- 能源与可持续发展
- 共285题
一水电站，水流的落差为20m，水流冲击水轮发电机后，水流能有20%转化为电能，若发电机的功率为200kw，则每分钟的水流量是多少？（g取10m/s2）
正确答案
解：根据题意得：
20%P水=P电
解得：P水=
根据机械能守恒定律得：
mgh=P水t
解得：m=
所以V=
答：每分钟的水流量是300m3．
解析
解：根据题意得：
20%P水=P电
解得：P水=
根据机械能守恒定律得：
mgh=P水t
解得：m=
所以V=
答：每分钟的水流量是300m3．
小兰家刚刚安装了一台太阳能、电能两用热水器，求：
（1）要使热水器中120kg的20℃的水升高到40℃，需吸收多少热量？
（2）小兰从产品使用说明书中了解到，该电加热器的额定电压为220V，额定功率为2kW．若水箱中的水用电加热器来加热，仍使120kg水的温度从20℃升高到40℃，需要电加热器正常工作多长时间？（假定所消耗的电能全部转化为水的内能）
（3）若在上述情况下，电加热器正常工作，实际用了2h，则此电加热器的效率是多少？
正确答案
解：（1）由题知，水的体积：
v=120L=120×10-3m3=0.12m3
水吸收的热量：
Q吸=cm△t=4.2×103J/（kg•℃）×120kg×（40℃-20℃）
=1.008×107J；
（2）由题知，W电=Q吸=1.008×107J，
P=
加热时间：
t=
（3）因W总=Pt′=2000W×2×3600s=1.44×107J，
所以电加热器的效率：
η=
答：（1）水吸收热量为1.008×107J；
（2）电加热器正常工作1.4h；
（3）电加热器的效率是70%．
解析
解：（1）由题知，水的体积：
v=120L=120×10-3m3=0.12m3
水吸收的热量：
Q吸=cm△t=4.2×103J/（kg•℃）×120kg×（40℃-20℃）
=1.008×107J；
（2）由题知，W电=Q吸=1.008×107J，
P=
加热时间：
t=
（3）因W总=Pt′=2000W×2×3600s=1.44×107J，
所以电加热器的效率：
η=
答：（1）水吸收热量为1.008×107J；
（2）电加热器正常工作1.4h；
（3）电加热器的效率是70%．
西部大开发中的三大工程之一是“西电东送”．西部有丰富的水能，它是可再生能源，可持续利用它发电．若有一水力发电站水库的平均流量为1×103 m3/s，落差为100m，发电效率为60%，则该发电站的发电功率为多少：（取g=10m/s2）
正确答案
解：每秒钟落下的水的质量：
m=ρV=ρQ=1×103 kg/m3×1×103 m3/s×1s=1×106kg，
每秒钟落下的水做功：
W水=GH=mgH=1×106kg×10N/kg×100m=1×109J，
每秒钟流水发电的电能：
W电=W水η=1×109J×60%=6×108J，
故发电功率为：
答：该发电站的发电功率为6×108W．
解析
解：每秒钟落下的水的质量：
m=ρV=ρQ=1×103 kg/m3×1×103 m3/s×1s=1×106kg，
每秒钟落下的水做功：
W水=GH=mgH=1×106kg×10N/kg×100m=1×109J，
每秒钟流水发电的电能：
W电=W水η=1×109J×60%=6×108J，
故发电功率为：
答：该发电站的发电功率为6×108W．
（1）该车的最大载重量是多大？
（2）该车每次充电能储存电能3×106J，电能转化为机械能的效率为80%．若车以最高时速匀速行驶时，受到的阻力为40N，求该车充一次电，最多可连续行驶多长时间？
正确答案
解：（1）与地面的接触面：S面=2×100cm2=0.02m2
据平衡承受的最大力：G总=F=PS面=2×105×0.02=4000（N）
该车的最大承载量：G=G总-G车=4000-600=3400（N）
（2）转化为机械能的能量：W机=ηW=80%×3×106=2.4×106（J）
F=f=40N
行驶的路程：S=
所以时间：t=
答：（1）该车的最大载重量是多大3400N．
（2）该车每次充电能储存电能3×106J，电能转化为机械能的效率为80%．若车以最高时速匀速行驶时，受到的阻力为40N，求该车充一次电，最多可连续行驶2h．
解析
解：（1）与地面的接触面：S面=2×100cm2=0.02m2
据平衡承受的最大力：G总=F=PS面=2×105×0.02=4000（N）
该车的最大承载量：G=G总-G车=4000-600=3400（N）
（2）转化为机械能的能量：W机=ηW=80%×3×106=2.4×106（J）
F=f=40N
行驶的路程：S=
所以时间：t=
