Question

12．隨著世界經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，世界“能源危機”日益突出，充分利用和開發(fā)新能源，已成為世界各國共同關(guān)注的問題，而開發(fā)和利用太陽能成為目前的重要措施之一．

（1）小明家的太陽能熱水器的采光面積是2.1m²．若我市向陽的地方每平方米的面積1h得到的太陽輻射能平均為3×10⁶J，每天接收太陽能的時間以8h計算，熱水器能把接收到的太陽能的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能電動三輪車，車子頂部的太陽能電池板將光能轉(zhuǎn)化為電能儲存在太陽能電池中，電池再給三輪車的電動機供電．
①小明同學(xué)設(shè)計的調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速的簡化電路圖如圖乙所示，若太陽能電池的電壓保持不變，調(diào)速電阻的最大阻值為50Ω．閉合開關(guān)S，當(dāng)調(diào)速電阻的滑片滑到最左端時車速最大，此時電流表示數(shù)為5A，電動機電功率最大為1kW；當(dāng)調(diào)速電阻的滑片滑到最右端時車速最小，此時電流表示數(shù)為1A，求這時電動機的電功率是多少？
②制造太陽能電動三輪車車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（強度）	強	較弱	較強	強
密度（kg•m-3）	7.9×103	3.0×103	4.5×103	1.6×103

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

Answer 1

分析 （1）由題知，每平方米的面積在1h內(nèi)得到的太陽輻射能為3×10⁶J，又知道太陽能熱水器的采光面積，可求太陽能熱水器每天（8h）吸收的太陽能，又知道有50%的太陽能轉(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，電路為電動機的簡單電路，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，電動機與滑動變阻器的最大阻值串聯(lián)，根據(jù)歐姆定律求出滑動變阻器兩端的電壓，根據(jù)串聯(lián)電路的電壓特點求出電動機兩端的電壓，根據(jù)P=UI求出此時電功率的電功率；
②根據(jù)設(shè)計制造強度高并且輕便的三輪車，三輪車的強度高并且密度小的材料，由表格數(shù)據(jù)可知選擇的材料，又知道車架的體積，根據(jù)密度公式求出車架的質(zhì)量；
（3）太陽能是一種新型的能源，取之不盡用之不竭，且無污染等．

解答 解：（1）已知太陽能1h1m²吸收的熱量，一天太陽能水吸收的熱量：
Q_吸=3×10⁶J/（m²•h）×8h×2.1m²×50%=2.52×10⁷J，
因為Q_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滑到最左端是電動機兩端的電壓等于太陽能電池的電壓，即：
U_總=$\frac{P}{I}$=$\frac{1000w}{5A}$=200V；
當(dāng)滑片P滑到最右端時，滑動變阻器兩端的電壓：
U₁=IR=1A×50Ω=50V，
此時，電動機兩端的電壓為：
U=U_總-U₁=200V-50V=150V，
電動機的功率：
P_電機=IU=1A×150V=150W；
②因為車架設(shè)計要求強度高并且輕便的電動三輪車，
所以要求三輪車的強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，車架的質(zhì)量：
m=ρ_碳纖維V=1.6×10³kg/m³×5×10^-3m³=8kg；
（3）太陽能是一種新型的能源，越來越被廣泛利用，它的優(yōu)點很多，比如：安全、清潔、無污染；太陽能分布廣闊，獲取方便；能量大、供應(yīng)時間久等；
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這時電動機的電功率是150w；
②選擇表中的碳纖維材料；車架的質(zhì)量是8kg；
（3）太陽能優(yōu)點很多，比如：安全、清潔、無污染；太陽能分布廣闊，獲取方便；能量大、供應(yīng)時間久等．

點評 本題考查了質(zhì)量的計算、熱量的計算，串聯(lián)電路的特點和歐姆定律、電功率公式的靈活應(yīng)用，要注意電動機為非純電阻用電器，還涉及到了太陽能的優(yōu)點、材料的分類和環(huán)境保護等，知識點較多，綜合性強，難度較大．