跨学科实践题探究

孙德龙

原题再现

在跨学科实践课上，某小组开展了“设计小型风力发电系统”的项目化学习活动，如图1。下面是该小组同学交流的实践过程，请帮助他们完成下列内容。

【项目分解】（1）制作小型风力发电机；（2）优化风力发电系统。

【项目实施】（1）制作小型风力发电机。经过课堂学习，我们了解到发电机和电动机中都有线圈和磁体，尝试用玩具电风扇作为风力发电机，连接成如图甲所示的电路。闭合开关，向扇叶吹风，使扇叶带动线圈转动，我们观察到了______，说明我们的风力发电机可以发电。它是利用______现象发电的。

（2）优化风力发电系统。我们在设计的过程中考虑到无风不能发电，于是增加了太阳能电池；又考虑到风能和太阳能发电受风速、光照强度等因素的制约，不适合直接给用电器供电，于是增加了蓄电池，形成风光互补发电系统。图乙是该系统的简图，其中给出了该系统的电能转移路径，但电能的转移方向并不完整，A和B其中之一为蓄电池，另一个为用电器。请根据所给条件，在图乙中标出A的元件名称，并结合图乙说出蓄电池的工作过程及其起到的不同作用：______。

【项目拓展】经查阅资料，截至2023年4月，我国风电光伏发电总功率超8亿千瓦，约为36个三峡电站的总功率。某风力发电机组在风速为3 m/s以下或25 m/s以上时，处于空转或停机状态，实际功率为0①；在风速达12 m/s或以上时，发电功率保持不变。其发电功率与风速关系如下表：

某日6：00到12：00，风速与时刻关系如图2所示（为方便计算，数据作了简化处理），则在这段时间内该风力发电机组发电______kW·h。

破解策略

（1）闭合开关，风扇转动带动线圈在磁场中做切割磁感线运动，导体中就会产生电流，这种现象叫电磁感应现象，当电流通过灯泡时，灯泡会发光。

（2）根据图1中箭头指示，且“风能和太阳能……不适合直接给用电器供电”，即风能与太阳能转化的电能不能直接给用电器，可知A为蓄电池，可把太阳能和风能转化来的电能再转化为化学能储存起来，此时蓄电池相当于用电器；放电时，又将化学能转化为电能，供用电器使用，此时相当于电源，所以图中A应该是蓄电池。

（3）根据图2可知：①6：00到7：00风速为2 m/s，根据题意可知发电机组在风速为3 m/s以下时，处于空转或停机状态，实际功率为0，所以W1 = 0 kW·h；②7：00到9：00风速为6 m/s，根据表格可知实际功率为190 kW，所以W2 = P2t2 = 190 kW × 2 h = 380 kW·h；③9：00到10：00风速为4 m/s，根据表格可知实际功率为56 kW，所以W3 = P3t3 = 56 kW × 1 h = 56 kW·h；④10：00到12：00风速为10 m/s，根据表格可知实际功率为880 kW，所以W4 = P4t4 = 880 kW × 2 h = 1760 kW·h。则在这段时间内该风力发电机组发电量为W = W1 + W2 + W3 + W4 = 0 kW·h + 380 kW·h + 56 kW·h + 1760 kW·h = 2196 kW·h。

答案：（1）灯泡发光；电磁感应______（2）A的名称是蓄电池；风能与太阳能先转化为电能，再转化为化学能，在电池中储存起来，此时蓄电池相当于用电器；放电时，又将化学能转化为电能，供用电器使用，此时相当于电源______（3）2196

总结提升

（1）本题的阅读量比较大，对分析和提炼有用信息的能力要求比较高，建议在读题的时候把有用的信息用铅笔圈画出来（标注重点号部分）并对照问题反复阅读，但要注意答完题后要擦掉。表格中的信息要与题干中相应内容一一对应。

（2）《义务教育物理课程标准（2022年版）》中新增的一级主题内容是“跨学科实践”，其中有“物理学与日常生活；物理學与工程实践；物理学与社会发展”。本题小型风力发电机就是“物理学与工程实践”的活动建议，本题后半部分的【项目拓展】体现了“物理学与社会发展”部分的要求。因此，在平时学习中我们应关注身边的物理现象，发现问题并试着用物理知识去解释现象，解决问题。同时也要对一些影响人类发展的社会问题及人类科技发展的进步保持关注，例如温室效应、中国的航天发展、华为的芯片问题、每年的诺贝尔物理学奖等。另外，同学们对物理学史也要保持一定的关注，尤其是中国古代工程如怀丙和尚打捞铁牛、曹冲称象、龙骨水车等。

拓展延伸

小明发现小区、商场等地下停车场入口处的地面要比临街路面高一些。经过调查了解，这是为了避免雨天路上的积水流进地下停车场而采取的措施，当积水过高时还要用沙袋将停车场入口地面垫高，小明与学习小组的同学拟设计一个自动装置解决积水进入地下停车场的问题，制订了如下项目研究内容。

【项目名称】浮体式拦水坝

【项目特点】隐藏式、自动化、节能

【项目要求】要求一：积水即将没过上行缓坡时，蓄水池蓄水；当蓄水达到一定高度时，拦水坝升起。要求二：积水水位降低时，拦水坝自动下降；当水位降至路面时，拦水坝下降至底部。

【项目设计】

（1）结构及原理：如图3，图甲中，参照船闸的结构和原理，地下蓄水池相当于闸室。积水的路面相当于河流的上游，通过进水口下方管道连接起来构成______。如图乙，当蓄水池中水面逐渐上升至H位置时，拦水坝刚要浮起，在这个过程中拦水坝受到的浮力______（选填“变大”“不变”或“变小”）。如图丙，随着水面继续升高，拦水坝慢慢升起至顶峰，此时坝体与蓄水池左侧壁接触紧密，避免蓄水池中的水进入地下停车场。

（2）方案评估：同学们经过充分讨论后发现这个设计方案不能满足“项目要求”中的______（选填“要求一”或“要求二”），需要进一步改进。

（3）设计改进：①如图4，参照原设计结构，增加一个排水管道，排水口与路面相平。要保证积水不能从排水管道流进蓄水池，但蓄水池中的水可以从排水管道排出。这就需要利用单向阀门来控制水流方向，单向阀门只能向一个方向开启，其结构和作用如图5所示。要满足全部项目要求，应在图4虚线框所在的位置安装图5中的__________________

（填“A阀门”或“B阀门”）。

②通过调节拦水坝的配重，可改变排水水位的高度，以应对各种积水情况。

（4）功能升级：拦水坝升起时车辆不能通行，应在入口处设计一个报警电路。

①如图6，虚线位置为拦水坝恰好浮起时蓄水池水面高度H处，金属块A、B、C分别安装在蓄水池侧壁的不同高度上，随着水位的升高，都能与雨水较好接触（雨水可以导电）。其中a、b、c是连接金属块的接线柱，d、e是电磁继电器上的接线柱。

②要求：拦水坝不升起时，绿灯亮；拦水坝升起时，红灯亮同时电铃响，起到警示作用。请你根据上述要求选择合适的接线柱，用笔画线代替导线，将电路连接完整。

【项目小结】同学们的设计已完成项目要求，更多功能可进一步开发。

答案：（1）连通器；变大（2）要求二（3）A阀门（4）如图7

（作者单位：大连市第七十六中学）