中考物理二轮复习经典培优模型练专题09内能与光能的转化模型（教师版）

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  专题09 内能与光能的转化模型 1．经验表明，自制家用太阳能热水器的效率在夏天可达50%；从太阳能手册中查到，在地球表面，晴天时垂直于阳光的表面接收到的热辐射为 1.26×103J/(m2•s)。如果晒水箱内的水大约有40kg，晒水箱接收阳光垂直照射的面积始终是1.5m2，请计算，(1）要使水温上升30℃需要多少热量？(2）至少得吸收太阳辐射多长时间？【答案】(1）5.04×106J；(2）5333s【详解】解：(1）晒水箱内的水大约有40千克，要使水温上升30℃水吸收的热量Q吸=cm∆t=4.2×103J/(kg•℃)×40kg×30℃=5.04×106J(2）设需要的时间为t，由题知，Q吸=1.26×103J/(m2•s)×1.5m2×t×50%则所需的时间答：(1）要使水温上升30℃需要5.04×106J；(2）至少得吸收太阳辐射5333s。2．2021年北京世园会园区主要场馆之一的“中国馆”房顶采用了非晶硅薄膜发电技术，屋顶安装了1056块光伏玻璃，将园区打造为绿色新理念的典范。太阳能发电已成为实现节能减排、可持续发展的重要举措。如图所示的太阳能热水器，它的水箱容积为120L。热水器上的集热器对太阳能的利用效率为40%，在与阳光垂直的地球表面上，每平方米得到的太阳辐射功率约为P0=1400W，如果将整箱水的温度从20℃加热到70℃，需要阳光照射5h，求：(1）一整箱水的质量是多少千克？(2）一整箱水温度从20℃加热到70℃需要吸收的热量是多少？(3）热水器上集热器的面积至少要多大？[水的比热容是：]【答案】(1）120kg；(2）；(3）2.5m2【详解】解：(1）整箱水的体积120L=120dm3=0.12m3由可得，一整箱水的质量为(2）由可得，一整箱水温度从20℃加热到70℃需要吸收的热量为(3）这台太阳能热水器获得的辐射功率为P=P0S=1400W/m2×S 太阳照射5h所得到的太阳能为由，可得解得：S=2.5m2，即热水器上集热器的面积至少要2.5m2。答：(1）一整箱水的质量是120kg；(2）一整箱水温度从20℃加热到70℃需要吸收的热量是；(3）热水器上集热器的面积至少要2.5m2。3．太阳能属于清洁且可再生能源，人们可以利用太阳能发电、加热。如图所示，小丽家利用太阳能电池板将太阳能转化为电能，给家庭供电。已知垂直于太阳光1m2的面积上每秒接收的太阳能为500J，小丽家太阳能电池板面积为10.5m2，太阳能电池板将太阳能转化为电能的效率为20%，当太阳光垂直射向的太阳能电池板时，【水的比热容c＝4.2×103J/(kg•℃）】(1）求1分钟内小丽家太阳能电池板转化的电能；(2）1分钟内该太阳能电池板转化的电能用热水壶烧水，热水壶的效率为80%，则可将25℃的1kg的水升高到几摄氏度？【答案】(1）6.3×104J；(2）37【详解】解：(1）已知垂直于太阳光的1m2面积上每1秒接收的太阳能为500J，面积为10.5m2的太阳能电池板在1分钟内接收到的太阳能太阳能电池板将太阳能转化为电能的效率为20%，则通过该太阳能电池板转化的电能(2）依题意得，水吸收的热量由得答：(1）1分钟内小丽家太阳能电池板转化的电能为6.3×104J；(2）1分钟内该太阳能电池板转化的电能用热水壶烧水，热水壶的效率为80%，则可将25℃的1kg的水升高到37摄氏度。4．太阳能热水器是把太阳能转化为内能的设备,某热水器每小时平均接收4.2×106J的太阳能，在5小时的有效照射时间内,将热水器中质量为100kg､初温为20℃的水温度升高到40℃。求：(1）热水器中的水吸收的热量Q；[水的比热容c=4.2×103J/(kg•℃）](2）热水器5小时内接收到的太阳能E；(3）热水器的效率η；(4）若改用煤来加热这些水，需要完全燃烧多少千克煤?