重点培优@第 22 章：能源与可持续发展
跨学科实践：为节约能源设计方案
1.跨学科实践活动——设计节能路灯模拟装置
【实践调查】
晓华发现道路两旁的路灯在设计上存在以下不足：（1）采用交流电供电，没有利用可再生能
源。（2）路灯每天定时开启，没有结合实际光照强度来控制路灯开启时间。
【实践目标】
结合实际问题，晓华和其他同学一起制订了如下目标：一是增添风光互补发电、蓄电装置，二
是采用光控装置控制路灯。
【实践设计】
目标一：同学们设计了如图甲所示的风光互补发电、蓄电装置电路图，选购器材的相应参数如
表一所示。
表一
风力发电机 太阳能电池板 其他元件
3
最大限制风速 12 m/s 输出功率 蓄电池 容量：500 A h
6 W
最大输出功率 800 W 光电转化效率 10% LED灯 额=12 V
查阅资料获知：最大输出功率是指风速达到最大限制风速时风力发电机的输出功率，风力发电
机的输出功率 与风速 的三次方成正比，蓄电池容量是指蓄电池放电电流与放电总时间的乘
积，当地太阳最大辐射强度为 120W/m2 。
（1）风力发电机工作时把______能转化为____能；白天，LED 灯不工作时，蓄电池相当于__
______，2盏 LED 灯应该是____联的。
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（2）要使太阳能电池板的最大输出功率达到 36W ，太阳能电池板的面积至少为___m2，在
仅靠风力发电的情况下，当风速为 6 m/s时，将蓄电池由 30%充至 90% 至少所需时间为___
_h 。
目标二：图乙是同学们设计的控制电路，用它来替代图甲中的开关 S 。电路中电源两端电压
恒定，电阻 1和 2 其中一个是定值电阻，另一个是光敏电阻，查阅资料可知某型号光敏电阻
的阻值与光照强度 （单位：lx ）的关系如表二所示，当外界光照强度等于 10 lx时， 1两端
电压升高到某一设定值，控制开关自动闭合，超过 60 lx 时控制开关自动断开。
表二
光照强度 /lx 5 12 15 20 25 40
光敏电阻的阻值/Ω 60 25 20 15 12 7.5
（3）结合信息和已学知识，下列说法错误的是___。
A.光敏电阻是一种半导体
B. 1为定值电阻， 2 为光敏电阻
C.光照强度越弱， 1 两端电压越大
D.定值电阻阻值越大，照明系统工作时间越短
【实践调试】
（4）项目设计完检验时发现，当光照强度分别为 15 lx和 30 lx 时，定值电阻两端电压分别为
2 V和 3 V；当光照强度达到 10 lx时，照明系统开始启动，则设定值 = _____V 。
（5）晓华和其他同学在完善项目的可行性过程中，晓华发现设计中还需要考虑 LED 灯的选择，
你觉得要考虑问题是：_________________________________。（写出一种即可）
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跨学科实践：为节约能源设计方案
1.跨学科实践活动——设计节能路灯模拟装置
【实践调查】
晓华发现道路两旁的路灯在设计上存在以下不足：（1）采用交流电供电，没有利用可再生能
源。（2）路灯每天定时开启，没有结合实际光照强度来控制路灯开启时间。
【实践目标】
结合实际问题，晓华和其他同学一起制订了如下目标：一是增添风光互补发电、蓄电装置，二
是采用光控装置控制路灯。
【实践设计】
目标一：同学们设计了如图甲所示的风光互补发电、蓄电装置电路图，选购器材的相应参数如
表一所示。
表一
风力发电机 太阳能电池板 其他元件
3
最大限制风速 12 m/s 输出功率 蓄电池 容量：500 A h
6 W
最大输出功率 800 W 光电转化效率 10% LED灯 额=12 V
查阅资料获知：最大输出功率是指风速达到最大限制风速时风力发电机的输出功率，风力发电
机的输出功率 与风速 的三次方成正比，蓄电池容量是指蓄电池放电电流与放电总时间的乘
积，当地太阳最大辐射强度为 120W/m2 。
（1）风力发电机工作时把______能转化为____能；白天，LED 灯不工作时，蓄电池相当于__
______，2盏 LED 灯应该是____联的。
答案：机械 电 用电器 并
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解析：风力发电机工作时把机械能转化为电能；白天，LED 灯不工作时，蓄电池相当于用电
