登录
1. 如图 18-5-1 所示为小清家电饭锅的能效标识牌。通过查阅资料可知，热效率值是指将电能转化为热能的效率，保温能耗 $50 W· h$ 是指在保温挡工作 $1 h$ 消耗的电能。从节能角度分析，我们应选热效率值
高
(高/低)的电饭锅。某次小清煮好饭后保温 $10 min$，保温期间消耗电能为$3 × 10^{4}$
$ J$。内锅材料选用金属而不选非金属材料，主要是利用金属材料的导热
性。答案
高
$3×10^4$
导热
$3×10^4$
导热
解析
【分析】
首先分析第一个空：热效率是电能转化为热能的效率，热效率越高，相同电能转化的热能越多，能量利用率越高，越节能，因此应选热效率高的电饭锅。
然后分析第二个空：已知保温1h消耗电能50W·h，可先确定保温功率为50W，将保温时间10min换算为秒后，利用公式$W=Pt$计算消耗的电能。
最后分析第三个空：金属材料的导热性能优于非金属，能更高效传递热量，所以内锅选用金属是利用其导热性。
【解析】
1. 热效率表示电能转化为热能的效率，热效率值越高，相同电能转化得到的热能越多，能量的浪费越少，从节能角度，应选热效率值高的电饭锅。
2. 由题意可知，保温挡的功率$P=\frac{W_0}{t_0}=\frac{50\ \mathrm{W·h}}{1\ \mathrm{h}}=50\ \mathrm{W}$，保温时间$t=10\ \mathrm{min}=10×60\ \mathrm{s}=600\ \mathrm{s}$，根据电能计算公式$W=Pt$，可得保温期间消耗的电能：
$W=Pt=50\ \mathrm{W}×600\ \mathrm{s}=3×10^4\ \mathrm{J}$。
3. 金属材料的导热性能比非金属材料好，能更快地将热量传递给锅内食物，因此内锅材料选用金属利用了金属的导热性。
【答案】
高；$3×10^4$；导热
【知识点】
热效率应用；电能计算；导热性应用
【点评】
本题结合生活中的家电能效标识，考查了热效率的节能意义、电能的计算以及材料的物理属性，紧密联系生活实际，体现了物理知识的实用性。
【难度系数】
0.7
首先分析第一个空：热效率是电能转化为热能的效率，热效率越高，相同电能转化的热能越多，能量利用率越高，越节能，因此应选热效率高的电饭锅。
然后分析第二个空：已知保温1h消耗电能50W·h，可先确定保温功率为50W，将保温时间10min换算为秒后，利用公式$W=Pt$计算消耗的电能。
最后分析第三个空：金属材料的导热性能优于非金属，能更高效传递热量，所以内锅选用金属是利用其导热性。
【解析】
1. 热效率表示电能转化为热能的效率，热效率值越高，相同电能转化得到的热能越多，能量的浪费越少，从节能角度，应选热效率值高的电饭锅。
2. 由题意可知，保温挡的功率$P=\frac{W_0}{t_0}=\frac{50\ \mathrm{W·h}}{1\ \mathrm{h}}=50\ \mathrm{W}$，保温时间$t=10\ \mathrm{min}=10×60\ \mathrm{s}=600\ \mathrm{s}$，根据电能计算公式$W=Pt$，可得保温期间消耗的电能：
$W=Pt=50\ \mathrm{W}×600\ \mathrm{s}=3×10^4\ \mathrm{J}$。
3. 金属材料的导热性能比非金属材料好，能更快地将热量传递给锅内食物，因此内锅材料选用金属利用了金属的导热性。
【答案】
高；$3×10^4$；导热
【知识点】
热效率应用；电能计算；导热性应用
【点评】
本题结合生活中的家电能效标识，考查了热效率的节能意义、电能的计算以及材料的物理属性，紧密联系生活实际，体现了物理知识的实用性。
【难度系数】
0.7
2. 图 18-5-2 是某实践小组设计的“环保节能生态小屋”。小屋采用的风光互补能源系统是由太阳能电池板、风力发电机组、系统控制器、蓄电池组和逆变器等组成的，有风时通过风力发电机发电，有太阳光时通过太阳能电池板发电。在强风或者晴天时，两种发电装置发出的电不会立刻使用完，有一部分电能将充入蓄电池组。
已知蓄电池组的质量为 $75 kg$，电池能量密度为 $0.2 kW· h/kg$，为了增加蓄电池的使用寿命，在充电至蓄电池组容量的 $90\%$时停止充电，放电时余留 $10\%$停止放电。
(1)$0.2 kW· h/kg$ 的物理意义是。
(2) 风力发电机的参数如下表所示，按照每天平均以 $3 m/s$ 的风速发电 $4 h$ 计算，风力发电机每天可以给小屋提供多少电能?
