Question

12．隨著世界經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，世界“能源危機(jī)”日益突出，充分利用和開(kāi)發(fā)新能源，已成為世界各國(guó)共同關(guān)注的問(wèn)題，而開(kāi)發(fā)和利用太陽(yáng)能成為目前的重要措施之一．

（1）小明家的太陽(yáng)能熱水器的采光面積是2.1m²．若我市向陽(yáng)的地方每平方米的面積1h得到的太陽(yáng)輻射能平均為3×10⁶J，每天接收太陽(yáng)能的時(shí)間以8h計(jì)算，熱水器能把接收到的太陽(yáng)能的50%轉(zhuǎn)化成水的內(nèi)能，則正常情況下，該熱水器一天能把150kg、初溫為20℃的水加熱到多少℃？
（2）圖甲是人們研制的太陽(yáng)能電動(dòng)三輪車(chē)，車(chē)子頂部的太陽(yáng)能電池板將光能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在太陽(yáng)能電池中，電池再給三輪車(chē)的電動(dòng)機(jī)供電．
①小明同學(xué)設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的簡(jiǎn)化電路圖如圖乙所示，若太陽(yáng)能電池的電壓保持不變，調(diào)速電阻的最大阻值為50Ω．閉合開(kāi)關(guān)S，當(dāng)調(diào)速電阻的滑片滑到最左端時(shí)車(chē)速最大，此時(shí)電流表示數(shù)為5A，電動(dòng)機(jī)電功率最大為1kW；當(dāng)調(diào)速電阻的滑片滑到最右端時(shí)車(chē)速最小，此時(shí)電流表示數(shù)為1A，求這時(shí)電動(dòng)機(jī)的電功率是多少？
②制造太陽(yáng)能電動(dòng)三輪車(chē)車(chē)架有各種不同的新材料，部分材料的技術(shù)指標(biāo)如下表所示：

材料 技術(shù)指標(biāo)	錳鋼	鋁合金	鈦合金	碳纖維
性能（強(qiáng)度）	強(qiáng)	較弱	較強(qiáng)	強(qiáng)
密度（kg•m-3）	7.9×103	3.0×103	4.5×103	1.6×103

若讓你設(shè)計(jì) 制造強(qiáng)度高并且輕便的三輪車(chē)，你選擇表中的哪種材料？若車(chē)架的體積約為5×10^-3m³，車(chē)架的質(zhì)量是多大？
（3）你認(rèn)為利用太陽(yáng)能有哪些好處？

Answer 1

分析 （1）由題知，每平方米的面積在1h內(nèi)得到的太陽(yáng)輻射能為3×10⁶J，又知道太陽(yáng)能熱水器的采光面積，可求太陽(yáng)能熱水器每天（8h）吸收的太陽(yáng)能，又知道有50%的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能被水吸收，可求水吸收的熱量，再根據(jù)Q_吸=cm△t求溫度的升高值；
（2）①當(dāng)滑片P滑到最左端時(shí)，電路為電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)單電路，根據(jù)U=$\frac{P}{I}$求出電源的電壓；當(dāng)滑片P滑到最右端時(shí)，電動(dòng)機(jī)與滑動(dòng)變阻器的最大阻值串聯(lián)，根據(jù)歐姆定律求出滑動(dòng)變阻器兩端的電壓，根據(jù)串聯(lián)電路的電壓特點(diǎn)求出電動(dòng)機(jī)兩端的電壓，根據(jù)P=UI求出此時(shí)電功率的電功率；
②根據(jù)設(shè)計(jì)制造強(qiáng)度高并且輕便的三輪車(chē)，三輪車(chē)的強(qiáng)度高并且密度小的材料，由表格數(shù)據(jù)可知選擇的材料，又知道車(chē)架的體積，根據(jù)密度公式求出車(chē)架的質(zhì)量；
（3）太陽(yáng)能是一種新型的能源，取之不盡用之不竭，且無(wú)污染等．

解答 解：（1）已知太陽(yáng)能1h1m²吸收的熱量，一天太陽(yáng)能水吸收的熱量：
Q_吸=3×10⁶J/（m²•h）×8h×2.1m²×50%=2.52×10⁷J，
因?yàn)镼_吸=cm△t，
所以△t=$\frac{{Q}_{吸}}{cm}$=$\frac{2.52×1{0}^{7}J}{4.2×1{0}^{3}J/（kg•℃）×150kg}$=40℃．
所以水最后的溫度t=20℃+40℃=60℃；
（2）①由題意可知：當(dāng)滑片P滑到最左端是電動(dòng)機(jī)兩端的電壓等于太陽(yáng)能電池的電壓，即：
U_總=$\frac{P}{I}$=$\frac{1000w}{5A}$=200V；
當(dāng)滑片P滑到最右端時(shí)，滑動(dòng)變阻器兩端的電壓：
U₁=IR=1A×50Ω=50V，
此時(shí)，電動(dòng)機(jī)兩端的電壓為：
U=U_總-U₁=200V-50V=150V，
電動(dòng)機(jī)的功率：
P_電機(jī)=IU=1A×150V=150W；
②因?yàn)檐?chē)架設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度高并且輕便的電動(dòng)三輪車(chē)，
所以要求三輪車(chē)的強(qiáng)度高并且密度小的材料，由表格數(shù)據(jù)可知，應(yīng)選擇碳纖維，
由ρ=$\frac{m}{V}$可得，車(chē)架的質(zhì)量：
m=ρ_碳纖維V=1.6×10³kg/m³×5×10^-3m³=8kg；
（3）太陽(yáng)能是一種新型的能源，越來(lái)越被廣泛利用，它的優(yōu)點(diǎn)很多，比如：安全、清潔、無(wú)污染；太陽(yáng)能分布廣闊，獲取方便；能量大、供應(yīng)時(shí)間久等；
答：（1）正常情況下，該熱水器一天能把150kg、初溫為20℃的水加熱到 60℃；
（2）①這時(shí)電動(dòng)機(jī)的電功率是150w；
②選擇表中的碳纖維材料；車(chē)架的質(zhì)量是8kg；
（3）太陽(yáng)能優(yōu)點(diǎn)很多，比如：安全、清潔、無(wú)污染；太陽(yáng)能分布廣闊，獲取方便；能量大、供應(yīng)時(shí)間久等．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了質(zhì)量的計(jì)算、熱量的計(jì)算，串聯(lián)電路的特點(diǎn)和歐姆定律、電功率公式的靈活應(yīng)用，要注意電動(dòng)機(jī)為非純電阻用電器，還涉及到了太陽(yáng)能的優(yōu)點(diǎn)、材料的分類(lèi)和環(huán)境保護(hù)等，知識(shí)點(diǎn)較多，綜合性強(qiáng)，難度較大．