器，2盏 LED 灯应该是并联的。
（2）要使太阳能电池板的最大输出功率达到 36W ，太阳能电池板的面积至少为___m2，在
仅靠风力发电的情况下，当风速为 6 m/s时，将蓄电池由 30%充至 90% 至少所需时间为___
_h 。
答案：36 . 3
解析：太阳能电池板的光电转化效率为 10% ，当地太阳最大辐射强度为 120W/m2，则 36W =
120W/m2 × 10% × 36 W，解得至少需要太阳能电池板的面积： = = 3 m2；由蓄
120 W/m2×10%
电池容量知，将蓄电池的电量由 30%充至 90% ，蓄电池增加的能量 = ' = 12 V ×
500 A × 3 600 s × (90% 30%) = 1.296 × 107 J ，当风速为 6 m/s时，最大输出功率 =
800 W 3
3 × (6m/s) = 100W，由 = 可得，在仅靠风力发电的情况下，将蓄电池由 30%(12 m/s)
7
充至 90% 至少所需时间： ' = = 1.296×10 J = 129 600 s = 36 h 。
100 W
目标二：图乙是同学们设计的控制电路，用它来替代图甲中的开关 S 。电路中电源两端电压
恒定，电阻 1和 2 其中一个是定值电阻，另一个是光敏电阻，查阅资料可知某型号光敏电阻
的阻值与光照强度 （单位：lx ）的关系如表二所示，当外界光照强度等于 10 lx时， 1两端
电压升高到某一设定值，控制开关自动闭合，超过 60 lx 时控制开关自动断开。
表二
光照强度 /lx 5 12 15 20 25 40
光敏电阻的阻值/Ω 60 25 20 15 12 7.5
（3）结合信息和已学知识，下列说法错误的是___。
A.光敏电阻是一种半导体
B. 1为定值电阻， 2 为光敏电阻
C.光照强度越弱， 1 两端电压越大
D.定值电阻阻值越大，照明系统工作时间越短
答案：B
解析：光敏电阻由半导体材料制成，故 A正确。由题知当外界光照强度等于 10 lx 时， 1两端
电压升高到某一设定值，控制开关自动闭合，超过 60 lx 时控制开关自动断开，则光照强度减
弱时， 1 两端的电压变大；根据表二的数据可知，当光照强度减弱时，光敏电阻的阻值变大，
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根据串联分压原理可推断 1为光敏电阻， 2 为定值电阻，故 B错误。光照强度越弱，光敏电
阻 1的阻值越大，根据串联分压原理知 1 两端电压越大， 2 两端电压越小，故 C正确。根
据题意及上述可知，该电路中的定值电阻的阻值越大，控制开关自动闭合时，光敏电阻的阻值
越大，此时对应的光照强度就越小，则可得该照明系统工作的时间就越短，故 D正确。故选 B。
【实践调试】
（4）项目设计完检验时发现，当光照强度分别为 15 lx和 30 lx 时，定值电阻两端电压分别为
2 V和 3 V；当光照强度达到 10 lx时，照明系统开始启动，则设定值 = _____V 。
答案：4.5
解析：根据表二数据可知：5 lx × 60 Ω = 12 lx × 25 Ω = 15 lx × 20 Ω = 300 lx Ω， 可发现
光照强度和光敏电阻阻值的乘积为定值；则当光照强度分别为 15 lx和 30 lx 时，光敏电阻的
阻值分别 20 Ω 和 10 Ω ，定值电阻两端的电压分别为 2 V和 3 V；设电源电压为 0 ，定值电
阻的阻值为 2 V2 ，根据串联电路的特点和欧姆定律可知： 0 = 2 V + × 20 Ω = 3 V +
3 V ×
2 2
10 Ω ，解得： 0 = 6 V， 2 = 10 Ω ；则当光照强度为 10 lx
300 lx Ω
时，光敏电阻的阻值 1 = =10 lx
30 Ω ，根据欧姆定律和串联电路的特点可知，设定值 = 0 × = 6 V1 × 30 Ω = 4.5 V 1+ 2 30 Ω+10 Ω
。
（5）晓华和其他同学在完善项目的可行性过程中，晓华发现设计中还需要考虑 LED 灯的选择，
你觉得要考虑问题是：_________________________________。（写出一种即可）
答案：LED灯的功率不能太大（合理即可）
解析：设计中还需要考虑 LED灯的选择，例如 LED 灯的功率不能太大。
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