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解:电动机消耗的电功率:
$P=UI=160\ \mathrm{V}×12\ \mathrm{A}=1920\ \mathrm{W}$
解:1min内电动机消耗的电能:
$W_{电}=Pt=1920\ \mathrm{W}×60\ \mathrm{s}=115200\ \mathrm{J}$
转化的机械能:
$W_{机}=W_{电}×75\%=115200\ \mathrm{J}×75\%=86400\ \mathrm{J}$
由$W=Fs$得,汽车行驶的距离:
$s=\frac{W_{机}}{F}=\frac{86400\ \mathrm{J}}{180\ \mathrm{N}}=480\ \mathrm{m}$
升高
对水做功,水的内能增加
机械能
转化为内能
【分析】
对于第(1)问,已知电动机的工作电压和电流,根据电功率的计算公式$P=UI$,直接代入数值即可求出电动机消耗的电功率。
对于第(2)问,首先根据电功公式$W_{电}=Pt$计算出1分钟内电动机消耗的电能;再结合机械能的转化效率,求出转化得到的机械能$W_{机}=W_{电}×η$;由于汽车在水平路面匀速行驶,牵引力做的功等于转化的机械能,根据机械功公式$W=Fs$的变形公式$s=\frac{W_{机}}{F}$,代入数值就能算出汽车行驶的距离。
【解析】
(1) 已知电动机的电压$U=160\ \mathrm{V}$,电流$I=12\ \mathrm{A}$,根据电功率公式:
$ P=UI=160\ \mathrm{V}×12\ \mathrm{A}=1920\ \mathrm{W}$
(2) ① 计算1min内电动机消耗的电能:
时间$t=1\ \mathrm{min}=60\ \mathrm{s}$,由$W=Pt$得:
$ W_{电}=Pt=1920\ \mathrm{W}×60\ \mathrm{s}=115200\ \mathrm{J}$
② 计算转化的机械能:
已知转化效率$η=75\%$,则:
$ W_{机}=W_{电}×η=115200\ \mathrm{J}×75\%=86400\ \mathrm{J}$
③ 计算汽车行驶的距离:
汽车匀速行驶时,牵引力做的功等于机械能,由$W=Fs$变形得:
$ s=\frac{W_{机}}{F}=\frac{86400\ \mathrm{J}}{180\ \mathrm{N}}=480\ \mathrm{m}$
【答案】
(1) 电动机消耗的电功率是$1920\ \mathrm{W}$;
(2) 1min内这辆车行驶了$480\ \mathrm{m}$。
【知识点】
电功率计算;电功与机械能转化;机械功公式应用
【点评】
本题以太阳能汽车为背景,综合考查了电学中电功率、电功的计算,以及力学中机械功和效率的相关知识,需要学生熟练掌握各物理量的计算公式,并能灵活进行公式变形,注重物理知识在实际生活中的应用。
【难度系数】
0.7
【分析】
(1) 首先回忆改变物体内能的方式,动叶轮转动时会对水做功,水的内能增加,温度会随之升高;从能量转化角度,配重的机械能通过叶轮转动转化为水的内能。
(2) 验证能量守恒需分别计算配重做的功和水吸收的热量:先计算大配重下降做的功与小配重上升克服重力做功的差值,得到对水做的总功;再利用热量公式$Q=cm\Delta t$计算水吸收的热量,注意单位换算,最后对比两者数值,若相等则说明能量守恒。
(3) 实验中,叶轮转动时会克服摩擦做功,同时水的热量可能散失到空气中或被容器吸收,这些都会造成能量损耗,是误差的主要来源。
【解析】
(1) 动叶轮不停地转动,对热量计中的水做功,水的内能增加,因此水的温度升高;原因是对水做功,水的内能增加;实现的能量转化是机械能转化为内能。
(2) 计算、判断过程如下:
① 计算配重重力做的功:
总功为大配重做功减去小配重克服重力做的功,即
$W=G_{大}h-G_{小}h=(520\ \mathrm{N}-100\ \mathrm{N})×1\ \mathrm{m}=420\ \mathrm{J}$
② 计算水吸收的热量:
先进行单位换算,$m=500\ \mathrm{g}=0.5\ \mathrm{kg}$,由数据可知每升降一次水温升高$\Delta t=0.2\ \mathrm{℃}$,根据热量公式$Q=cm\Delta t$:
$Q=4.2×10^{3}\ \mathrm{J/(kg·℃)}×0.5\ \mathrm{kg}×0.2\ \mathrm{℃}=420\ \mathrm{J}$
③ 判断:因为$W=Q$,说明在该现象中能量是守恒的。
(3) 实验中的误差主要来源于克服摩擦做功消耗了一部分能量(或热量散失到空气中、热量被容器吸收等)。
【答案】
(1) 升高;对水做功,水的内能增加;机械能转化为内能
(2) ①计算配重重力做的功:$W=G_{大}h-G_{小}h=(520\ \mathrm{N}-100\ \mathrm{N})×1\ \mathrm{m}=420\ \mathrm{J}$;②计算水吸收的热量:$m=500\ \mathrm{g}=0.5\ \mathrm{kg}$,$Q=4.2×10^{3}\ \mathrm{J/(kg·℃)}×0.5\ \mathrm{kg}×0.2\ \mathrm{℃}=420\ \mathrm{J}$;③判断:$W=Q$,说明能量是守恒的
(3) 克服摩擦做功消耗了一部分能量(合理即可)
【知识点】
做功改变物体内能、能量守恒定律、热量的计算
【点评】
本题结合经典实验考查能量转化与守恒定律,融合了做功改变内能的原理与热量计算的应用,帮助学生理解能量转化的本质及守恒规律,同时引导学生认识实验误差的常见来源,培养科学探究的严谨性。
【难度系数】
0.6