(3) 当风速为 $0.8 m/s$ 时，晴朗的一天启动能源系统工作 $5 h$，已知该太阳能电池板的面积为 $10 m^2$，$1 m^2$面积接收到的太阳平均辐射功率为 $1 kW$，光电转化效率为 $16\%$。设系统启动前蓄电池已达到停止电能输出的电量，若小屋一天用掉的总电能为 $2 kW· h$，则这天剩余电量能否支撑蓄电池组一次完整的充电过程?
(4) 小明认为该“环保节能生态小屋”更适合建造在陕北，而小华认为更适合建造在陕南。你赞成谁的观点? 简要说明你的观点和理由。
已知蓄电池组的质量为 $75 kg$，电池能量密度为 $0.2 kW· h/kg$，为了增加蓄电池的使用寿命，在充电至蓄电池组容量的 $90\%$时停止充电，放电时余留 $10\%$停止放电。
(1)$0.2 kW· h/kg$ 的物理意义是。
(2) 风力发电机的参数如下表所示，按照每天平均以 $3 m/s$ 的风速发电 $4 h$ 计算，风力发电机每天可以给小屋提供多少电能?
(3) 当风速为 $0.8 m/s$ 时，晴朗的一天启动能源系统工作 $5 h$，已知该太阳能电池板的面积为 $10 m^2$，$1 m^2$面积接收到的太阳平均辐射功率为 $1 kW$，光电转化效率为 $16\%$。设系统启动前蓄电池已达到停止电能输出的电量，若小屋一天用掉的总电能为 $2 kW· h$，则这天剩余电量能否支撑蓄电池组一次完整的充电过程?
(4) 小明认为该“环保节能生态小屋”更适合建造在陕北，而小华认为更适合建造在陕南。你赞成谁的观点? 简要说明你的观点和理由。
答案
1kg该电池组储存的电能为0.2kW·h
2.
(2)：
解：
$ t=4×3600\ \mathrm{s}=1.44×10^4\ \mathrm{s}$
$ W_1=0.15×10^4\ \mathrm{J/s}×4×3600\ \mathrm{s}×30\%=6.48×10^6\ \mathrm{J}$
2.
(3)：
解：
由表中数据可知，当风速为$0.8\ \mathrm{m/s}$时，风力发电机无法启动，仅太阳能电池板供电，工作时间$t=5\ \mathrm{h}$。
$ W_2=1000\ \mathrm{W/m}^2×10\ \mathrm{m}^2×5×3600\ \mathrm{s}×16\%=2.88×10^7\ \mathrm{J}$
$ W_3=0.2\ \mathrm{kW·h/kg}×75\ \mathrm{kg}×(90\%-10\%)=12\ \mathrm{kW·h}=4.32×10^7\ \mathrm{J}$
$ W=12\ \mathrm{kW·h}+2\ \mathrm{kW·h}=14\ \mathrm{kW·h}=5.04×10^7\ \mathrm{J}$
因为$W_2＜W$，所以这天剩余电量不能支撑蓄电池组一次完整的充电过程
2.
(4)：
解：
赞成小明的观点，该小屋更适合建造在陕北。理由：陕北风大，太阳光照充足，可同时利用风能和太阳能两种能源。
解：$(2)\ \mathrm {t} = 4×3600\ \mathrm {s} = 1.44×10^4\ \mathrm {s} $
风力发电机每天工作$ 4\ \mathrm {h} $可以给小屋提供的电能为
$W_1 = 0.15×10^4\ \mathrm {J/s}×4×3600\ \mathrm {s}×30\% = 6.48×10^6\ \mathrm {J} $
(3) 由表中数据可知当风速为$ 0.8\ \mathrm {m/s} $时，风力发电机无法启动，只有太阳能电池板提供电能，且工作时间为$ 5\ \mathrm {h}$，太阳能电池板工作$ 5\ \mathrm {h} $产生的电能为
$W_2 = 1000\ \mathrm {W/}\mathrm {m^2}×10\ \mathrm {m^2}×5×3600\ \mathrm {s}×16\% = 2.88×10^7\ \mathrm {J}$，
蓄电池组充电到 90\%需要的电能为
$W_3 = 0.2\ \mathrm {kW}· h/\mathrm {kg}×75\ \mathrm {kg}×(90\% - 10\%) = 12\ \mathrm {kW}· h = 4.32×10^7\ \mathrm {J}$，
太阳能电池板需要转化的电能为
$W = 12\ \mathrm {kW}· h + 2\ \mathrm {kW}· h = 14\ \mathrm {kW}· h = 5.04×10^7\ \mathrm {J}$，
因为$ W_2 ＜ W_4$，所以这天不可以完成一次蓄电池组的充电工作
(4) 建造在陕北更适合，陕北风大，太阳光照充足，可同时利用两种能量
2.
