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3.我国太阳能、风能等新能源储量丰富，如何科学合理进行利用值得探究.深圳某学校学生开展了“点亮小屋”——为节能屋寻找新能源的跨学科项目式活动，要求基于深圳地形特点利用新能源的具体途径，并利用新能源点亮所制作的节能屋.学生分组研究不同能源及利用方式形成调查报告，例如结合地理学、环境保护等知识设计风能的利用方案，结合数学地理学等知识设计太阳能的利用方案，通过工程和技术完成小屋模型的制作，利用物理知识设计电路，最终点亮小屋.以下是他们开展项目的过程.
(1)为点亮小屋，追光组同学对节能小屋的部分电路进行设计，如图甲所示，它
(2)小深组调研发现，风力发电有两种不同类型：一是独立运行的离网型(如图乙)，离网型发电规模小，工作时将风能先转化为电能，再转化为
(3)如图戊所示，凤凰组制作的风力发电机叶片转过的面积为$6.4×10^{-3}\ \mathrm{m^2}$，当风以5 m/s的速度垂直通过叶片旋转面时，风密度为$75\ \mathrm{J/(m^2· s)}$ (空气在1秒内以速度$v$流过单位面积产生的动能称为风能密度)，发电机1 s输出的电能为0.12 J，则该风力发电机对风能的利用效率为
(4)如图己所示，追光组对太阳能电池板摆放纬度进行研究.$∠ 1$为当地的太阳高度角，太阳高度角＝$90°$——当地纬度与太阳直射点纬度的差值绝对值.深圳的纬度为$22.5°$，春分日太阳直射点纬度为$0°$，为最大限度利用太阳能，该日正午太阳能电池板摆放的角度为
(5)节能建筑的设计要考虑开源节流两个方面，开源即寻找新能源，节流即通过建筑本身设计实现冬暖夏凉等功能，从而减少能源的消耗.请你从节流角度对节能屋的设计提出建议：
(1)为点亮小屋，追光组同学对节能小屋的部分电路进行设计，如图甲所示，它
不符合
(选填“符合”或“不符合”)安全用电原则.(2)小深组调研发现，风力发电有两种不同类型：一是独立运行的离网型(如图乙)，离网型发电规模小，工作时将风能先转化为电能，再转化为
化学能
储存在蓄电池来解决供电问题：二是接入电力系统运行的并网型(如图丙)，并网型实际发电功率与风速关系如图丁所示，发电功率稳定时才能直接接入电力系统运行.小深组查得深圳年平均风速为2.4 m/s，推测深圳大部分地区不能
(选填“能”或“不能”)使用并网型风力发电.(3)如图戊所示，凤凰组制作的风力发电机叶片转过的面积为$6.4×10^{-3}\ \mathrm{m^2}$，当风以5 m/s的速度垂直通过叶片旋转面时，风密度为$75\ \mathrm{J/(m^2· s)}$ (空气在1秒内以速度$v$流过单位面积产生的动能称为风能密度)，发电机1 s输出的电能为0.12 J，则该风力发电机对风能的利用效率为
25
%.(4)如图己所示，追光组对太阳能电池板摆放纬度进行研究.$∠ 1$为当地的太阳高度角，太阳高度角＝$90°$——当地纬度与太阳直射点纬度的差值绝对值.深圳的纬度为$22.5°$，春分日太阳直射点纬度为$0°$，为最大限度利用太阳能，该日正午太阳能电池板摆放的角度为
22.5°
.(5)节能建筑的设计要考虑开源节流两个方面，开源即寻找新能源，节流即通过建筑本身设计实现冬暖夏凉等功能，从而减少能源的消耗.请你从节流角度对节能屋的设计提出建议：
房屋的布局是坐北朝南，选用导热性能差的材料制造房屋(合理即可)
.答案
不符合
化学能
不能
25
22.5°
房屋的布局是坐北朝南，选用导热性能差的材料制造房屋(合理即可)
化学能
不能
25
22.5°
房屋的布局是坐北朝南，选用导热性能差的材料制造房屋(合理即可)
解析
【分析】
本题是跨学科综合题，结合安全用电、能量转化、效率计算、地理知识和节能设计等知识点，逐一分析如下：
(1) 安全用电原则中，控制用电器的开关应接在火线上，断开开关时用电器可与火线断开连接，避免触电风险。观察图甲，开关接在零线上，断开开关后用电器仍与火线相连，存在安全隐患，据此判断是否符合原则。
(2) 蓄电池储存电能时，是将电能转化为化学能储存；并网型风力发电需要发电功率稳定，结合图丁中发电功率与风速的关系，对比深圳年平均风速2.4m/s，判断是否满足稳定发电的风速条件。
(3) 风能利用效率是输出电能与输入风能的比值，先根据风能密度、叶片面积计算1秒内获得的总风能，再结合输出电能，利用效率公式计算效率。
(4) 先根据太阳高度角公式计算春分日深圳的太阳高度角，为最大限度利用太阳能，太阳能电池板应与太阳光线垂直，由此推导电池板摆放角度与太阳高度角的关系，进而计算出摆放角度。
(5) 从节流角度（减少能源消耗），可从建筑材料、房屋布局、结构设计等方面提出合理建议。
【解析】
(1) 安全用电要求控制用电器的开关应接在火线上，图甲中开关接在零线上，断开开关后用电器仍与火线连通，易引发触电事故，因此不符合安全用电原则。
