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4. 太阳能热水器可直接利用太阳光辐射的热量，它具有环保、节能的优点。
对市场进行调查后不难发现，各种品牌的太阳能热水器的集热管表面都是黑色的，难道物体吸热的本领与颜色有关？对此，我们可以猜想：颜色不同，物体吸热的本领就不同。
(1)为了验证此猜想，现设计了如下实验步骤，请补充完整。
① 选用四个
② 在容器中加入温度和体积均相同的水，并同时放到太阳光下照射，每隔 15 min 测量一次各容器中水的温度。
③ 将测量的结果记录在事先准备好的表格中，进行分析论证。
(2)若上述猜想得到了证实，请分析企鹅背部的黑色羽毛对它生存有利的一面。
(3)安装太阳能热水器时，要考虑光能接收面的角度与使用地区纬度的关系。你能利用上述器材，探究单位时间内物体吸收的太阳能与太阳光照射角度是否有关吗？请写出实验步骤。
对市场进行调查后不难发现，各种品牌的太阳能热水器的集热管表面都是黑色的，难道物体吸热的本领与颜色有关？对此，我们可以猜想：颜色不同，物体吸热的本领就不同。
(1)为了验证此猜想，现设计了如下实验步骤，请补充完整。
① 选用四个
形状、大小、材料均相同
的容器，分别涂上黑、红、黄、白不同颜色。② 在容器中加入温度和体积均相同的水，并同时放到太阳光下照射，每隔 15 min 测量一次各容器中水的温度。
③ 将测量的结果记录在事先准备好的表格中，进行分析论证。
(2)若上述猜想得到了证实，请分析企鹅背部的黑色羽毛对它生存有利的一面。
(3)安装太阳能热水器时，要考虑光能接收面的角度与使用地区纬度的关系。你能利用上述器材，探究单位时间内物体吸收的太阳能与太阳光照射角度是否有关吗？请写出实验步骤。
答案
形状、大小、材料均相同
(2)黑色羽毛吸热本领较强，利于取暖
(3)①取两个相同的带橡皮塞的玻璃容器，将表面涂黑后，分别注入相同质量的水，塞上橡皮塞，并插入温度计；②将两个玻璃容器同时放在阳光下，使阳光垂直照射到其中一个玻璃容器上，斜射到另一个玻璃容器上：③每隔15 min记录一次两个容器中水的温度；④分析数据，得出结论
(2)黑色羽毛吸热本领较强，利于取暖
(3)①取两个相同的带橡皮塞的玻璃容器，将表面涂黑后，分别注入相同质量的水，塞上橡皮塞，并插入温度计；②将两个玻璃容器同时放在阳光下，使阳光垂直照射到其中一个玻璃容器上，斜射到另一个玻璃容器上：③每隔15 min记录一次两个容器中水的温度；④分析数据，得出结论
解析
【分析】
(1) 要验证物体吸热本领与颜色的关系，需采用控制变量法，除颜色外，其他可能影响实验结果的因素都要保持一致，因此容器的形状、大小、材料需相同，确保实验结果由颜色差异导致。
(2) 已知黑色物体吸热本领强，企鹅生活在寒冷的南极环境中，背部黑色羽毛可吸收更多太阳光热量，帮助维持体温，利于在低温环境生存。
(3) 探究单位时间内物体吸收的太阳能与太阳光照射角度的关系，同样用控制变量法，需保证除照射角度外，容器、水的质量和初始温度、容器颜色、光照环境等条件相同，通过测量水的温度变化分析结论。
【解析】
(1) ① 根据控制变量法的要求，为保证只有颜色这一个变量不同，需选用形状、大小、材料均相同的容器，分别涂上黑、红、黄、白不同颜色。
(2) 黑色物体吸热本领较强，企鹅背部的黑色羽毛在寒冷的南极环境中，能吸收更多太阳光的热量，帮助企鹅维持身体所需温度，对其在低温环境下生存有利。
(3) 实验步骤：
① 取两个相同的带橡皮塞的玻璃容器，将表面涂黑后，分别注入相同质量的水，塞上橡皮塞，并插入温度计；
② 将两个玻璃容器同时放在阳光下，使阳光垂直照射到其中一个玻璃容器上，斜射到另一个玻璃容器上；
③ 每隔15 min记录一次两个容器中水的温度；
④ 分析记录的数据，得出单位时间内物体吸收的太阳能与太阳光照射角度是否有关的结论。
【答案】