答：（1）该车的最大载重量是多大3400N．
（2）该车每次充电能储存电能3×106J，电能转化为机械能的效率为80%．若车以最高时速匀速行驶时，受到的阻力为40N，求该车充一次电，最多可连续行驶2h．
（1）求这个喷灌系统所能喷灌的最大面积S；
（2）假设系统总是以最大喷水速度工作，求水泵的抽水效率η；
（3）假设系统总是以最大喷水速度工作，在某地区将太阳能电池产生的电能直接供该系统使用，根据以下数据求所需太阳能电池板的最小面积Smin．
（已知：太阳光传播到达地面的过程中大约有30%的能量损耗，太阳辐射的总功率P0=4×1026W，太阳到地球的距离R=1.5×1011m，太阳能电池的能量转化效率约为15%．）
正确答案
解：（1）水从喷口喷出后做平抛运动，下落高度
解得t=
最大喷灌圆面半径x=a+v0t=1+10×0.6=7m
喷灌最大面积S=πx2-πa2=3×（72-12）=144m2
（2）电动机的输入功率P电=UI=220×4.0W=880W
电动机的热功率
水泵的输入功率等于电动机的输出功率P入=P电-P热=800W
水泵的输出功率
其中m=m0t
求得P出=700W
水泵效率
（3）电池板最小面积Smin接收太阳能的功率：
电池板接收太阳能转化为电能的功率：P电=UI=P×15%
联立以上二式得：
答：（1）这个喷灌系统所能喷灌的最大面积s是144m2；
（2）假设系统总是以最大喷水速度工作，水泵的抽水效率η是87.5%；
（3）所需太阳能电池板的最小面积smin为5.7m2．
解析
解：（1）水从喷口喷出后做平抛运动，下落高度
解得t=
最大喷灌圆面半径x=a+v0t=1+10×0.6=7m
喷灌最大面积S=πx2-πa2=3×（72-12）=144m2
（2）电动机的输入功率P电=UI=220×4.0W=880W
电动机的热功率
水泵的输入功率等于电动机的输出功率P入=P电-P热=800W
水泵的输出功率
其中m=m0t
求得P出=700W
水泵效率
（3）电池板最小面积Smin接收太阳能的功率：
电池板接收太阳能转化为电能的功率：P电=UI=P×15%
联立以上二式得：
答：（1）这个喷灌系统所能喷灌的最大面积s是144m2；
（2）假设系统总是以最大喷水速度工作，水泵的抽水效率η是87.5%；
（3）所需太阳能电池板的最小面积smin为5.7m2．
某太阳能热水器，集光板面积为1.5m2，贮水容量为0.2m3．冬天时，太阳照射到集光板上，与太阳光垂直的每平方米面积上接受的太阳能为600J/（s•m2），设太阳光连续照射10h，试估算水温最多升高多少？（水的比热容c=4.2×103（Kg•℃））．
正确答案
解：（1）热水器10时能接受的太阳能：Q=600J/（m2•s）×1.5m2×10×3600s=3.24×107J；
根据题意可知，水吸收的热量为：
Q吸=cm△t，
解得，水升高的温度△t=
因此贮水箱中的水的温度可升高到20℃+55℃=75℃．
答：（1）该热水器1小时能接受7.2×106J的太阳能；
（2）贮水箱中的水的温度可升高到75℃
解析
解：（1）热水器10时能接受的太阳能：Q=600J/（m2•s）×1.5m2×10×3600s=3.24×107J；
根据题意可知，水吸收的热量为：
Q吸=cm△t，
解得，水升高的温度△t=
因此贮水箱中的水的温度可升高到20℃+55℃=75℃．
答：（1）该热水器1小时能接受7.2×106J的太阳能；
（2）贮水箱中的水的温度可升高到75℃
据《中国环境报》报道：从一份科技攻关课题研究结果显示，我国酸雨区已占国土面积的40%以上，研究结果还表明，我国农业每年因遭受酸雨而造成的经济损失高达15亿元．为了有效控制酸雨，目前国务院已批准《酸雨控制区和二氧化硫污染控制区划分方案》等法规．
（1）在英国进行的一项研究结果表明：高烟囱可有效地降低地面SO2浓度．在20世纪60～70年代的10年间，由发电厂排放的SO2增加了35%，但由于建造高烟囱，地面浓度降低了30%，请你从全球环境保护的角度，分析这种做法是否可取？说明理由．
（2）用传统的煤、石油作燃料，其主要缺点是什么？与传统的煤、石油作燃料相比，哪种物质可以作为新能源？主要优点是什么，缺点又是什么？
正确答案
解：（1）这种方法不可取，增加烟筒的高度虽然可以使周围地表面SO2的含量减少，但是二氧化硫的排放总量不变，且污染范围扩大了．
（2）用传统的煤、石油作燃料，其主要缺点是燃烧过程中产生大量的二氧化碳和含硫化合物，会造成温室效应和酸雨；
氢气可以作为新能源，因为氢的燃烧值大，燃烧后只产生水，无污染物形成；缺点是氢的熔点低，不易液化，给运输带来不安全因数；
故答案为：
