Question

13．为了响应“节能减排”的号召，小周家买了一台容积为100L的太阳能热水器．请你与小周一起，对太阳能热水器进行研究与计算．
（1）太阳能是可再生能源（填“可再生”或“不可再生”）．太阳的巨大能量来自于太阳内部的聚变（热核）反应．
（2）小周早晨把热水器加满水，温度传感器显示水温为18℃，下午放学时看到显示的水温为78℃，则热水器中的水吸收了多少热量？与使用电热水器相比，相当于节约了多少度电？[不计电热水器的热量损失，c_水=4.2×10³J/（kg•℃）]
（3）如果水箱及吸热板的总质量为20kg，装满水后其重心与吸热板和屋顶地面的接触点水平距离为1m，右支架与吸热板和屋顶地面的接触点相距1.2m，则支架对屋顶地面的压力为多大？g=10N/kg
（4）该热水器的说明书中介绍，真空管热水器可以把90%的太阳能转化为水的内能，真有这么高的效率吗？小周查阅资料知道，他们所在地区单位受光面积上接收太阳能的功率为P，小周还需要测量哪些物理量，并运用本题计算出的热量Q，就可估测出这台热水器的光热转化效率？写出效率η的表达式．（用代表物理量的字母表示，不需要计算具体数据）

Answer 1

分析 （1）太阳能是可以源源不断的从自然界得到的能源，是可再生能源；
太阳能来自于太阳内部的核聚变反应，聚变又叫热核反应；
（2）知道水的体积和密度，根据m=ρV求出水的质量，然后根据Q=c_水m（t₂-t₁）求出水吸收的热量；
由题意知W=Q，并结合1度=1kW•h=3.6×10⁶J求出节约的电能；
（3）根据G=mg求出热水器的总重力即阻力，然后利用F₁l₁=F₂l₂的变形公式F₁=$\frac{{F}_{2}{l}_{2}}{{l}_{1}}$求出屋顶地面对支架的支持力，再根据作用力与反作用力大小相等求出支架对屋顶地面的压力；
（4）单位受光面积上接收太阳能的功率乘以光照时间和受光面积就是吸收的太阳能，光热转化效率等于水吸收的热量和太阳能热水器吸收太阳能的比值．

解答 解：（1）太阳光可以源源不断的从自然界得到，是可再生能源．
太阳能来自于太阳内部的核聚变（热核反应）．
（2）水的体积V_水=100L=100dm³=0.1m³，
由ρ=$\frac{m}{V}$得，水的总质量：
m_水=ρ_水V_水=1×10³kg/m³×0.1m³=100kg，
水吸收的热量：
Q=c_水m_水（t₂-t₁）
=4.2×10³J/（kg•℃）×100kg×（78℃-18℃）
=2.52×10⁷J．
因为不计电热水器的热量损失，所以相当于节约的电能：
W=Q=2.52×10⁷J=7kW•h=7度．
（3）太阳能热水器装满水后的总质量：
m_总=m+m_水=20kg+100kg=120kg，
太阳能热水器装满水后的总重力：
G_总=m_总g=120kg×10N/kg=1200N，
则阻力F₂=G_总=1200N，
阻力臂l₂=1m，动力臂l₁=1.2m，
由F₁l₁=F₂l₂得，屋顶地面对支架的支持力（即动力）：
F₁=$\frac{{F}_{2}{l}_{2}}{{l}_{1}}$=$\frac{1200N×1m}{1.2m}$=1000N，
因为支架对屋顶地面的压力和屋顶地面对支架的支持力是一对相互作用力，大小相等，
所以支架对屋顶地面的压力：F=F₁=1000N．
（4）测出太阳能热水器的有效受光面积S和两次水温记录之间的光照时间t，
光热转化效率：η=$\frac{Q}{PtS}$×100%．
故答案为：（1）可再生；聚变（热核）；
（2）热水器中的水吸收了2.52×10⁷J的热量；相当于节约了7度电；
（3）支架对屋顶地面的压力为1000N；
（4）测出太阳能热水器的有效受光面积S和两次水温记录之间的光照时间t，
光热转化效率：η=$\frac{Q}{PtS}$×100%．

点评 此题主要考查可再生能源的特点、吸收热量、杠杆的平衡条件以及转化效率的计算等知识，涉及到的知识点多，综合性强，尤其是第（4）问中的光热转化效率，需要同学们认真分析；
另外，本题重点还考查了学生的综合应用能力及应用物理知识解决实际问题的能力，体现了物理与生活相联系的思想．