(1) ① 形状、大小、材料均相同
(2) 黑色羽毛吸热本领较强，利于取暖
(3) ①取两个相同的带橡皮塞的玻璃容器，将表面涂黑后，分别注入相同质量的水，塞上橡皮塞，并插入温度计；②将两个玻璃容器同时放在阳光下，使阳光垂直照射到其中一个玻璃容器上，斜射到另一个玻璃容器上：③每隔15 min记录一次两个容器中水的温度；④分析数据，得出结论
【知识点】
控制变量法、物体吸热本领与颜色的关系、实验探究设计
【点评】
本题结合生活中的太阳能热水器和生物生存现象，考查控制变量法在实验探究中的应用，既注重物理实验方法的落实，又引导学生将物理知识与生活实际、生物知识结合，培养科学探究能力与知识迁移能力。
【难度系数】
0.7
(1) 要验证物体吸热本领与颜色的关系，需采用控制变量法，除颜色外，其他可能影响实验结果的因素都要保持一致，因此容器的形状、大小、材料需相同，确保实验结果由颜色差异导致。
(2) 已知黑色物体吸热本领强，企鹅生活在寒冷的南极环境中，背部黑色羽毛可吸收更多太阳光热量，帮助维持体温，利于在低温环境生存。
(3) 探究单位时间内物体吸收的太阳能与太阳光照射角度的关系，同样用控制变量法，需保证除照射角度外，容器、水的质量和初始温度、容器颜色、光照环境等条件相同，通过测量水的温度变化分析结论。
【解析】
(1) ① 根据控制变量法的要求，为保证只有颜色这一个变量不同，需选用形状、大小、材料均相同的容器，分别涂上黑、红、黄、白不同颜色。
(2) 黑色物体吸热本领较强，企鹅背部的黑色羽毛在寒冷的南极环境中，能吸收更多太阳光的热量，帮助企鹅维持身体所需温度，对其在低温环境下生存有利。
(3) 实验步骤：
① 取两个相同的带橡皮塞的玻璃容器，将表面涂黑后，分别注入相同质量的水，塞上橡皮塞，并插入温度计；
② 将两个玻璃容器同时放在阳光下，使阳光垂直照射到其中一个玻璃容器上，斜射到另一个玻璃容器上；
③ 每隔15 min记录一次两个容器中水的温度；
④ 分析记录的数据，得出单位时间内物体吸收的太阳能与太阳光照射角度是否有关的结论。
【答案】
(1) ① 形状、大小、材料均相同
(2) 黑色羽毛吸热本领较强，利于取暖
(3) ①取两个相同的带橡皮塞的玻璃容器，将表面涂黑后，分别注入相同质量的水，塞上橡皮塞，并插入温度计；②将两个玻璃容器同时放在阳光下，使阳光垂直照射到其中一个玻璃容器上，斜射到另一个玻璃容器上：③每隔15 min记录一次两个容器中水的温度；④分析数据，得出结论
【知识点】
控制变量法、物体吸热本领与颜色的关系、实验探究设计
【点评】
本题结合生活中的太阳能热水器和生物生存现象，考查控制变量法在实验探究中的应用，既注重物理实验方法的落实，又引导学生将物理知识与生活实际、生物知识结合，培养科学探究能力与知识迁移能力。
【难度系数】
0.7
5. 安全、清洁、方便的太阳能越来越受到人们的重视，并被广泛利用。如图所示，某太阳能热水器内装有质量为 250 kg、温度为 20℃的水，在太阳光照射一段时间后，水温升高到 80℃。$[c_{水}=4.2×10^{3} J/(kg·℃)]$
（1）此过程中水吸收了多少太阳能？
（2）这些能量相当于完全燃烧多少千克干木柴放出的热量$？（q_{干木柴}=1.2×10^{7} J/kg）$
（1）此过程中水吸收了多少太阳能？
（2）这些能量相当于完全燃烧多少千克干木柴放出的热量$？（q_{干木柴}=1.2×10^{7} J/kg）$
答案
(1) 解：$Q_{吸}=c_{水}m\Delta t=4.2×10^{3}\ \mathrm{J/(kg·℃)}×250\ \mathrm{kg}×(80℃-20℃)=6.3×10^{7}\ \mathrm{J}$
(2) 解：由$Q_{放}=mq$可得，
$ m_{干木柴}=\frac{Q_{放}}{q_{干木柴}}=\frac{6.3×10^{7}\ \mathrm{J}}{1.2×10^{7}\ \mathrm{J/kg}}=5.25\ \mathrm{kg}$
