Question

13．為了響應(yīng)“節(jié)能減排”的號(hào)召，小周家買了一臺(tái)容積為100L的太陽能熱水器．請(qǐng)你與小周一起，對(duì)太陽能熱水器進(jìn)行研究與計(jì)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(shí)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(jì)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(diǎn)水平距離為1m，右支架與吸熱板和屋頂?shù)孛娴慕佑|點(diǎn)相距1.2m，則支架對(duì)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(cè)量哪些物理量，并運(yùn)用本題計(jì)算出的熱量Q，就可估測(cè)出這臺(tái)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(jì)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?duì)支架的支持力，再根據(jù)作用力與反作用力大小相等求出支架對(duì)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(shí)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?yàn)椴挥?jì)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(dòng)力臂l₁=1.2m，
由F₁l₁=F₂l₂得，屋頂?shù)孛鎸?duì)支架的支持力（即動(dòng)力）：
F₁=$\frac{{F}_{2}{l}_{2}}{{l}_{1}}$=$\frac{1200N×1m}{1.2m}$=1000N，
因?yàn)橹Ъ軐?duì)屋頂?shù)孛娴膲毫�和屋頂�(shù)孛鎸?duì)支架的支持力是一對(duì)相互作用力，大小相等，
所以支架對(duì)屋頂?shù)孛娴膲毫Γ篎=F₁=1000N．
（4）測(cè)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(shí)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(duì)屋頂?shù)孛娴膲毫��?000N；
（4）測(cè)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(shí)間t，
光熱轉(zhuǎn)化效率：η=$\frac{Q}{PtS}$×100%．

點(diǎn)評(píng) 此題主要考查可再生能源的特點(diǎn)、吸收熱量、杠桿的平衡條件以及轉(zhuǎn)化效率的計(jì)算等知識(shí)，涉及到的知識(shí)點(diǎn)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(diǎn)還考查了學(xué)生的綜合應(yīng)用能力及應(yīng)用物理知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，體現(xiàn)了物理與生活相聯(lián)系的思想．