能量轉(zhuǎn)換中的效率問題

1、能量轉(zhuǎn)化中的效率計(jì)算能量可以從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，要實(shí)現(xiàn)這種能量的轉(zhuǎn)化需要一定的設(shè)備，由于設(shè)備本身的限制，不可能將一種能量全部轉(zhuǎn)化為另一種能量，這就出現(xiàn)了設(shè)備的效率問題。圍繞有用的能量和總能量涉及的相關(guān)知識(shí)設(shè)置考點(diǎn)，試題的綜合性較強(qiáng)，覆蓋初中物理的力、熱、電、能量等知識(shí)。  1鍋爐的效率 例1某中學(xué)為學(xué)生供應(yīng)開水，用鍋爐將200kg的水從25加熱到100，燃燒了6kg的無煙煤。水的比熱容是4.2×103J（kg·），無煙煤的熱值是3.4×l07Jkg。求： （1）鍋爐內(nèi)的水吸收的熱量是多少? （2）無煙煤完全燃燒放出的

2、熱量是多少? （3）此鍋爐的效率是多少? 解析：試題以鍋爐為載體，考查了吸熱升溫公式和燃料燃燒放熱公式。要求鍋爐的效率，需要清楚鍋爐將燃料燃燒放出的熱量轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能，因此水溫度升高吸收的熱量是有用的能量，無煙煤完全燃燒放出的熱量是總能量。 答案：（1） （2） （3）鍋爐的效率  2柴油抽水機(jī)的效率 例2今年我省出現(xiàn)大面積干旱，造成農(nóng)田缺水，嚴(yán)重影響農(nóng)作物生長，為緩解旱情，很多地方采用柴油抽水機(jī)從江湖中引水灌溉。某柴油抽水機(jī)把湖水抬升4.5m流入溝渠，再去灌溉農(nóng)田。已知在2h內(nèi)抬升了1600m3的水，此柴油抽水機(jī)的效率為4

3、0%，柴油的熱值為4.5×107J/kg，g取10N/kg，求： （1）此柴油抽水機(jī)2h做了多少有用功？ （2）此柴油抽水機(jī)工作2h消耗了多少柴油？ （3）此柴油抽水機(jī)的總功率為多少千瓦？ 解析：柴油抽水機(jī)將柴油完全燃燒產(chǎn)生的能量通過克服重力做功轉(zhuǎn)化為水的重力勢(shì)能。試題以此為載體，考查了質(zhì)量、密度、重力、熱值、功和功率等知識(shí)。 （1）雖然抽水機(jī)是將水連續(xù)地分批抽上去，我們可以想象成抽水機(jī)將全部1600m3的水一次性地在2h內(nèi)緩慢抬升4.5m，這就是等效法的應(yīng)用。這樣利用計(jì)算出水的質(zhì)量，再用計(jì)算重力，然后用就可以計(jì)算出有用功。 

4、; （2）要計(jì)算柴油的質(zhì)量，需要先計(jì)算柴油燃燒放出的熱量。這就要利用柴油抽水機(jī)的效率為40%這個(gè)數(shù)據(jù)。教學(xué)中發(fā)現(xiàn)很多同學(xué)常犯一個(gè)錯(cuò)誤，就是利用柴油抽水機(jī)做的有用功去乘以效率。避免錯(cuò)誤的方法是想清楚柴油燃燒放出的熱量是總的能量，總的能量要比有用的能量數(shù)值大。應(yīng)該根據(jù)，得到。  （3）柴油抽水機(jī)的總功率應(yīng)該用總能量除以時(shí)間計(jì)算，總能量就是柴油燃燒放出的熱量，時(shí)間是2h，要注意把單位化成秒。 答案：（1）（2）根據(jù)，得 （3）  3太陽能的效率 例3閱讀下面的短文，回答問題。 太陽能熱水器 太陽能熱水器能利用太陽能把水從低溫加熱到

5、高溫，以滿足人們?nèi)粘Ｉ畹男枰?。它具有安全、?jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。 如圖1所示，太陽能熱水器主要由兩部分構(gòu)成：一部分是由許多根玻璃吸熱管組成的集熱器，每根玻璃吸熱管由雙層玻璃管組成，雙層玻璃管之間是真空。如圖2所示是玻璃吸熱管的工作原理圖，它的結(jié)構(gòu)與保溫瓶的玻璃內(nèi)膽相似，只是在玻璃吸熱管的內(nèi)表面涂了一層黑色的吸熱材料；另一部分是保溫儲(chǔ)水箱，保溫儲(chǔ)水箱下部與玻璃吸熱管相通。 玻璃吸熱管工作原理如圖所示：當(dāng)太陽光入射到黑色的吸熱層上時(shí)，黑色吸熱層能把太陽能更有效地轉(zhuǎn)化為熱能，將管內(nèi)的水加熱。向光一側(cè)的水被加熱后體積增大、密度變小而向上運(yùn)動(dòng)；背光一側(cè)的水由于溫度較低、密度較大而向下運(yùn)

