Question

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                                          太陽能熱水器
太陽能熱水器利用太陽能把水從低溫加熱到高溫，以滿足人們日常生活需要，它具有安全、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點．
如圖1所示，太陽能熱水器主要由兩部分組成：一部分是由許多根玻璃吸熱管組成的集熱器，每根玻璃吸熱管由雙層玻璃管組成，雙層玻璃管之間是真空．如圖所示是玻璃吸熱管的工作原理圖，它的結構與保溫瓶的玻璃內膽相似，只是在玻璃吸熱管的內表面涂了一層黑色的吸熱材料；另一部分是保溫儲水箱，保溫儲水箱下部與玻璃吸熱管相通．
玻璃吸熱管的工作原理如圖2所示：當太陽光入射到黑色的吸熱層上時，黑色吸熱層能把太陽能更有效地轉化為熱能，將管內的水加熱．向光一側的水被加熱后體積增大、密度變小而向上運動；背光一側的水由于溫度較低、密度較大而向下運動，形成冷熱水循環(huán)，最終整箱水都升高到一定的溫度．玻璃吸熱管具有吸熱保溫作用．
請回答以下問題：

（1）玻璃吸熱管內向光一側的水吸熱后體積增大、密度變小，所受到的浮力______重力．
（2）能否將黑色的吸熱材料涂在玻璃吸熱管的外表面？簡單說明理由．______．
（3）將質量為100kg的初溫為20℃的水加熱到60℃，求這些水需要吸收多少熱量？[水的比熱容是4.2×10³J/]
（4）某品牌太陽能熱水器集熱器面積為S=2m²，熱效率為η=40%（即熱水器能將照射到玻璃吸熱管上的太陽能的40%轉化為水的熱能），該地點太陽能輻射到地面的平均功率為P=1.4×10³W/m²（即平均每平方米每秒種太陽能輻射能為1.4×10³J）．在第（3）小題中水吸收的熱量由該熱水器提供，求需要加熱多少小時？

Answer 1

【答案】分析：（1）玻璃吸熱管內向光一側的水吸熱后體積增大、密度變小，根據(jù)物體的漂浮條件回答；
（2）玻璃吸熱管的內表面涂了一層黑色的吸熱材料，吸收太陽輻射熱，傳遞給水，水吸熱溫度升高；若將黑色的吸熱材料涂在玻璃吸熱管的外表面，因為玻璃是熱的不良導體，集熱管中又有真空層，不利于將熱量傳遞給管內的水；
（3）知道水的質量、水的比熱容、水的初溫和末溫，利用吸熱公式Q_吸=cm△t求水吸收的熱量；
（4）根據(jù)題意可求每秒水吸收的熱量，又知道水吸收的熱量，求需要的加熱時間．
解答：解：（1）玻璃吸熱管內向光一側的水吸熱后體積增大、密度變小，受到水的浮力大于重力而向上運動，另一側的水向下運動，形成對流；
（2）不能將黑色的吸熱材料涂在玻璃吸熱管的外表面，因為玻璃是熱的不良導體，集熱管中又有真空層，不利于將熱量傳遞給管內的水；
（3）水吸收的熱量：
Q_吸=cm△t=4.2×10³J/（kg?℃）×100kg×（60℃-20℃）=1.68×10⁷J；
（4）熱水器每秒水吸收的熱量：
Q_吸′=Pst×40%=1.4×10³W/m²×2m²×1s×40%=1.12×10³J，
∴加熱時間：
t==15000s=250min≈4.2h．
答：（1）大于；（2）不能，因為玻璃是熱的不良導體，集熱管中又有真空層，不利于將熱量傳遞給管內的水；
（3）這些水需要吸收1.68×10⁷J的熱量；
（4）需要的加熱時間為4.2h．
點評：本題考查了學生對物體的浮沉條件、熱量的計算和能量的利用率的運用，綜合性強，屬于難題．