跨學(xué)科實(shí)踐題探究

孫德龍

原題再現(xiàn)

在跨學(xué)科實(shí)踐課上，某小組開展了“設(shè)計(jì)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)”的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)活動(dòng)，如圖1。下面是該小組同學(xué)交流的實(shí)踐過程，請幫助他們完成下列內(nèi)容。

【項(xiàng)目分解】（1）制作小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)；（2）優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

【項(xiàng)目實(shí)施】（1）制作小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。經(jīng)過課堂學(xué)習(xí)，我們了解到發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)中都有線圈和磁體，嘗試用玩具電風(fēng)扇作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)，連接成如圖甲所示的電路。閉合開關(guān)，向扇葉吹風(fēng)，使扇葉帶動(dòng)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)，我們觀察到了______，說明我們的風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以發(fā)電。它是利用______現(xiàn)象發(fā)電的。

（2）優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。我們在設(shè)計(jì)的過程中考慮到無風(fēng)不能發(fā)電，于是增加了太陽能電池；又考慮到風(fēng)能和太陽能發(fā)電受風(fēng)速、光照強(qiáng)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(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。圖乙是該系統(tǒng)的簡圖，其中給出了該系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)移路徑，但電能的轉(zhuǎn)移方向并不完整，A和B其中之一為蓄電池，另一個(gè)為用電器。請根據(jù)所給條件，在圖乙中標(biāo)出A的元件名稱，并結(jié)合圖乙說出蓄電池的工作過程及其起到的不同作用：______。

【項(xiàng)目拓展】經(jīng)查閱資料，截至2023年4月，我國風(fēng)電光伏發(fā)電總功率超8億千瓦，約為36個(gè)三峽電站的總功率。某風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在風(fēng)速為3 m/s以下或25 m/s以上時(shí)，處于空轉(zhuǎn)或停機(jī)狀態(tài)，實(shí)際功率為0①；在風(fēng)速達(dá)12 m/s或以上時(shí)，發(fā)電功率保持不變。其發(fā)電功率與風(fēng)速關(guān)系如下表：

某日6：00到12：00，風(fēng)速與時(shí)刻關(guān)系如圖2所示（為方便計(jì)算，數(shù)據(jù)作了簡化處理），則在這段時(shí)間內(nèi)該風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電______kW·h。

破解策略

（1）閉合開關(guān)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)線圈在磁場中做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生電流，這種現(xiàn)象叫電磁感應(yīng)現(xiàn)象，當(dāng)電流通過燈泡時(shí)，燈泡會(huì)發(fā)光。

（2）根據(jù)圖1中箭頭指示，且“風(fēng)能和太陽能……不適合直接給用電器供電”，即風(fēng)能與太陽能轉(zhuǎn)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(fēng)能轉(zhuǎn)化來的電能再轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來，此時(shí)蓄電池相當(dāng)于用電器；放電時(shí)，又將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，供用電器使用，此時(shí)相當(dāng)于電源，所以圖中A應(yīng)該是蓄電池。

（3）根據(jù)圖2可知：①6：00到7：00風(fēng)速為2 m/s，根據(jù)題意可知發(fā)電機(jī)組在風(fēng)速為3 m/s以下時(shí)，處于空轉(zhuǎn)或停機(jī)狀態(tài)，實(shí)際功率為0，所以W1 = 0 kW·h；②7：00到9：00風(fēng)速為6 m/s，根據(jù)表格可知實(shí)際功率為190 kW，所以W2 = P2t2 = 190 kW × 2 h = 380 kW·h；③9：00到10：00風(fēng)速為4 m/s，根據(jù)表格可知實(shí)際功率為56 kW，所以W3 = P3t3 = 56 kW × 1 h = 56 kW·h；④10：00到12：00風(fēng)速為10 m/s，根據(jù)表格可知實(shí)際功率為880 kW，所以W4 = P4t4 = 880 kW × 2 h = 1760 kW·h。則在這段時(shí)間內(nèi)該風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)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(fā)光；電磁感應(yīng)______（2）A的名稱是蓄電池；風(fēng)能與太陽能先轉(zhuǎn)化為電能，再轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，在電池中儲(chǔ)存起來，此時(shí)蓄電池相當(dāng)于用電器；放電時(shí)，又將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，供用電器使用，此時(shí)相當(dāng)于電源______（3）2196