6、動(dòng)，形成冷熱水循環(huán)，最終整箱水都升高至一定的溫度。玻璃吸熱管具有吸熱保溫作用。請(qǐng)回答以下問題： （1）玻璃吸熱管內(nèi)向光一側(cè)的水吸熱后體積增大、密度變小，所受到的浮力_重力。  （2）能否將黑色的吸熱材料涂在玻璃吸熱管的外表面上?簡(jiǎn)單說明理由。             。  （3）將質(zhì)量為100kg的初溫為20的水加熱到60，求這些水需要吸收多少熱量?水的比熱容是4.2×103J/（kg?） （4）某品牌太陽能熱水器集

7、熱器面積為S=2m2，熱效率為=40%（即熱水器能將照射到玻璃吸熱管上的太陽能的40%轉(zhuǎn)化為水的熱能），該地點(diǎn)太陽能輻射到地面的平均功率為P=1.4×103W/m2（即平均每平方米每秒鐘太陽輻射能為1.4×103J）。在第（3）小題中水吸收的熱量由該熱水器提供，求需要加熱多少小時(shí)? 解析：太陽能熱水器把太陽能轉(zhuǎn)化成熱能，把水從低溫加熱到高溫。以此為背景，試題考查了浮力、熱傳遞、熱量、效率等知識(shí)。 （1）通過閱讀材料可知，玻璃吸熱管內(nèi)向光一側(cè)的水吸熱后體積增大、密度變小而向上運(yùn)動(dòng)，這就是上浮，所以水受到的浮力大于重力。 （2）黑色的吸熱材料能把太

8、陽能更有效地轉(zhuǎn)化為熱能，若涂在玻璃吸熱管的外表面，只能使吸熱管的外表面溫度更高，中間的真空層不利于將熱量傳遞給內(nèi)層管內(nèi)的水。（3）利用吸熱升溫公式，就可以計(jì)算水吸收的熱量。 （4）這一問考查學(xué)生收集信息、處理信息的能力。通過閱讀要理解好熱效率、太陽能輻射到地面的平均功率這兩個(gè)概念。設(shè)需要加熱的時(shí)間為t，則該太陽能熱水器接收到的太陽能為PS t，轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能為PS t，這個(gè)內(nèi)能等于第（3）小題中水吸收的熱量，這樣利用方程就可以求出t。 答案：（1）大于 （2）不能；因?yàn)檫@樣只能使吸熱管的外表面溫度更高，中間的真空層不利于將熱量傳遞給管內(nèi)的水。 （3）&#

9、160;（4）設(shè)需要加熱的時(shí)間為t，則熱水器接收到的太陽能為PS t，轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能為PS t，根據(jù)，得  4鉆木取火中的效率 例4人類的祖先鉆木取火，為人類文明揭開了新的一頁。鉆木取火的一種方法如圖3所示，將削尖的木棒伸到木板的洞里，用力壓住木棒來回拉動(dòng)鉆弓。木棒在木板的洞里轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，板與棒互相摩擦，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而熱集中在洞內(nèi)，不易散發(fā)，提高了木棒尖端的溫度，當(dāng)達(dá)到約260時(shí)木棒便開始燃燒。因木頭是熱的不良導(dǎo)體，故受熱厚度很薄，木棒受熱部分的質(zhì)量只有0.25g。已知：來回拉一次鉆弓需1.0s，弓長為s=0.25m，人拉弓的力為16N，木頭比熱容C=2

10、5;103J（kg·），室溫為20。問：  （1）人來回拉一次鉆弓克服摩擦力所做的功為多少？ （2）人克服摩擦力做功使機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，若其中有25被木棒尖端吸收，則1s內(nèi)可使木棒尖端溫度提高多少？ （3）請(qǐng)你估算用多長時(shí)間才能使木棒燃燒起來？ 解析：（1）利用就可以求人所做的功，但要注意因?yàn)槭侨藖砘乩淮毋@弓，所以距離要乘以2。 （2）鉆木取火時(shí)將人做的功轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。所以人做的功對(duì)應(yīng)的是總能量，轉(zhuǎn)化的內(nèi)能是有用的能量。這樣利用，可以求出升高的溫度。 （3）由第二問中人1s內(nèi)做功可使木棒尖端提高的溫度，根據(jù)比例關(guān)系

