跨學科實踐題探究

孫德龍

原題再現

在跨學科實踐課上，某小組開展了“設計小型風力發電系統”的項目化學習活動，如圖1。下面是該小組同學交流的實踐過程，請幫助他們完成下列內容。

【項目分解】（1）制作小型風力發電機；（2）優化風力發電系統。

【項目實施】（1）制作小型風力發電機。經過課堂學習，我們了解到發電機和電動機中都有線圈和磁體，嘗試用玩具電風扇作為風力發電機，連接成如圖甲所示的電路。閉合開關，向扇葉吹風，使扇葉帶動線圈轉動，我們觀察到了______，說明我們的風力發電機可以發電。它是利用______現象發電的。

（2）優化風力發電系統。我們在設計的過程中考慮到無風不能發電，于是增加了太陽能電池；又考慮到風能和太陽能發電受風速、光照強度等因素的制約，不適合直接給用電器供電，于是增加了蓄電池，形成風光互補發電系統。圖乙是該系統的簡圖，其中給出了該系統的電能轉移路徑，但電能的轉移方向并不完整，A和B其中之一為蓄電池，另一個為用電器。請根據所給條件，在圖乙中標出A的元件名稱，并結合圖乙說出蓄電池的工作過程及其起到的不同作用：______。

【項目拓展】經查閱資料，截至2023年4月，我國風電光伏發電總功率超8億千瓦，約為36個三峽電站的總功率。某風力發電機組在風速為3 m/s以下或25 m/s以上時，處于空轉或停機狀態，實際功率為0①；在風速達12 m/s或以上時，發電功率保持不變。其發電功率與風速關系如下表：

某日6：00到12：00，風速與時刻關系如圖2所示（為方便計算，數據作了簡化處理），則在這段時間內該風力發電機組發電______kW·h。

破解策略

（1）閉合開關，風扇轉動帶動線圈在磁場中做切割磁感線運動，導體中就會產生電流，這種現象叫電磁感應現象，當電流通過燈泡時，燈泡會發光。

（2）根據圖1中箭頭指示，且“風能和太陽能……不適合直接給用電器供電”，即風能與太陽能轉化的電能不能直接給用電器，可知A為蓄電池，可把太陽能和風能轉化來的電能再轉化為化學能儲存起來，此時蓄電池相當于用電器；放電時，又將化學能轉化為電能，供用電器使用，此時相當于電源，所以圖中A應該是蓄電池。

（3）根據圖2可知：①6：00到7：00風速為2 m/s，根據題意可知發電機組在風速為3 m/s以下時，處于空轉或停機狀態，實際功率為0，所以W1 = 0 kW·h；②7：00到9：00風速為6 m/s，根據表格可知實際功率為190 kW，所以W2 = P2t2 = 190 kW × 2 h = 380 kW·h；③9：00到10：00風速為4 m/s，根據表格可知實際功率為56 kW，所以W3 = P3t3 = 56 kW × 1 h = 56 kW·h；④10：00到12：00風速為10 m/s，根據表格可知實際功率為880 kW，所以W4 = P4t4 = 880 kW × 2 h = 1760 kW·h。則在這段時間內該風力發電機組發電量為W = W1 + W2 + W3 + W4 = 0 kW·h + 380 kW·h + 56 kW·h + 1760 kW·h = 2196 kW·h。

答案：（1）燈泡發光；電磁感應______（2）A的名稱是蓄電池；風能與太陽能先轉化為電能，再轉化為化學能，在電池中儲存起來，此時蓄電池相當于用電器；放電時，又將化學能轉化為電能，供用電器使用，此時相當于電源______（3）2196

總結提升

（1）本題的閱讀量比較大，對分析和提煉有用信息的能力要求比較高，建議在讀題的時候把有用的信息用鉛筆圈畫出來（標注重點號部分）并對照問題反復閱讀，但要注意答完題后要擦掉。表格中的信息要與題干中相應內容一一對應。

（2）《義務教育物理課程標準（2022年版）》中新增的一級主題內容是“跨學科實踐”，其中有“物理學與日常生活；物理學與工程實踐；物理學與社會發展”。本題小型風力發電機就是“物理學與工程實踐”的活動建議，本題后半部分的【項目拓展】體現了“物理學與社會發展”部分的要求。因此，在平時學習中我們應關注身邊的物理現象，發現問題并試著用物理知識去解釋現象，解決問題。同時也要對一些影響人類發展的社會問題及人類科技發展的進步保持關注，例如溫室效應、中國的航天發展、華為的芯片問題、每年的諾貝爾物理學獎等。另外，同學們對物理學史也要保持一定的關注，尤其是中國古代工程如懷丙和尚打撈鐵牛、曹沖稱象、龍骨水車等。

拓展延伸

小明發現小區、商場等地下停車場入口處的地面要比臨街路面高一些。經過調查了解，這是為了避免雨天路上的積水流進地下停車場而采取的措施，當積水過高時還要用沙袋將停車場入口地面墊高，小明與學習小組的同學擬設計一個自動裝置解決積水進入地下停車場的問題，制訂了如下項目研究內容。

【項目名稱】浮體式攔水壩

【項目特點】隱藏式、自動化、節能

【項目要求】要求一：積水即將沒過上行緩坡時，蓄水池蓄水；當蓄水達到一定高度時，攔水壩升起。要求二：積水水位降低時，攔水壩自動下降；當水位降至路面時，攔水壩下降至底部。

【項目設計】

（1）結構及原理：如圖3，圖甲中，參照船閘的結構和原理，地下蓄水池相當于閘室。積水的路面相當于河流的上游，通過進水口下方管道連接起來構成______。如圖乙，當蓄水池中水面逐漸上升至H位置時，攔水壩剛要浮起，在這個過程中攔水壩受到的浮力______（選填“變大”“不變”或“變小”）。如圖丙，隨著水面繼續升高，攔水壩慢慢升起至頂峰，此時壩體與蓄水池左側壁接觸緊密，避免蓄水池中的水進入地下停車場。

（2）方案評估：同學們經過充分討論后發現這個設計方案不能滿足“項目要求”中的______（選填“要求一”或“要求二”），需要進一步改進。

（3）設計改進：①如圖4，參照原設計結構，增加一個排水管道，排水口與路面相平。要保證積水不能從排水管道流進蓄水池，但蓄水池中的水可以從排水管道排出。這就需要利用單向閥門來控制水流方向，單向閥門只能向一個方向開啟，其結構和作用如圖5所示。要滿足全部項目要求，應在圖4虛線框所在的位置安裝圖5中的__________________

（填“A閥門”或“B閥門”）。

②通過調節攔水壩的配重，可改變排水水位的高度，以應對各種積水情況。

（4）功能升級：攔水壩升起時車輛不能通行，應在入口處設計一個報警電路。

①如圖6，虛線位置為攔水壩恰好浮起時蓄水池水面高度H處，金屬塊A、B、C分別安裝在蓄水池側壁的不同高度上，隨著水位的升高，都能與雨水較好接觸（雨水可以導電）。其中a、b、c是連接金屬塊的接線柱，d、e是電磁繼電器上的接線柱。

②要求：攔水壩不升起時，綠燈亮；攔水壩升起時，紅燈亮同時電鈴響，起到警示作用。請你根據上述要求選擇合適的接線柱，用筆畫線代替導線，將電路連接完整。

【項目小結】同學們的設計已完成項目要求，更多功能可進一步開發。

答案：（1）連通器；變大（2）要求二（3）A閥門（4）如圖7

（作者單位：大連市第七十六中學）