（1）这种方法不可取，二氧化硫的排放总量不变，且污染范围扩大了；
（2）用传统的煤、石油作燃料，其主要缺点是燃烧过程中产生大量的二氧化碳和含硫化合物，会造成温室效应和酸雨；氢气可以作为新能源，因为氢的燃烧值大，燃烧后值产生水，无污染物形成；缺点是氢的熔点低，不易液化，给运输带来不安全因数．
解析
解：（1）这种方法不可取，增加烟筒的高度虽然可以使周围地表面SO2的含量减少，但是二氧化硫的排放总量不变，且污染范围扩大了．
（2）用传统的煤、石油作燃料，其主要缺点是燃烧过程中产生大量的二氧化碳和含硫化合物，会造成温室效应和酸雨；
氢气可以作为新能源，因为氢的燃烧值大，燃烧后只产生水，无污染物形成；缺点是氢的熔点低，不易液化，给运输带来不安全因数；
故答案为：
（1）这种方法不可取，二氧化硫的排放总量不变，且污染范围扩大了；
（2）用传统的煤、石油作燃料，其主要缺点是燃烧过程中产生大量的二氧化碳和含硫化合物，会造成温室效应和酸雨；氢气可以作为新能源，因为氢的燃烧值大，燃烧后值产生水，无污染物形成；缺点是氢的熔点低，不易液化，给运输带来不安全因数．
（1）请你根据实验设计要求、利用上述实验器材在图（b）中画出实验设计装配图．
（2）如果已知水的比热容为c，被水吸收的热量为Q与水的质量m、水温上升量△t间的关系是Q=cm△t，则为了测定中午单位面积上、单位时间内获得的太阳能，除了需要测量m、算出△t外，还应测量的物理量是______．
（3）本实验会有一定误差，试写出一条产生误差的主要原因____________．
正确答案
解：（1）让太阳光照射容器中水，根据Q=cm△t得出水所吸收的热量，求出单位面积上、单位时间内获得的太阳能．设计装配图如图所示．
（2）需要测量单位面积上、单位时间内获得的太阳能，除了测量水的质量、温度的升高值，还需测量太阳照射的时间．
（3）实验误差来自太阳能没有全部被水吸收．
（2）时间（T）或t．
（3）太阳能没有全部被水吸收，或水吸收的太阳能还有一部分损失等．
解析
解：（1）让太阳光照射容器中水，根据Q=cm△t得出水所吸收的热量，求出单位面积上、单位时间内获得的太阳能．设计装配图如图所示．
（2）需要测量单位面积上、单位时间内获得的太阳能，除了测量水的质量、温度的升高值，还需测量太阳照射的时间．
（3）实验误差来自太阳能没有全部被水吸收．
（2）时间（T）或t．
（3）太阳能没有全部被水吸收，或水吸收的太阳能还有一部分损失等．
风沿水平方向以速度v垂直吹向一直径为d的风车叶轮上，设空气密度为ρ，假设风的动能有50%转化为风车的动能，风车带动水车将水提高h的高度，效率为80%，求单位时间内最多可提升的水的质量．
正确答案
解：单位时间内转化为风车的动能为：
由能量守恒定律可知：
解得：m=
答：单位时间内最多可提升的水的质量为
解析
解：单位时间内转化为风车的动能为：
由能量守恒定律可知：
解得：m=
答：单位时间内最多可提升的水的质量为
风力发电机是将风能（气流的动能）转化为电能的装置．其主要部件包括风轮机、齿轮机、发电机等．如图所示，异步发电机将风轮吸收的机械能转化成电能，发电机转速随发电量的变化而在一定范围内变化．
（1）风轮机叶片旋转所扫过的面积为风力发电机可接受的风能的面积．设空气密度为ρ，气流速度为v，风轮机叶片长度为r，求单位时间内流向风轮机的最大风能Pm．
（2）已知风力发电机的输出功率P与Pm成正比．某风力发电机在风速v1=9m/s时能够输出电功率P1=540kw．我国某地区风速不低于v2=6m/s的时间每年约为5000小时．试估算这台风力发电机在该地区的最小年发电量是多少千瓦时？
正确答案
解：（1）单位时间内流向风轮机的最大风能功率为：Pm=
（2）设风能功率和输出功率之间的转化常数为k，则：
风力发电机在风速v1时能够输出电功率为：
P1=kPm=
风力发电机在风速v2时能够输出电功率为：
P2=
所以，
即P2=
这台风力发电机在该地区的最小年发电量：
W=P2t=
答：（1）单位时间内流向风轮机的最大风能的功率为
（2）这台风力发电机在该地区的最小年发电量是8×105KWh．
解析
解：（1）单位时间内流向风轮机的最大风能功率为：Pm=
（2）设风能功率和输出功率之间的转化常数为k，则：
风力发电机在风速v1时能够输出电功率为：
P1=kPm=
风力发电机在风速v2时能够输出电功率为：
P2=
所以，
即P2=
这台风力发电机在该地区的最小年发电量：
W=P2t=
答：（1）单位时间内流向风轮机的最大风能的功率为
（2）这台风力发电机在该地区的最小年发电量是8×105KWh．
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