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化学
解:根据公式​$Q = mq(Q $​为燃料完全燃烧放出的热量,​$m $​为燃料质量,​$q $​为燃料热值​$)$​,已知​$Q = 2.7×10^7\ \mathrm {J}$​,​$q = 3.0×10^7\ \mathrm {J/kg}$​。
则​$m=\frac Qq$​,将数值代入可得​$m=\frac {2.7×10^7\ \mathrm {J}}{3.0×10^7\ \mathrm {J/kg}}=0.9\ \mathrm {kg}$​。
根据公式​$W = Pt(P $​为功率,​$t $​为时间​$)$​,已知​$P = 35\ \mathrm {W}$​,​$t = 60\ \mathrm {h}=60×3600\ \mathrm {s} = 2.16×10^5\ \mathrm {s}$​。
则​$W = Pt=35\ \mathrm {W}×2.16×10^5\ \mathrm {s} = 7.56×10^6\ \mathrm {J}$​。
根据能量转化效率公式​$\eta =\frac WQ×100\%(W $​为转化后利用的能量,​$Q $​为输入的能量​$)$​。
已知​$W = 7.56×10^6\ \mathrm {J}$​,​$Q = 2.7×10^7\ \mathrm {J}$​,则​$\eta =\frac {7.56×10^6\ \mathrm {J}}{2.7×10^7\ \mathrm {J}}×100\% = 28\%$​。
答:煤的质量是​$0.9\ \mathrm {kg}$​,该太阳能路灯的能量转化效率是​$28\%$​。
解:(1)一天接收的太阳能$Q_{\mathrm{总}}=2.8×10^6\ \mathrm{J/(m}^2·\mathrm{h)}×1.5\ \mathrm{m}^2×8\ \mathrm{h}=3.36×10^7\ \mathrm{J}$
水的质量$m_{\mathrm{水}}=\rho V=1×10^3\ \mathrm{kg/m}^3×80×10^{-3}\ \mathrm{m}^3=80\ \mathrm{kg}$
水吸收的热量$Q_{\mathrm{吸}}=Q_{\mathrm{总}}×60\%=3.36×10^7\ \mathrm{J}×0.6=2.016×10^7\ \mathrm{J}$
由$Q_{\mathrm{吸}}=c_{\mathrm{水}}m_{\mathrm{水}}\Delta t$得,$\Delta t=\frac{Q_{\mathrm{吸}}}{c_{\mathrm{水}}m_{\mathrm{水}}}=\frac{2.016×10^7\ \mathrm{J}}{4.2×10^3\ \mathrm{J/(kg·℃)}×80\ \mathrm{kg}}=60\ \mathrm{℃}$
(2)需要煤气的质量$m_{\mathrm{煤气}}=\frac{Q_{\mathrm{总}}}{q_{\mathrm{煤气}}}=\frac{3.36×10^7\ \mathrm{J}}{4.2×10^7\ \mathrm{J/kg}}=0.8\ \mathrm{kg}$
(3)① 利用太阳能可以节约化石能源,减少环境污染;
② 受天气影响(或转换效率低,或提供功率小等)
答:(1)一天中接收的太阳能约为$3.36×10^7\ \mathrm{J},$可使水温升高$60\ \mathrm{℃};$(2)需要完全燃烧0.8 kg煤气;(3)① 利用太阳能可以节约化石能源,减少环境污染;② 受天气影响(或转换效率低,或提供功率小等)
【分析】
首先,蓄电池充电时,是将电能转化为化学能储存起来。对于第一问,已知太阳光辐射的能量(相当于煤完全燃烧放出的热量)和煤的热值,根据燃料完全燃烧放热公式Q=mq,变形可求出煤的质量。对于第二问,先根据电功公式W=Pt计算出路灯工作消耗的电能(即有用能量),再利用能量转化效率公式η=(W/Q)×100%,代入有用能量和总能量(太阳光辐射的能量)即可求出转化效率。
【解析】
化学
解:1. 计算与太阳光辐射能量相当的煤的质量
根据燃料完全燃烧放热公式 $ Q = mq $(其中$ Q $为燃料完全燃烧放出的热量,$ m $为燃料质量,$ q $为燃料热值),已知$ Q = 2.7×10^7\ \mathrm{J} $,$ q = 3.0×10^7\ \mathrm{J/kg} $,变形可得:
$ m = \frac{Q}{q} = \frac{2.7×10^7\ \mathrm{J}}{3.0×10^7\ \mathrm{J/kg}} = 0.9\ \mathrm{kg} $
2. 计算太阳能路灯的能量转化效率
