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13.宜昌市大部分地区日照充足,结合宜昌市的这个气候特点,某学习小组开展了“设计隔热节能房屋”跨学科实践活动。
【活动目的】
从能量转化的角度出发,探讨利用可再生能源的途径和方法,完成隔热节能房屋的设计。
【活动方案】
(一)结合材料学等学科知识,为房屋选择合适的隔热材料。
(二)结合地理学等学科知识,测算太阳能电池板的面积。
(三)结合工程和技术操作,研究节能热水器。
【实施方案】
(一)选取“房屋”的隔热材料。
(1)学习小组为了比较材料的隔热性能,找到厚度相同的三种材料,制成大小、形状和结构均相同的房屋模型。用白炽灯光模拟太阳光,房屋位置如图22.2-6甲所示,将温度传感器分别放在房屋模型
(2)图22.2-6甲中三个房屋模型的摆放位置不合理,原因是
(3)优化实验方案后进行实验,温度传感器的示数变化情况如图22.2-6乙所示。根据图像分析,学习小组应选择
(二)测算太阳能电池板的面积。
(4)学习小组计划在房屋屋顶安装太阳能电池板给房屋供电。安装在屋顶的太阳能电池板朝南放置,这样有利于获取
(5)设某天$1\ \mathrm{m}^2$的太阳能电池板发电量为$0.8\ \mathrm{kW·h}$,若当天家庭用电量为$16\ \mathrm{kW·h}$,为了满足用电需求,太阳能电池板的面积至少为
(三)研究节能热水器。
学习小组了解到有一款空气能热水器,其工作原理如图22.2-6丙所示。液态工作介质经过蒸发器,吸收室外热空气中的热量后,变成气态,进入压缩机,经压缩机压缩后,形成高温、高压的气体,进入水箱中的冷凝管,释放热量后,变成液态,经过储液罐、过滤器、膨胀阀,再次回到蒸发器,开始下一个循环。
当室外温度低或需要快速制热时,热水器还需要用水箱中辅热器的电阻丝加热,从而缩短加热时间。学习小组把水从冷凝管吸收的热量与工作介质循环所消耗电能(不含辅热器消耗电能)的比值记为$D$。
(6)压缩机通过
(7)在某一环境温度下,空气能热水器水箱中装有$200\ \mathrm{kg}$初温为$20\ °\mathrm{C}$的水,关闭其他用电器,记录电能表的示数为$932.2\ \mathrm{kW·h}$,启动空气能热水器(辅热器不工作),2 h后,水温达到$50\ °\mathrm{C}$,电能表的示数如图22.2-6丁所示。此过程中,水吸收的热量为
(8)学习小组为了将题(7)中的加热时间缩短至80 min,需要启动水箱中的辅热器加热。若$D$和电功率$P$(不含辅热器的电功率)均不变,辅热器两端的电压是220 V,加热效率是87.5%,则该辅热器中电阻丝的电阻为
【交流与评价】
(9)学习小组根据上述活动方案完成了“隔热节能房屋”的设计,请根据评价量表选择一个维度对该设计进行评价(需说明理由)。
【活动目的】
从能量转化的角度出发,探讨利用可再生能源的途径和方法,完成隔热节能房屋的设计。
【活动方案】
(一)结合材料学等学科知识,为房屋选择合适的隔热材料。
(二)结合地理学等学科知识,测算太阳能电池板的面积。
(三)结合工程和技术操作,研究节能热水器。
【实施方案】
(一)选取“房屋”的隔热材料。
(1)学习小组为了比较材料的隔热性能,找到厚度相同的三种材料,制成大小、形状和结构均相同的房屋模型。用白炽灯光模拟太阳光,房屋位置如图22.2-6甲所示,将温度传感器分别放在房屋模型
内
(选填“内”或“外”)部的相同位置。打开白炽灯,每隔1分钟,同时测量三个房屋模型的温度。(2)图22.2-6甲中三个房屋模型的摆放位置不合理,原因是
三个“房屋”与白炽灯的距离不同,光照强度不同
。(3)优化实验方案后进行实验,温度传感器的示数变化情况如图22.2-6乙所示。根据图像分析,学习小组应选择
泡沫板
作为房屋的隔热材料。(二)测算太阳能电池板的面积。
(4)学习小组计划在房屋屋顶安装太阳能电池板给房屋供电。安装在屋顶的太阳能电池板朝南放置,这样有利于获取
太阳能
。(5)设某天$1\ \mathrm{m}^2$的太阳能电池板发电量为$0.8\ \mathrm{kW·h}$,若当天家庭用电量为$16\ \mathrm{kW·h}$,为了满足用电需求,太阳能电池板的面积至少为
20
$\mathrm{m}^2$。(三)研究节能热水器。
学习小组了解到有一款空气能热水器,其工作原理如图22.2-6丙所示。液态工作介质经过蒸发器,吸收室外热空气中的热量后,变成气态,进入压缩机,经压缩机压缩后,形成高温、高压的气体,进入水箱中的冷凝管,释放热量后,变成液态,经过储液罐、过滤器、膨胀阀,再次回到蒸发器,开始下一个循环。
