Question

13．為了響應(yīng)“節(jié)能減排”的號召，小周家買了一臺容積為100L的太陽能熱水器．請你與小周一起，對太陽能熱水器進(jìn)行研究與計算．
（1）太陽能是可再生能源（填“可再生”或“不可再生”）．太陽的巨大能量來自于太陽內(nèi)部的聚變（熱核）反應(yīng)．
（2）小周早晨把熱水器加滿水，溫度傳感器顯示水溫為18℃，下午放學(xué)時看到顯示的水溫為78℃，則熱水器中的水吸收了多少熱量？與使用電熱水器相比，相當(dāng)于節(jié)約了多少度電？[不計電熱水器的熱量損失，c_水=4.2×10³J/（kg•℃）]
（3）如果水箱及吸熱板的總質(zhì)量為20kg，裝滿水后其重心與吸熱板和屋頂?shù)孛娴慕佑|點水平距離為1m，右支架與吸熱板和屋頂?shù)孛娴慕佑|點相距1.2m，則支架對屋頂?shù)孛娴膲毫�為多大？g=10N/kg
（4）該熱水器的說明書中介紹，真空管熱水器可以把90%的太陽能轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能，真有這么高的效率嗎？小周查閱資料知道，他們所在地區(qū)單位受光面積上接收太陽能的功率為P，小周還需要測量哪些物理量，并運用本題計算出的熱量Q，就可估測出這臺熱水器的光熱轉(zhuǎn)化效率？寫出效率η的表達(dá)式．（用代表物理量的字母表示，不需要計算具體數(shù)據(jù)）

Answer 1

分析 （1）太陽能是可以源源不斷的從自然界得到的能源，是可再生能源；
太陽能來自于太陽內(nèi)部的核聚變反應(yīng)，聚變又叫熱核反應(yīng)；
（2）知道水的體積和密度，根據(jù)m=ρV求出水的質(zhì)量，然后根據(jù)Q=c_水m（t₂-t₁）求出水吸收的熱量；
由題意知W=Q，并結(jié)合1度=1kW•h=3.6×10⁶J求出節(jié)約的電能；
（3）根據(jù)G=mg求出熱水器的總重力即阻力，然后利用F₁l₁=F₂l₂的變形公式F₁=$\frac{{F}_{2}{l}_{2}}{{l}_{1}}$求出屋頂?shù)孛鎸χЪ艿闹С至�，再根�?jù)作用力與反作用力大小相等求出支架對屋頂?shù)孛娴膲毫Γ?br />（4）單位受光面積上接收太陽能的功率乘以光照時間和受光面積就是吸收的太陽能，光熱轉(zhuǎn)化效率等于水吸收的熱量和太陽能熱水器吸收太陽能的比值．

解答 解：（1）太陽光可以源源不斷的從自然界得到，是可再生能源．
太陽能來自于太陽內(nèi)部的核聚變（熱核反應(yīng)）．
（2）水的體積V_水=100L=100dm³=0.1m³，
由ρ=$\frac{m}{V}$得，水的總質(zhì)量：
m_水=ρ_水V_水=1×10³kg/m³×0.1m³=100kg，
水吸收的熱量：
Q=c_水m_水（t₂-t₁）
=4.2×10³J/（kg•℃）×100kg×（78℃-18℃）
=2.52×10⁷J．
因為不計電熱水器的熱量損失，所以相當(dāng)于節(jié)約的電能：
W=Q=2.52×10⁷J=7kW•h=7度．
（3）太陽能熱水器裝滿水后的總質(zhì)量：
m_總=m+m_水=20kg+100kg=120kg，
太陽能熱水器裝滿水后的總重力：
G_總=m_總g=120kg×10N/kg=1200N，
則阻力F₂=G_總=1200N，
阻力臂l₂=1m，動力臂l₁=1.2m，
由F₁l₁=F₂l₂得，屋頂?shù)孛鎸χЪ艿闹С至Γ�即動力）�?br />F₁=$\frac{{F}_{2}{l}_{2}}{{l}_{1}}$=$\frac{1200N×1m}{1.2m}$=1000N，
因為支架對屋頂?shù)孛娴膲毫�和屋頂�(shù)孛鎸χЪ艿闹С至κ且粚ο嗷プ饔昧Γ�大小相等�?br />所以支架對屋頂?shù)孛娴膲毫Γ篎=F₁=1000N．
（4）測出太陽能熱水器的有效受光面積S和兩次水溫記錄之間的光照時間t，
光熱轉(zhuǎn)化效率：η=$\frac{Q}{PtS}$×100%．
故答案為：（1）可再生；聚變（熱核）；
（2）熱水器中的水吸收了2.52×10⁷J的熱量；相當(dāng)于節(jié)約了7度電；
（3）支架對屋頂?shù)孛娴膲毫��?000N；
（4）測出太陽能熱水器的有效受光面積S和兩次水溫記錄之間的光照時間t，
光熱轉(zhuǎn)化效率：η=$\frac{Q}{PtS}$×100%．

點評 此題主要考查可再生能源的特點、吸收熱量、杠桿的平衡條件以及轉(zhuǎn)化效率的計算等知識，涉及到的知識點多，綜合性強(qiáng)，尤其是第（4）問中的光熱轉(zhuǎn)化效率，需要同學(xué)們認(rèn)真分析；
另外，本題重點還考查了學(xué)生的綜合應(yīng)用能力及應(yīng)用物理知識解決實際問題的能力，體現(xiàn)了物理與生活相聯(lián)系的思想．