(煤的热值q=2.9×107J/kg，假设煤燃烧放出的热量全部被水吸收）【答案】(1）8.4×106J；(2）2.1×107J；(3）40%； (4）0.29kg【详解】解：(1）热水器中的水吸收的热量(2）热水器5小时内接收到的太阳能(3）热水器的效率(4）煤气燃烧放出的热量全部被水吸收，即由可得，完全燃烧煤气的质量答：(1）热水器中的水吸收的热量为8.4×106J；(2）热水器5小时内接收到的太阳能为2.1×107J；(3）热水器的效率为40%；(4）完全燃烧煤气的质量为0.29kg｡5．太阳能热水器是直接利用太阳能给水加热的装置，下表是小明家的太阳能热水器某天在阳光照射下的相关信息，其中太阳辐射功率是指1h内投射到1m2面积上的太阳能。太阳照射时间/h装水量/kg吸热板面积/m2水升高的温度/℃太阳辐射功率J/(m2•h）5502.5501.68×106 求：(1）水在5h内吸收的热量；(2）如果水吸收的热量用天然气来提供，需要完全燃烧多少m3的天然气；(天然气的热值为8.4×107J/m3，天然气完全燃烧放出的热量50%被水吸收）(3）该太阳能热水器的能量转化效率。【答案】(1）1.05×107J；(2）0.25m3；(3）50%【详解】解：(1）由表中数据可知，水在5h内升高的温度为50℃，则水吸收的热量为(2）由题意可知，天然气完全燃烧放出的热量50%被水吸收，则天然气放出的热量为由Q=qV可得，需要燃烧的天然气的体积为(3）由题意可知，5h太阳能热水器吸收的太阳能为则该太阳能热水器的能量转化效率为答：(1）水在5h内吸收的热量为1.05×107J；(2）如果水吸收的热量用天然气来提供，需要完全燃烧0.25m3的天然气；(3）该太阳能热水器的能量转化效率为50%。6．如图所示是某太阳能热水器，向其中注入0.05m3的水，阳光照射一段时间后，温度从10 ℃升高到50℃。水的比热容是4.2×103J/(kg·℃），水的密度为1×103kg/m3。试求：(1）这段时间该热水器中的水吸收的热量是多少？(2）如果这段时间该太阳能热水器接收到太阳辐射的热量是E＝2.8×107J，则这段时间该热水器的效率是多少？(3）若用煤燃烧来提供2.8×107J的热量，需完全燃烧多少千克煤？(煤的热值为3.5×107J/kg）【答案】(1）8.4×106J；(2）30%；(3）0.8kg【详解】(1）由知道，热水器中水的质量m水＝ρV＝1×103kg/m3×0.05m3＝50kg这段时间该热水器中的水吸收的热量Q吸＝cm水(t﹣t0）＝4.2×103J/(kg•℃）×50kg×(50℃﹣10℃）＝8.4×106J(2）热水器的效率(3）由Q放＝mq知道，若用煤燃烧来提供2.8×107J的热量，需完全燃烧煤的质量答：(1）这段时间该热水器中的水吸收的热量是8.4×106J；(2）这段时间该热水器的效率是30%；(3）若用煤燃烧来提供2.8×107J的热量，需完全燃烧0.8kg的煤。7．太阳能热水器是把太阳能转化为内能的设备之一、今年春节，小明家购买了一台太阳能热水器，小明用该太阳能热水器给质量为120kg的水加热，在6小时的有效太阳光照射时间内，他绘制了如图所示的水温随光照时间变化的图线。已知该品牌太阳能热水器每小时平均接收4.2×106J的太阳能。(1）热水器中的水在6小时内吸收的热量是多少？如果水吸收的热量全部用煤气来提供，假设煤气燃烧放出的热量全部被水吸收，则需要完全燃烧多少千克煤气？[水的比热容c=4.2×103J/(kg·℃），煤气的热值q=4.2×107J/kg](2）求该太阳能热水器的能量转化效率η。【答案】(1）1.008×107J；0.24kg；(2）40%。