当室外温度低或需要快速制热时,热水器还需要用水箱中辅热器的电阻丝加热,从而缩短加热时间。学习小组把水从冷凝管吸收的热量与工作介质循环所消耗电能(不含辅热器消耗电能)的比值记为$D$。
(6)压缩机通过
做功
(选填“做功”或“热传递”)方式改变工作介质的内能;高温、高压的气体通过冷凝管后内能变小
。(7)在某一环境温度下,空气能热水器水箱中装有$200\ \mathrm{kg}$初温为$20\ °\mathrm{C}$的水,关闭其他用电器,记录电能表的示数为$932.2\ \mathrm{kW·h}$,启动空气能热水器(辅热器不工作),2 h后,水温达到$50\ °\mathrm{C}$,电能表的示数如图22.2-6丁所示。此过程中,水吸收的热量为
$2.52×10^7$
$\mathrm{J}$,空气能热水器的电功率$P$为700
$\mathrm{W}$,则该空气能热水器的$D$为5
。[水的比热容取$4.2×10^3\ \mathrm{J/(kg·}°\mathrm{C)}$](8)学习小组为了将题(7)中的加热时间缩短至80 min,需要启动水箱中的辅热器加热。若$D$和电功率$P$(不含辅热器的电功率)均不变,辅热器两端的电压是220 V,加热效率是87.5%,则该辅热器中电阻丝的电阻为
24.2
$\Omega$。【交流与评价】
(9)学习小组根据上述活动方案完成了“隔热节能房屋”的设计,请根据评价量表选择一个维度对该设计进行评价(需说明理由)。
答案
13.(1)内
(2)三个“房屋”与白炽灯的距离不同,光照强度不同
(3)泡沫板 (4)太阳能 (5)20 (6)做功 小
(7)$2.52×10^7$ 700 5 (8)24.2
(9)节能情况:节省电能,在屋顶安装太阳能电池板,电池板的面积设计合理可以满足家庭用电的需要,按照空气能热水器,也能大大降低电能的消耗。
(2)三个“房屋”与白炽灯的距离不同,光照强度不同
(3)泡沫板 (4)太阳能 (5)20 (6)做功 小
(7)$2.52×10^7$ 700 5 (8)24.2
(9)节能情况:节省电能,在屋顶安装太阳能电池板,电池板的面积设计合理可以满足家庭用电的需要,按照空气能热水器,也能大大降低电能的消耗。
解析
【分析】
本题为跨学科实践题，围绕隔热节能房屋设计展开，需结合物理、地理等知识分析各问题：
1. 比较材料隔热性能时，需测量房屋内部温度变化（隔热材料作用是阻挡热量进入内部），故温度传感器放内部；实验需控制变量，三个房屋与光源距离不同会导致光照强度不同，无法准确比较；隔热性能好的材料，内部温度升得慢，对应温度最低的材料。
2. 太阳能电池板朝南放置，是为了更充分接收太阳光，获取更多太阳能；面积计算用总用电量除以每平方米发电量。
3. 压缩机压缩工作介质，通过做功改变内能；气体放热后内能减小。
4. 水吸收热量用Q=cmΔt计算，电能为电能表读数差，D是水吸收热量与消耗电能的比值。
5. 辅热器电阻计算需结合能量守恒与加热效率，注意单位换算。
6. 评价维度选节能情况，从太阳能利用、空气能热水器的节能效果说明。
【解析】
(1) 比较材料隔热性能，需测量房屋内部温度变化，判断热量进入内部的多少，因此温度传感器放在内部；
(2) 实验需控制变量，三个房屋模型与白炽灯的距离不同，导致光照强度不同，无法准确比较材料的隔热性能，故摆放位置不合理；
(3) 由图乙可知，使用泡沫板的房屋模型温度最低，说明其隔热性能最好，故选泡沫板；
(4) 太阳能电池板朝南放置，能更充分接收太阳光，有利于获取更多太阳能；
(5) 太阳能电池板面积=总用电量÷每平方米发电量=16kW·h ÷0.8kW·h/m²=20m²；
(6) 压缩机压缩工作介质，对介质做功，通过做功方式改变内能；高温高压气体在冷凝管释放热量，内能变小；
(7) 水吸收的热量$Q=cmΔt=4.2×10³J/(kg·℃)×200kg×(50℃-20℃)=2.52×10^7J$；电能表初始示数932.2kW·h，2h后示数为933.6kW·h，消耗电能W=933.6kW·h-932.2kW·h=1.4kW·h，电功率P=W/t=1.4kW·h÷2h=0.7kW=700W；$D=Q/W=2.52×10^7J÷(1.4×3.6×10^6J)=5$；
