4)小明的观点,陕西北部风大,太阳光照充足,可同时利用风能和太阳能
(2)由题表格数据知,当风速为3 m·s⁻¹时,1 s内获得的风能是0.15 × 10⁴ J,
风力发电机每天工作4 h可以给小屋提供的电能 W₁ = 0.15 × 10⁴ J/s ×4 × 3 600 s ×30% =6.48 × 10⁶ J。
(3)当风速为0.8 m·s⁻¹时,风力发电机无法启动,只有太阳能电池板提供电能,
工作5 h 太阳能电池板产生的电能 W₂ = 1 × 10³ W/m² ×10 m² ×5 × 3 600 s ×16% =2.88 × 10⁷ J,
蓄电池组充电到90%需要的电能 W₃ =0.2 kW·h/kg ×75 kg ×(90% -10%) =12 kW·h,
太阳能电池板需要转化的电能 W₄ =12 kW·h +2 kW·h =14 kW·h =5.04 × 10⁷ J,
因为 W₂ ＜ W₄,则这天剩余电量不可以完成一次蓄电池组完整的充电工作。
(4)小明的观点,陕西北部风大,太阳光照充足,可同时利用风能和太阳能
解析
【分析】
本题为跨学科综合题，涵盖物理与地理知识。(1)需结合能量密度的单位含义理解物理意义；(2)利用风力发电的风能功率、时间、转化效率计算电能，注意单位换算；(3)分别计算太阳能发电的电能、蓄电池完整充电的总需求电能，通过比较判断能否完成充电；(4)结合陕西南北的气候资源差异，分析风光互补小屋的适宜建造区域。
【解析】
(1)能量密度单位为kW·h/kg，其物理意义为：1千克该蓄电池组储存的电能为0.2千瓦时；
(2)由表格参数知，风速为3 m·s⁻¹时，1 s内获得的风能为0.15×10⁴ J，风力发电机发电效率为30%，每天工作时间t=4 h=4×3600 s，因此每天提供的电能：
W₁ = 0.15×10⁴ J/s × 4×3600 s × 30% = 6.48×10⁶ J；
(3)风速为0.8 m·s⁻¹时，风力发电机无法启动，仅太阳能电池板工作。已知1 m²面积太阳平均辐射功率为1 kW，电池板面积10 m²，工作时间t=5 h=5×3600 s，光电转化效率16%，则太阳能电池板产生的电能：
W₂ = 1×10³ W/m² ×10 m² ×5×3600 s ×16% = 2.88×10⁷ J；
蓄电池完整充电需从放电余留10%到充电至90%，对应容量的80%，所需电能（蓄电池储存量）为：0.2 kW·h/kg ×75 kg ×(90%-10%)=12 kW·h，加上小屋一天用掉的2 kW·h，总需求W₄=12+2=14 kW·h=5.04×10⁷ J；
因W₂=2.88×10⁷ J ＜ W₄=5.04×10⁷ J，故这天剩余电量不能完成一次蓄电池组完整的充电工作；
(4)赞成小明的观点。理由：陕西北部为温带大陆性气候，降水少、晴天多，太阳光照充足，且风力较大，风能和太阳能资源丰富，适合建造风光互补的“环保节能生态小屋”；陕西南部降水多，风力和太阳能资源相对不足，不适合。
【答案】
(1)1千克该蓄电池组储存的电能为0.2千瓦时
(2)6.48×10⁶ J
(3)不能
(4)小明的观点，陕西北部风大，太阳光照充足，可同时利用风能和太阳能
【知识点】
能量密度的物理意义、电能的计算、区域资源利用
【点评】
本题结合物理电能计算与地理区域资源分布，考查跨学科知识整合能力，既需掌握物理公式应用，又要理解地理气候特征，难度适中。
【难度系数】
0.5
本题为跨学科综合题，涵盖物理与地理知识。(1)需结合能量密度的单位含义理解物理意义；(2)利用风力发电的风能功率、时间、转化效率计算电能，注意单位换算；(3)分别计算太阳能发电的电能、蓄电池完整充电的总需求电能，通过比较判断能否完成充电；(4)结合陕西南北的气候资源差异，分析风光互补小屋的适宜建造区域。
【解析】
(1)能量密度单位为kW·h/kg，其物理意义为：1千克该蓄电池组储存的电能为0.2千瓦时；
(2)由表格参数知，风速为3 m·s⁻¹时，1 s内获得的风能为0.15×10⁴ J，风力发电机发电效率为30%，每天工作时间t=4 h=4×3600 s，因此每天提供的电能：
W₁ = 0.15×10⁴ J/s × 4×3600 s × 30% = 6.48×10⁶ J；
(3)风速为0.8 m·s⁻¹时，风力发电机无法启动，仅太阳能电池板工作。已知1 m²面积太阳平均辐射功率为1 kW，电池板面积10 m²，工作时间t=5 h=5×3600 s，光电转化效率16%，则太阳能电池板产生的电能：
W₂ = 1×10³ W/m² ×10 m² ×5×3600 s ×16% = 2.88×10⁷ J；
蓄电池完整充电需从放电余留10%到充电至90%，对应容量的80%，所需电能（蓄电池储存量）为：0.2 kW·h/kg ×75 kg ×(90%-10%)=12 kW·h，加上小屋一天用掉的2 kW·h，总需求W₄=12+2=14 kW·h=5.04×10⁷ J；
因W₂=2.88×10⁷ J ＜ W₄=5.04×10⁷ J，故这天剩余电量不能完成一次蓄电池组完整的充电工作；
(4)赞成小明的观点。理由：陕西北部为温带大陆性气候，降水少、晴天多，太阳光照充足，且风力较大，风能和太阳能资源丰富，适合建造风光互补的“环保节能生态小屋”；陕西南部降水多，风力和太阳能资源相对不足，不适合。
【答案】
(1)1千克该蓄电池组储存的电能为0.2千瓦时
(2)6.48×10⁶ J
(3)不能
(4)小明的观点，陕西北部风大，太阳光照充足，可同时利用风能和太阳能
【知识点】
能量密度的物理意义、电能的计算、区域资源利用
【点评】
本题结合物理电能计算与地理区域资源分布，考查跨学科知识整合能力，既需掌握物理公式应用，又要理解地理气候特征，难度适中。
【难度系数】
0.5