(2) 解：由$Q_{放}=mq$可得，
$ m_{干木柴}=\frac{Q_{放}}{q_{干木柴}}=\frac{6.3×10^{7}\ \mathrm{J}}{1.2×10^{7}\ \mathrm{J/kg}}=5.25\ \mathrm{kg}$
解析
【分析】
（1）要计算水吸收的太阳能，实质是计算水吸收的热量，根据吸热公式$Q_{吸}=c_{水}m\Delta t$，已知水的质量、比热容、初温和末温，先求出温度变化量，再代入公式计算即可。
（2）题目中说明干木柴完全燃烧放出的热量等于水吸收的热量，即$Q_{放}=Q_{吸}$，根据燃料燃烧放热公式$Q_{放}=mq$，变形可得$m=\frac{Q_{放}}{q}$，代入已知的热值和热量值，即可求出干木柴的质量。
【解析】
（1）水的温度变化量：
$\Delta t = t - t_0 = 80℃ - 20℃ = 60℃$
水吸收的太阳能（即水吸收的热量）：
$Q_{吸}=c_{水}m\Delta t=4.2×10^{3}\ \mathrm{J/(kg·℃)}×250\ \mathrm{kg}×60℃=6.3×10^{7}\ \mathrm{J}$
（2）由题意可知，干木柴完全燃烧放出的热量$Q_{放}=Q_{吸}=6.3×10^{7}\ \mathrm{J}$
根据$Q_{放}=mq$可得，完全燃烧干木柴的质量：
$m_{干木柴}=\frac{Q_{放}}{q_{干木柴}}=\frac{6.3×10^{7}\ \mathrm{J}}{1.2×10^{7}\ \mathrm{J/kg}}=5.25\ \mathrm{kg}$
【答案】
（1）$6.3×10^{7}\ \mathrm{J}$
（2）$5.25\ \mathrm{kg}$
【知识点】
吸热公式应用、热值公式应用
【点评】
本题结合太阳能热水器的实际场景，考查了吸热公式与燃料放热公式的基础应用，注重物理知识与生活实际的结合，帮助学生理解能量的转化与转移，属于基础应用型题目。
【难度系数】
0.8
（1）要计算水吸收的太阳能，实质是计算水吸收的热量，根据吸热公式$Q_{吸}=c_{水}m\Delta t$，已知水的质量、比热容、初温和末温，先求出温度变化量，再代入公式计算即可。
（2）题目中说明干木柴完全燃烧放出的热量等于水吸收的热量，即$Q_{放}=Q_{吸}$，根据燃料燃烧放热公式$Q_{放}=mq$，变形可得$m=\frac{Q_{放}}{q}$，代入已知的热值和热量值，即可求出干木柴的质量。
【解析】
（1）水的温度变化量：
$\Delta t = t - t_0 = 80℃ - 20℃ = 60℃$
水吸收的太阳能（即水吸收的热量）：
$Q_{吸}=c_{水}m\Delta t=4.2×10^{3}\ \mathrm{J/(kg·℃)}×250\ \mathrm{kg}×60℃=6.3×10^{7}\ \mathrm{J}$
（2）由题意可知，干木柴完全燃烧放出的热量$Q_{放}=Q_{吸}=6.3×10^{7}\ \mathrm{J}$
根据$Q_{放}=mq$可得，完全燃烧干木柴的质量：
$m_{干木柴}=\frac{Q_{放}}{q_{干木柴}}=\frac{6.3×10^{7}\ \mathrm{J}}{1.2×10^{7}\ \mathrm{J/kg}}=5.25\ \mathrm{kg}$
【答案】
（1）$6.3×10^{7}\ \mathrm{J}$
（2）$5.25\ \mathrm{kg}$
【知识点】
吸热公式应用、热值公式应用
【点评】
本题结合太阳能热水器的实际场景，考查了吸热公式与燃料放热公式的基础应用，注重物理知识与生活实际的结合，帮助学生理解能量的转化与转移，属于基础应用型题目。
【难度系数】
0.8