(2) 离网型风力发电的蓄电池在储存电能时，将电能转化为化学能；由图丁可知，并网型风力发电功率稳定的风速范围大于2.4m/s，而深圳年平均风速为2.4m/s，此时发电功率不稳定，无法直接接入电力系统，所以深圳大部分地区不能使用并网型风力发电。
(3) 1秒内通过叶片旋转面获得的总风能：
$W_{风} = 75\ \mathrm{J/(m^2·s)} × 6.4×10^{-3}\ \mathrm{m^2} × 1\ \mathrm{s} = 0.48\ \mathrm{J}$
该风力发电机对风能的利用效率：
$\eta = \frac{W_{电}}{W_{风}} × 100\% = \frac{0.12\ \mathrm{J}}{0.48\ \mathrm{J}} × 100\% = 25\%$
(4) 春分日深圳的太阳高度角为：$90° - |22.5° - 0°| = 67.5°$，为使太阳能电池板最大限度接收太阳能，电池板应与太阳光线垂直，因此电池板与水平面的摆放角度为$90° - 67.5° = 22.5°$。
(5) 从节流角度的合理建议：选用导热性能差的建筑材料，减少热量传递以降低空调能耗；房屋布局采用坐北朝南，充分利用自然采光和通风，减少照明与通风设备的能耗等。
【答案】
(1) 不符合
(2) 化学能；不能
(3) 25
(4) $22.5°$
(5) 选用导热性能差的材料制造房屋（或房屋布局坐北朝南等合理即可）
【知识点】
安全用电原则；能量转化效率计算；太阳高度角应用
【点评】
本题结合跨学科项目式活动，融合物理、地理、工程技术等多学科知识，考查学生对安全用电、能量转化、效率计算及节能设计的综合应用能力，注重理论联系实际，培养学生的跨学科思维与实践应用能力。
【难度系数】
0.6
本题是跨学科综合题，结合安全用电、能量转化、效率计算、地理知识和节能设计等知识点，逐一分析如下：
(1) 安全用电原则中，控制用电器的开关应接在火线上，断开开关时用电器可与火线断开连接，避免触电风险。观察图甲，开关接在零线上，断开开关后用电器仍与火线相连，存在安全隐患，据此判断是否符合原则。
(2) 蓄电池储存电能时，是将电能转化为化学能储存；并网型风力发电需要发电功率稳定，结合图丁中发电功率与风速的关系，对比深圳年平均风速2.4m/s，判断是否满足稳定发电的风速条件。
(3) 风能利用效率是输出电能与输入风能的比值，先根据风能密度、叶片面积计算1秒内获得的总风能，再结合输出电能，利用效率公式计算效率。
(4) 先根据太阳高度角公式计算春分日深圳的太阳高度角，为最大限度利用太阳能，太阳能电池板应与太阳光线垂直，由此推导电池板摆放角度与太阳高度角的关系，进而计算出摆放角度。
(5) 从节流角度（减少能源消耗），可从建筑材料、房屋布局、结构设计等方面提出合理建议。
【解析】
(1) 安全用电要求控制用电器的开关应接在火线上，图甲中开关接在零线上，断开开关后用电器仍与火线连通，易引发触电事故，因此不符合安全用电原则。
(2) 离网型风力发电的蓄电池在储存电能时，将电能转化为化学能；由图丁可知，并网型风力发电功率稳定的风速范围大于2.4m/s，而深圳年平均风速为2.4m/s，此时发电功率不稳定，无法直接接入电力系统，所以深圳大部分地区不能使用并网型风力发电。
(3) 1秒内通过叶片旋转面获得的总风能：
$W_{风} = 75\ \mathrm{J/(m^2·s)} × 6.4×10^{-3}\ \mathrm{m^2} × 1\ \mathrm{s} = 0.48\ \mathrm{J}$
该风力发电机对风能的利用效率：
$\eta = \frac{W_{电}}{W_{风}} × 100\% = \frac{0.12\ \mathrm{J}}{0.48\ \mathrm{J}} × 100\% = 25\%$
(4) 春分日深圳的太阳高度角为：$90° - |22.5° - 0°| = 67.5°$，为使太阳能电池板最大限度接收太阳能，电池板应与太阳光线垂直，因此电池板与水平面的摆放角度为$90° - 67.5° = 22.5°$。
(5) 从节流角度的合理建议：选用导热性能差的建筑材料，减少热量传递以降低空调能耗；房屋布局采用坐北朝南，充分利用自然采光和通风，减少照明与通风设备的能耗等。
【答案】
(1) 不符合
(2) 化学能；不能
(3) 25
(4) $22.5°$
(5) 选用导热性能差的材料制造房屋（或房屋布局坐北朝南等合理即可）
【知识点】
安全用电原则；能量转化效率计算；太阳高度角应用
【点评】
本题结合跨学科项目式活动，融合物理、地理、工程技术等多学科知识，考查学生对安全用电、能量转化、效率计算及节能设计的综合应用能力，注重理论联系实际，培养学生的跨学科思维与实践应用能力。
【难度系数】
0.6
