Question

18．太陽(yáng)能是21世紀(jì)重點(diǎn)發(fā)展的能源之一，太陽(yáng)能汽車是利用太陽(yáng)能電池將接收到的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，再利用電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車的新型交通工具．某太陽(yáng)能實(shí)驗(yàn)車，車上太陽(yáng)能電池接受太陽(yáng)能的有效面積為8m²，太陽(yáng)光照射到電池板每平方面積上的輻射功率為P₀=1kW，在晴朗的日子，電池對(duì)著太陽(yáng)時(shí)產(chǎn)生的電壓U=120V，并對(duì)車上的電動(dòng)機(jī)提供I=10A的電流．
（1）太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的效率是多少？
（2）如果這輛車的電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率為75%，則汽車的機(jī)械功率為多少？當(dāng)它在水平路勻速行駛時(shí)，受到的牽引力是150N，則其行駛速度是多少？
（3）如果汽車的機(jī)械能換用汽油提供，則汽車每小時(shí)要消耗多少kg的汽油？設(shè)汽油完全燃燒放出熱量的50%轉(zhuǎn)化為汽車的機(jī)械能（汽油的熱值為q=4.6×10⁷J/kg）．

Answer 1

分析 （1）已知每平方米面積上能接收到太陽(yáng)能的功率，便可以計(jì)算出8 m²面積上能接收到太陽(yáng)能的總功率，還知道太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電壓和供電動(dòng)機(jī)正常工作的電流，可利用公式P=UI計(jì)算電動(dòng)機(jī)工作時(shí)的有用功率，最后根據(jù)效率公式求太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的效率．
（2）在（1）中求出了電動(dòng)機(jī)工作時(shí)的有用功率，已知電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率，可求電動(dòng)機(jī)的輸出功率；又知道牽引力的大小，利用P=Fv的公式變形計(jì)算汽車的行駛速度．
（3）已知汽車的機(jī)械功率和時(shí)間，可利用公式W=P_機(jī)t計(jì)算獲得的機(jī)械能，汽油完全燃燒放出熱量的50%轉(zhuǎn)化為汽車的機(jī)械能，再利用效率公式計(jì)算汽油完全燃燒放出的熱量，已知汽油的熱值，可利用公式m=$\frac{{Q}_{放}}{q}$計(jì)算汽油的質(zhì)量．

解答 解：
（1）太陽(yáng)的輻射功率：P₀=1 kW/m²=1000W/m²，
太陽(yáng)能電池的面板接收到的太陽(yáng)能的總功率為：P_總=P₀×S_總=1000W/m²×8m²=8000W，
轉(zhuǎn)化為太陽(yáng)能汽車的電功率為：P_電=UI=120V×10A=1200W，
則太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的效率為：
η=$\frac{{W}_{電}}{{W}_{總}(cāng)}$=$\frac{{P}_{電}t}{{P}_{總}(cāng)t}$=$\frac{{P}_{電}}{{P}_{總}(cāng)}$=$\frac{1200W}{8000W}$=15%；
（2）電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率η₁=75%，
汽車的機(jī)械功率為：P_機(jī)=P_電×η₁=1200W×75%=900W，
由P=$\frac{W}{t}$=$\frac{Fs}{t}$=Fv得，
汽車的行駛速度：
v=$\frac{{P}_{機(jī)}}{F}$=$\frac{900W}{150N}$=6m/s；
（3）汽車獲得的機(jī)械能：W=P_機(jī)t=900W×3600s=3.24×10⁶J，
由η=$\frac{{Q}_{有用}}{{Q}_{總}(cāng)}$得，
Q_放=$\frac{Q}{{η}_{2}}$=$\frac{3.24×1{0}^{6}J}{50%}$=6.48×10⁶J，
由Q_放=mq得，
消耗汽油的質(zhì)量：
m=$\frac{{Q}_{放}}{q}$=$\frac{6.48×1{0}^{6}J}{4.6×1{0}^{7}J/kg}$≈0.14kg．
答：（1）太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的效率為15%；
（2）汽車的機(jī)械功率為900W；當(dāng)它在水平路勻速行駛時(shí)，受到的牽引力是150N，則其行駛速度是6m/s；
（3）汽車每小時(shí)要消耗0.14kg的汽油．

點(diǎn)評(píng) 此題主要考查學(xué)生對(duì)功率的計(jì)算、功的計(jì)算、太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化等知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握，此題涉及到的知識(shí)點(diǎn)較多，屬于難題，此題體現(xiàn)了物理與高科技相結(jié)合的思想．