(8) 加热时间缩短至80min，空气能热水器消耗电能$W1=Pt1=700W×80×60s=3.36×10^6J$，空气能提供热量$Q1=W1×D=3.36×10^6J×5=1.68×10^7J$；辅热器需提供热量$Q2=Q-Q1=2.52×10^7J-1.68×10^7J=8.4×10^6J$；辅热器消耗电能$W2=Q2÷η=8.4×10^6J÷87.5%=9.6×10^6J$；辅热器功率P辅$=W2/t1=9.6×10^6J÷(80×60s)=2000W$；由P=U²/R得R=U²/P辅=(220V)²÷2000W=24.2Ω；
(9) 评价维度选节能情况：设计中利用太阳能电池板供电，合理的面积满足家庭用电需求，同时采用空气能热水器，减少电能消耗，符合节能理念。
【答案】
(1)内；(2)三个“房屋”与白炽灯的距离不同，光照强度不同；(3)泡沫板；(4)太阳能；(5)20；(6)做功、小；$(7)2.52×10^7$、700、5；(8)24.2；(9)节能情况：节省电能，在屋顶安装太阳能电池板，电池板的面积设计合理可以满足家庭用电的需要，按照空气能热水器，也能大大降低电能的消耗。
【知识点】
控制变量法、内能的改变、热量与电能计算
【点评】
本题为跨学科实践题，融合物理、地理等学科知识，考查实验探究、综合计算及知识应用能力，体现物理与生活的联系，培养学生科学探究与创新意识。
【难度系数】
0.4
本题为跨学科实践题，围绕隔热节能房屋设计展开，需结合物理、地理等知识分析各问题：
1. 比较材料隔热性能时，需测量房屋内部温度变化（隔热材料作用是阻挡热量进入内部），故温度传感器放内部；实验需控制变量，三个房屋与光源距离不同会导致光照强度不同，无法准确比较；隔热性能好的材料，内部温度升得慢，对应温度最低的材料。
2. 太阳能电池板朝南放置，是为了更充分接收太阳光，获取更多太阳能；面积计算用总用电量除以每平方米发电量。
3. 压缩机压缩工作介质，通过做功改变内能；气体放热后内能减小。
4. 水吸收热量用Q=cmΔt计算，电能为电能表读数差，D是水吸收热量与消耗电能的比值。
5. 辅热器电阻计算需结合能量守恒与加热效率，注意单位换算。
6. 评价维度选节能情况，从太阳能利用、空气能热水器的节能效果说明。
【解析】
(1) 比较材料隔热性能，需测量房屋内部温度变化，判断热量进入内部的多少，因此温度传感器放在内部；
(2) 实验需控制变量，三个房屋模型与白炽灯的距离不同，导致光照强度不同，无法准确比较材料的隔热性能，故摆放位置不合理；
(3) 由图乙可知，使用泡沫板的房屋模型温度最低，说明其隔热性能最好，故选泡沫板；
(4) 太阳能电池板朝南放置，能更充分接收太阳光，有利于获取更多太阳能；
(5) 太阳能电池板面积=总用电量÷每平方米发电量=16kW·h ÷0.8kW·h/m²=20m²；
(6) 压缩机压缩工作介质，对介质做功，通过做功方式改变内能；高温高压气体在冷凝管释放热量，内能变小；
(7) 水吸收的热量$Q=cmΔt=4.2×10³J/(kg·℃)×200kg×(50℃-20℃)=2.52×10^7J$；电能表初始示数932.2kW·h，2h后示数为933.6kW·h，消耗电能W=933.6kW·h-932.2kW·h=1.4kW·h，电功率P=W/t=1.4kW·h÷2h=0.7kW=700W；$D=Q/W=2.52×10^7J÷(1.4×3.6×10^6J)=5$；
(8) 加热时间缩短至80min，空气能热水器消耗电能$W1=Pt1=700W×80×60s=3.36×10^6J$，空气能提供热量$Q1=W1×D=3.36×10^6J×5=1.68×10^7J$；辅热器需提供热量$Q2=Q-Q1=2.52×10^7J-1.68×10^7J=8.4×10^6J$；辅热器消耗电能$W2=Q2÷η=8.4×10^6J÷87.5%=9.6×10^6J$；辅热器功率P辅$=W2/t1=9.6×10^6J÷(80×60s)=2000W$；由P=U²/R得R=U²/P辅=(220V)²÷2000W=24.2Ω；
(9) 评价维度选节能情况：设计中利用太阳能电池板供电，合理的面积满足家庭用电需求，同时采用空气能热水器，减少电能消耗，符合节能理念。
【答案】
(1)内；(2)三个“房屋”与白炽灯的距离不同，光照强度不同；(3)泡沫板；(4)太阳能；(5)20；(6)做功、小；$(7)2.52×10^7$、700、5；(8)24.2；(9)节能情况：节省电能，在屋顶安装太阳能电池板，电池板的面积设计合理可以满足家庭用电的需要，按照空气能热水器，也能大大降低电能的消耗。
【知识点】
控制变量法、内能的改变、热量与电能计算
【点评】
本题为跨学科实践题，融合物理、地理等学科知识，考查实验探究、综合计算及知识应用能力，体现物理与生活的联系，培养学生科学探究与创新意识。
【难度系数】
0.4