11、就可求要讓木棒尖端溫度升高（26020）需要的時(shí)間。 答案：（1） （2）根據(jù)，得： （3） 5汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的效率 例52010年12月30日通車的湛徐高速，使得從湛江市區(qū)到徐聞縣海安港口全程只需約1個(gè)小時(shí)，從而使雷州半島的居民從此真正進(jìn)入湛江市“一小時(shí)生活圈”。今年“五·一”期間，爸爸開車帶著李兵從湛江市區(qū)出發(fā)沿湛徐高速到徐聞參觀“大漢三墩”景點(diǎn)，汽車（包括車上的人和物品）質(zhì)量為1.8×103kg，車輪與地面的總接觸面積為0.09m2，當(dāng)汽車以90km/h的速度在平直路面上勻速行駛時(shí)，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)牽引力為1000N，效率為30

12、，汽油的熱值為4.6×107Jkg（假設(shè)汽油完全燃燒，g取10Nkg）。求： （1）汽車靜止時(shí)對(duì)路面的壓強(qiáng)； （2）汽車以90km/h的速度勻速行駛時(shí)，牽引力的功率； （3）若汽車按照這種方式行駛，這次旅行全程往返250km，牽引力做的功是多少？李兵應(yīng)該提醒爸爸至少要加汽油多少kg？ 解析：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)將汽油燃燒放出的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。以此為載體，試題考查了壓強(qiáng)、功、功率、熱量等知識(shí)。 （1）利用，可以求壓強(qiáng)。其中壓力F=G=mg （2）計(jì)算功率，可利用P= Fv，不過要注意將速度單位化為國際單位，90km/h

13、=25m/s （3）計(jì)算功，直接利用W=Fs即可。要計(jì)算汽油的質(zhì)量可根據(jù)。 答案：（1）汽車靜止時(shí)對(duì)地面的壓力   F=G=mg=1.8×103kg×10Nkg=1.8×104N 。汽車靜止時(shí)對(duì)地面的壓強(qiáng)：2×105Pa。 （2）汽車以90km/h的速度勻速行駛時(shí)，牽引力的功率：P = Fv =1000N×25m/s=2.5×104W （3）全程往返約250km牽引力所做的：W=Fs =1000N×2.5&

14、#215;105m=2.5×108J，由得全程往返約250km需要汽油的質(zhì)量為：  6電熱飲水機(jī)的效率 例6下表是一臺(tái)常用的電熱飲水機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)，圖4是它的電路原理圖，其中S是溫控開關(guān)，R1是定值電阻，R2是加熱電阻。當(dāng)S閉合時(shí)，飲水機(jī)處于加熱狀態(tài)；當(dāng)S斷開時(shí)，飲水機(jī)處于保溫狀態(tài) 水桶容量20L熱水箱容量1L額定電壓220V加熱功率440W保溫功率40W  （1）在加熱狀態(tài)下，飲水機(jī)正常工作時(shí)電路中的電流是多大? （2）飲水機(jī)正常工作時(shí)，將熱水箱中的水從20加熱到90需用時(shí)14min水的比熱容為4.2×1

15、03J/（kg·）。求此加熱過程中：水吸收的熱量；飲水機(jī)的加熱效率。 （3）求電阻R1的阻值（保溫功率是指整個(gè)電路消耗的功率）。 解析：電熱飲水機(jī)能將電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，試題以此為背景考查了電路、電功率、質(zhì)量、密度及熱量、效率的有關(guān)計(jì)算，試題的綜合性較強(qiáng)。 （1）由銘牌數(shù)據(jù)提供的信息，飲水機(jī)在加熱狀態(tài)下的功率為440W，飲水機(jī)正常工作時(shí)的電壓為220V，要求電路中的電流，只要利用即可。 （2）要求水吸收的熱量，需要利用，式中m應(yīng)該是熱水箱中水的質(zhì)量，不能是水桶中的水的質(zhì)量。要求熱水箱中水的質(zhì)量，利用即可，其中V=1L=10-3m3。飲水機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，轉(zhuǎn)化的內(nèi)能是有用的能量，消耗的電能是總能量。消耗的電能可以用計(jì)算，其中P=440W，t=14min=14×60s=840s。 （3）圖4中，當(dāng)S閉合時(shí)，電阻R1被短路，只有電阻R2工作，此時(shí)飲水機(jī)處于加熱狀態(tài)，根據(jù)第一問中的電壓和電流可以求出電阻R2的阻值；當(dāng)S斷開時(shí)，電阻R1和R2串聯(lián)，飲水機(jī)處于保溫狀態(tài)，此時(shí)功率為40W，利用，可求出電流，再利用可求出總電阻，進(jìn)而求R1。當(dāng)然也可以利用計(jì)算電阻R和總電阻。 答案：（