首先将路灯工作时间单位换算为秒:$ t = 60\ \mathrm{h} = 60×3600\ \mathrm{s} = 2.16×10^5\ \mathrm{s} $
根据电功公式 $ W = Pt $(其中$ P $为功率,$ t $为工作时间),已知$ P = 35\ \mathrm{W} $,可得路灯消耗的有用电能:
$ W = Pt = 35\ \mathrm{W}×2.16×10^5\ \mathrm{s} = 7.56×10^6\ \mathrm{J} $
根据能量转化效率公式 $ \eta = \frac{W}{Q}×100\% $(其中$ W $为转化后利用的有用能量,$ Q $为输入的总能量),代入数据得:
$ \eta = \frac{7.56×10^6\ \mathrm{J}}{2.7×10^7\ \mathrm{J}}×100\% = 28\% $
答:与完全燃烧0.9kg的煤放出的热量相当;该太阳能路灯的能量转化效率是28%。
【答案】
化学;与完全燃烧0.9千克的煤放出的热量相当,该太阳能路灯的能量转化效率是28%。
【知识点】
能量转化形式、燃料放热计算、能量转化效率计算
【点评】
本题结合太阳能路灯的实际应用,考查了能量转化形式、燃料完全燃烧放热公式以及能量转化效率的计算,涉及热学和电学的基础公式应用,解题时需注意单位的统一(如时间单位换算为秒),熟练掌握基本公式是解题关键。
【难度系数】
0.6
【分析】
1. 对于第一问,首先根据题目给出的每平方米每小时接收的太阳能、有效面积和日照时间,可直接计算出一天接收的总太阳能;接着根据效率计算出水吸收的热量,再结合水的质量(由密度和体积计算得出),利用吸热公式的变形公式计算水温升高值。
2. 第二问中,煤气燃烧放出的热量等于热水器一天接收的太阳能,利用热值公式的变形公式即可求出需要燃烧的煤气质量。
3. 第三问从能源可持续发展角度,太阳能的优点可从节能、环保等方面思考,利用困难可从受天气影响、转换效率等方面分析。
【解析】
(1)计算一天接收的太阳能:
已知$1\ \mathrm{m}^2$面积每小时接收太阳能$2.8×10^{6}\ \mathrm{J}$,有效面积$1.5\ \mathrm{m}^2$,日照$8\ \mathrm{h}$,则一天接收的太阳能:
$Q_{\mathrm{总}}=2.8×10^6\ \mathrm{J/(m}^2·\mathrm{h)}×1.5\ \mathrm{m}^2×8\ \mathrm{h}=3.36×10^7\ \mathrm{J}$
计算水的质量:
水的体积$V=80\ \mathrm{L}=80×10^{-3}\ \mathrm{m}^3$,由$\rho=\frac{m}{V}$得,
$m_{\mathrm{水}}=\rho V=1×10^3\ \mathrm{kg/m}^3×80×10^{-3}\ \mathrm{m}^3=80\ \mathrm{kg}$
计算水吸收的热量:
$Q_{\mathrm{吸}}=Q_{\mathrm{总}}×60\%=3.36×10^7\ \mathrm{J}×0.6=2.016×10^7\ \mathrm{J}$
由$Q_{\mathrm{吸}}=c_{\mathrm{水}}m_{\mathrm{水}}\Delta t$得,水温升高值:
$\Delta t=\frac{Q_{\mathrm{吸}}}{c_{\mathrm{水}}m_{\mathrm{水}}}=\frac{2.016×10^7\ \mathrm{J}}{4.2×10^3\ \mathrm{J/(kg·℃)}×80\ \mathrm{kg}}=60\ \mathrm{℃}$
(2)煤气燃烧放出的热量$Q_{\mathrm{放}}=Q_{\mathrm{总}}$,由$Q_{\mathrm{放}}=mq$得,需要燃烧煤气的质量:
$m_{\mathrm{煤气}}=\frac{Q_{\mathrm{总}}}{q_{\mathrm{煤气}}}=\frac{3.36×10^7\ \mathrm{J}}{4.2×10^7\ \mathrm{J/kg}}=0.8\ \mathrm{kg}$
(3)① 提倡开发利用太阳能的理由:利用太阳能可以节约化石能源,减少环境污染;
② 利用太阳能面临的困难:受天气影响(或转换效率低、提供功率小等)
【答案】
(1)一天中接收的太阳能约为$3.36×10^7\ \mathrm{J}$,可使水温升高$60\ \mathrm{℃}$;
(2)需要完全燃烧$0.8\ \mathrm{kg}$煤气;
(3)① 利用太阳能可以节约化石能源,减少环境污染;② 受天气影响(或转换效率低、提供功率小等)
【知识点】
热量公式应用、热值计算、太阳能利用
【点评】
本题结合实际的太阳能热水器,综合考查了热量计算、热值计算以及太阳能的相关知识,既要求学生熟练掌握相关物理公式的应用,又要求学生了解能源可持续发展的相关知识,注重理论联系实际。
【难度系数】
0.6