Question

9．如圖1，風(fēng)力發(fā)電是目前可再生能源中技術(shù)比較成熟，具有規(guī)模化開發(fā)條件和商業(yè)發(fā)展前景的發(fā)電技術(shù)．小型獨立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般不并網(wǎng)發(fā)電，只能獨立使用，單臺裝機(jī)容量通常不超過10KW．它的構(gòu)成為：風(fēng)力發(fā)電機(jī)+充電器+數(shù)字逆變器．風(fēng)力發(fā)電機(jī)由機(jī)頭、轉(zhuǎn)體、尾翼、葉片組成．葉片用來接受風(fēng)力并通過機(jī)頭轉(zhuǎn)為電能；尾翼使葉片始終對著來風(fēng)的方向從而獲得最大的風(fēng)能；轉(zhuǎn)體能使機(jī)頭靈活地轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)尾翼調(diào)整方向的功能；機(jī)頭的轉(zhuǎn)子是永磁體，定子是繞組切割磁感線產(chǎn)生電能．因風(fēng)量不穩(wěn)定，故小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的是13-25V變化的交流電，須經(jīng)充電器整流再對蓄電池充電，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的產(chǎn)生的電能變能化學(xué)能．最后經(jīng)逆變處理后供給用戶使用．某學(xué)習(xí)小組對一小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行測定風(fēng)速實驗：將一銅棒與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出端構(gòu)成回路（注：風(fēng)力發(fā)電機(jī)與銅棒直接相連，連接導(dǎo)線末畫出）如圖2所示．銅棒ab長為0.5m，質(zhì)量0.2Kg，兩端用輕銅線相連．整個裝置處在豎直向上的勻強(qiáng)磁場中，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=2T．當(dāng)有風(fēng)速4m/s吹向風(fēng)葉，銅棒與豎直方向成37°角且偏向紙內(nèi)的位置時，銅棒處于受力平衡狀態(tài)．
（1）此時銅棒中通過的電流大小與方向．
（2）如風(fēng)力發(fā)電機(jī)能把風(fēng)能的30%轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)的機(jī)械能，發(fā)電系統(tǒng)的效率為50%（其他能量損失一概不計），已知此小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓恒定為24V，問當(dāng)銅棒與豎直方向成53°角平衡時風(fēng)速為多少m/s？（g取10m/s²，ρ_空氣=1.29Kg/m³，sin37°=0.6，cos37°=0.8 ）

Answer 1

分析 （1）根據(jù)導(dǎo)體在磁場中切割磁感線公式及共點力的平衡條件可求得電流大小，由左手定則可明確方向；
（2）根據(jù)能量守恒規(guī)律及功率公式以及共點力的平衡條件列式，聯(lián)立可求得速度．

解答 解：（1）根據(jù)左手定則：電流方向為  b指向a，
BIL=mgtanθ
I=$\frac{mgtanθ}{BL}$=$\frac{0.4×10×0.75}{2×0.5}$=1.5A  
（2）由題意及功能關(guān)系：
Pt=$\frac{1}{2}$mv²•η₁η
由功率公式可得：P=UI
風(fēng)的質(zhì)量為：m=ρsvt
根據(jù)共點力的平衡條件可知：I=$\frac{mgtanθ}{BL}$
聯(lián)立解得：tanθ∝v³
故風(fēng)速：v=4$\root{3}{\frac{16}{9}}$
答：（1）此時銅棒中通過的電流大小為1.5A；方向由b指向a．
（2）當(dāng)銅棒與豎直方向成53°角平衡時風(fēng)速為4$\root{3}{\frac{16}{9}}$m/s

點評 本題考查電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化問題，要注意明確物理過程及受力分析的應(yīng)用，再根據(jù)能量守恒等規(guī)律正確求解即可．