Question

19．為了響應“節能減排”的號召，小周家買了一臺容積為100L的太陽能熱水器．請你與小周一起，對太陽能熱水器進行研究與計算．
（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部的聚變（熱核）反應．
（2）小周早晨把熱水器加滿水，溫度傳感器顯示水溫為18℃，下午放學時看到顯示的水溫為78℃，則熱水器中的水吸收了多少熱量？與使用電熱水器相比，相當于節約了多少度電？【不計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量為20Kg，裝滿水后其重心與吸熱板和屋頂地面的接觸點水平距離為1m，右側支架與吸熱板和屋頂地面的接觸點相距1.2m，則支架對屋頂地面的壓力為多大？
（4）該熱水器的說明書中介紹，真空管熱水器可以把90%的太陽能轉化為水的內能，真有這么高的效率嗎？小周查閱資料知道，他們所在地區單位受光面積上接收太陽能的功率為P，小周還需要測量哪些物理量，并運用本題計算出的熱量Q，就可估測出這臺熱水器的光熱轉化效率？寫出效率η的表達式．（用代表物理量的字母表示，不需要計算具體數據）

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部的核聚變反應，聚變又叫熱核反應；
（2）根據Q=c_水m（t₂-t₁）求出水吸收的熱量，這些熱量若有電熱器來加熱，需要消耗同樣多的電能，將單位換算為kw•h；
（3）根據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=$\frac{{F}_{2}{l}_{2}}{{l}_{1}}$求出屋頂地面對支架的支持力，再根據作用力與反作用力大小相等求出支架對屋頂地面的壓力；
（4）單位受光面積上接收太陽能的功率乘以光照時間和受光面積就是吸收的太陽能；光熱轉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部的核聚變（熱核反應）．
（2）水的總質量：m=ρV=1×10³kg/m³×100×10^-3m³=100kg
水吸收的熱量：
Q=c_水m（t₂一t₁）=4.2×10³J/（kg•℃）×100kg×（78-18）℃=2.52×10⁷J；
相當于節約電能：W=2.52×10⁷J×$\frac{1}{3.6×1{0}^{6}}kW•h$=7kW•h=7度
（3）太陽能熱水器裝滿水后的總質量：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，動力臂l₁=1.2m，
由F₁l₁=F₂l₂得，屋頂地面對支架的支持力（即動力）：
F₁=$\frac{{F}_{2}{l}_{2}}{{l}_{1}}$=$\frac{1200N×1m}{1.2m}$=1000N，
因為支架對屋頂地面的壓力和屋頂地面對支架的支持力是一對相互作用力，大小相等，
所以支架對屋頂地面的壓力：F=F₁=1000N．
（4）測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間t．
光熱轉化效率：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；與使用電熱水器相比，相當于節約了7度電；
（3）支架對屋頂地面的壓力為1000N；
（4）太陽能熱水器的有效受光面積S和光照時間t；光熱轉化效率：η=$\frac{Q}{PtS}$×100%．

點評 此題考查的是可再生能源的特點、吸收熱量以及轉化效率的計算等．是一道比較難的綜合題，需要同學們認真分析，尤其是光熱的轉化效率．