總結(jié)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(shí)候把有用的信息用鉛筆圈畫出來（標(biāo)注重點(diǎn)號(hào)部分）并對照問題反復(fù)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(yīng)內(nèi)容一一對應(yīng)。

（2）《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中新增的一級(jí)主題內(nèi)容是“跨學(xué)科實(shí)踐”，其中有“物理學(xué)與日常生活；物理學(xué)與工程實(shí)踐；物理學(xué)與社會(huì)發(fā)展”。本題小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)就是“物理學(xué)與工程實(shí)踐”的活動(dòng)建議，本題后半部分的【項(xiàng)目拓展】體現(xiàn)了“物理學(xué)與社會(huì)發(fā)展”部分的要求。因此，在平時(shí)學(xué)習(xí)中我們應(yīng)關(guān)注身邊的物理現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)問題并試著用物理知識(shí)去解釋現(xiàn)象，解決問題。同時(shí)也要對一些影響人類發(fā)展的社會(huì)問題及人類科技發(fā)展的進(jìn)步保持關(guān)注，例如溫室效應(yīng)、中國的航天發(fā)展、華為的芯片問題、每年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)等。另外，同學(xué)們對物理學(xué)史也要保持一定的關(guān)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(fā)現(xiàn)小區(qū)、商場等地下停車場入口處的地面要比臨街路面高一些。經(jīng)過調(diào)查了解，這是為了避免雨天路上的積水流進(jìn)地下停車場而采取的措施，當(dāng)積水過高時(shí)還要用沙袋將停車場入口地面墊高，小明與學(xué)習(xí)小組的同學(xué)擬設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)裝置解決積水進(jìn)入地下停車場的問題，制訂了如下項(xiàng)目研究內(nèi)容。

【項(xiàng)目名稱】浮體式攔水壩

【項(xiàng)目特點(diǎn)】隱藏式、自動(dòng)化、節(jié)能

【項(xiàng)目要求】要求一：積水即將沒過上行緩坡時(shí)，蓄水池蓄水；當(dāng)蓄水達(dá)到一定高度時(shí)，攔水壩升起。要求二：積水水位降低時(shí)，攔水壩自動(dòng)下降；當(dāng)水位降至路面時(shí)，攔水壩下降至底部。

【項(xiàng)目設(shè)計(jì)】

（1）結(jié)構(gòu)及原理：如圖3，圖甲中，參照船閘的結(jié)構(gòu)和原理，地下蓄水池相當(dāng)于閘室。積水的路面相當(dāng)于河流的上游，通過進(jìn)水口下方管道連接起來構(gòu)成______。如圖乙，當(dāng)蓄水池中水面逐漸上升至H位置時(shí)，攔水壩剛要浮起，在這個(gè)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(xù)升高，攔水壩慢慢升起至頂峰，此時(shí)壩體與蓄水池左側(cè)壁接觸緊密，避免蓄水池中的水進(jìn)入地下停車場。

（2）方案評(píng)估：同學(xué)們經(jīng)過充分討論后發(fā)現(xiàn)這個(gè)設(shè)計(jì)方案不能滿足“項(xiàng)目要求”中的______（選填“要求一”或“要求二”），需要進(jìn)一步改進(jìn)。

（3）設(shè)計(jì)改進(jìn)：①如圖4，參照原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，增加一個(gè)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(jìn)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(gè)方向開啟，其結(jié)構(gòu)和作用如圖5所示。要滿足全部項(xiàng)目要求，應(yīng)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(diào)節(jié)攔水壩的配重，可改變排水水位的高度，以應(yīng)對各種積水情況。

（4）功能升級(jí)：攔水壩升起時(shí)車輛不能通行，應(yīng)在入口處設(shè)計(jì)一個(gè)報(bào)警電路。

①如圖6，虛線位置為攔水壩恰好浮起時(shí)蓄水池水面高度H處，金屬塊A、B、C分別安裝在蓄水池側(cè)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(dǎo)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(shí)，綠燈亮；攔水壩升起時(shí)，紅燈亮同時(shí)電鈴響，起到警示作用。請你根據(jù)上述要求選擇合適的接線柱，用筆畫線代替導(dǎo)線，將電路連接完整。

【項(xiàng)目小結(jié)】同學(xué)們的設(shè)計(jì)已完成項(xiàng)目要求，更多功能可進(jìn)一步開發(fā)。

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(xué)）