【详解】解：(1）由图可知，在6小时的有效太阳光照射时间内，热水器中的水温度从20℃上升到了40℃，即温度升高Δt=t﹣t0=40℃﹣20℃=20℃热水器中的水吸收的热量Q吸=cm水Δt=4.2×103J/(kg·℃)×120kg×20℃=1.008×107J假设煤气燃烧放出的热量全部被水吸收，则Q放=Q吸=1.008×107J需要完全燃烧煤气的质量(2）6小时太阳能热水器接收的太阳能E=4.2×106J/h×6h=2.52×107J太阳能热水器的能量转化效率答：(1）热水器中的水在6小时内吸收的热量是1.008×107J；需要完全燃烧0.24千克煤气；(2）该太阳能热水器的能量转化效率为40%。8．太阳能是21世纪重点开发利用的能源之一，如今太阳能热水器已走进了千家万户。如图，某家庭太阳能热水器接收太阳能总有效面积为2m2，1m2面积上1h接收到的太阳能平均为2.4×106J，若阳光照射该热水器5h，可以使热水器内80L的水温度升高30℃。[，q干木柴=1.2×107J/kg]求：(1）水吸收的热量；(2）若这些水吸收的热量全部由燃烧干木柴来提供，需要完全燃烧多少千克干木柴？(假设干木柴完全燃烧放出的热量全部被水吸收）(3）该太阳能热水器的效率。【答案】(1）1.008×107J；(2）0.84kg；(3）42%【详解】解：(1）由题意知，根据可得水的质量为则水吸收的热量为(2）由题意知，水吸收的热量全部由燃烧干木柴来提供，则有由可得燃烧干木柴的质量为(3）由题意知，每天获得的太阳能为太阳能热水器的效率为答：(1）水吸收的热量为1.008×107J；(2）需要完全燃烧0.84kg干木柴；(3）该太阳能热水器的效率为42%9．一个能装水100L的太阳能晒水箱，其接收太阳能的面积为2m2，该晒水箱接受的太阳辐射能为E=3.2×106J/(h•m2）。求：(1）如果每天接收太阳能的时间为8h，则该晒水箱每天可以接收多少焦的太阳能？(2）由于热量的散失等原因，水的吸热效率只有60%。那么，该晒水箱一天吸收的太阳能可使这50L的水从20℃升高到多少℃(3）请说出利用太阳能热水器的优点。【答案】(1）5.12×107J；(2）100℃；(3）节约能源，无污染【详解】解：(1）由题意可知，晒水箱每天可以接收的太阳能为Q总=ESt=3.2×106J/(h•m2)×2m2×8h=5.12×107J(2）由题意可知，水的体积为V=50L=50dm3=0.05m3由可得，水的质量为m=ρV=1.0×103kg/m3×0.05m3=50kg由题意可知，水的吸热效率为60%，故水吸收的热量为Q吸=ηQ总=60%×5.12×107J=3.072×107J由Q=cmΔt可得，水的温度变化量为因为在1标准大气压下，水的沸点为100℃，且沸腾时吸收热量，温度保持不变，故可知水的温度升高到100℃。(3）利用太阳能热水器可以节约能源，且无污染、环保。答：(1）该晒水箱每天可以接收5.12×107J的太阳能；(2）该晒水箱一天吸收的太阳能可使这50L的水从20℃升高到100℃；(3）可以节约能源、无污染。10．太阳能具有环保、可再生等优点；太阳能热水器深受广大用户的青睐，某品牌太阳能热水器，水容量为100L，该热水器在冬季有效日照时段里，平均每平方米的面积上每小时接收的太阳能约为2.8×106J。若该热水器接收太阳能的有效面积为2m2，每天日照时间6h，这些太阳能使水温随日照时间变化的图像如图所示。【ρ水=1.0×103kg/m3；c水=4.2×103J/(kg∙℃)】求：(1）装满水时，热水器中水的质量；(2）一天内热水器中的水能吸收的热量；(3）热水器的效率约为多少。【答案】(1）100kg；(2）1.68×107J；(3）50%【详解】解：(1）热水器中水的质量(2）一天内热水器中的水吸收热量，温度从20℃上升到60℃，则水吸收的热量(3）根据平均每平方米的面积上每小时接收的太阳能约为2.8×106J可知，热水器接收的太阳能则热水器的效率答：(1）装满水时，热水器中水的质量为100kg；(2）一天内热水器中的水能吸收的热量为1.68×107J；(3）热水器的效率约为50%。