(2)：
解：
$ t=4×3600\ \mathrm{s}=1.44×10^4\ \mathrm{s}$
$ W_1=0.15×10^4\ \mathrm{J/s}×4×3600\ \mathrm{s}×30\%=6.48×10^6\ \mathrm{J}$
2.
(3)：
解：
由表中数据可知，当风速为$0.8\ \mathrm{m/s}$时，风力发电机无法启动，仅太阳能电池板供电，工作时间$t=5\ \mathrm{h}$。
$ W_2=1000\ \mathrm{W/m}^2×10\ \mathrm{m}^2×5×3600\ \mathrm{s}×16\%=2.88×10^7\ \mathrm{J}$
$ W_3=0.2\ \mathrm{kW·h/kg}×75\ \mathrm{kg}×(90\%-10\%)=12\ \mathrm{kW·h}=4.32×10^7\ \mathrm{J}$
$ W=12\ \mathrm{kW·h}+2\ \mathrm{kW·h}=14\ \mathrm{kW·h}=5.04×10^7\ \mathrm{J}$
因为$W_2＜W$，所以这天剩余电量不能支撑蓄电池组一次完整的充电过程
2.
(4)：
解：
赞成小明的观点，该小屋更适合建造在陕北。理由：陕北风大，太阳光照充足，可同时利用风能和太阳能两种能源。
解：$(2)\ \mathrm {t} = 4×3600\ \mathrm {s} = 1.44×10^4\ \mathrm {s} $
风力发电机每天工作$ 4\ \mathrm {h} $可以给小屋提供的电能为
$W_1 = 0.15×10^4\ \mathrm {J/s}×4×3600\ \mathrm {s}×30\% = 6.48×10^6\ \mathrm {J} $
(3) 由表中数据可知当风速为$ 0.8\ \mathrm {m/s} $时，风力发电机无法启动，只有太阳能电池板提供电能，且工作时间为$ 5\ \mathrm {h}$，太阳能电池板工作$ 5\ \mathrm {h} $产生的电能为
$W_2 = 1000\ \mathrm {W/}\mathrm {m^2}×10\ \mathrm {m^2}×5×3600\ \mathrm {s}×16\% = 2.88×10^7\ \mathrm {J}$，
蓄电池组充电到 90\%需要的电能为
$W_3 = 0.2\ \mathrm {kW}· h/\mathrm {kg}×75\ \mathrm {kg}×(90\% - 10\%) = 12\ \mathrm {kW}· h = 4.32×10^7\ \mathrm {J}$，
太阳能电池板需要转化的电能为
$W = 12\ \mathrm {kW}· h + 2\ \mathrm {kW}· h = 14\ \mathrm {kW}· h = 5.04×10^7\ \mathrm {J}$，
因为$ W_2 ＜ W_4$，所以这天不可以完成一次蓄电池组的充电工作
(4) 建造在陕北更适合，陕北风大，太阳光照充足，可同时利用两种能量
解析
【分析】
(1) 能量密度描述的是单位质量储能装置储存的电能，所以要从单位质量对应的储存电能角度分析该物理意义。
(2) 解决此问需先明确风速3m/s时风力发电机的功率、转化效率，再结合电能公式$W=Pt$，将时间单位统一后，计算实际输出的电能。
(3) 首先根据风力发电机参数判断风速0.8m/s时其是否工作，再计算太阳能电池板产生的电能；接着算出蓄电池从剩余10%充至90%所需的电能，加上小屋消耗的电能，将总需求电能与太阳能产生的电能对比，判断能否支撑充电。
(4) 需结合陕北、陕南的气候特点，分析哪个地区更适合风光互补能源系统的运行。
【解析】
(1) $0.2\ \mathrm{kW·h/kg}$的物理意义是：每千克该蓄电池组储存的电能为$0.2\ \mathrm{kW·h}$。
(2) 已知每天以$3\ \mathrm{m/s}$风速发电$4\ \mathrm{h}$，由参数可知此时风力发电机的功率为$0.15×10^4\ \mathrm{W}$，发电效率为$30\%$。
工作时间$t=4\ \mathrm{h}=4×3600\ \mathrm{s}=1.44×10^4\ \mathrm{s}$，则风力发电机每天提供的电能：
$W_1 = P × t × \eta = 0.15×10^4\ \mathrm{W}×1.44×10^4\ \mathrm{s}×30\% = 6.48×10^6\ \mathrm{J}$
(3) 由风力发电机参数可知，风速为$0.8\ \mathrm{m/s}$时，风力发电机无法启动，仅太阳能电池板供电。
太阳能电池板工作$5\ \mathrm{h}$产生的电能：
$W_2 = 1000\ \mathrm{W/m^2}×10\ \mathrm{m^2}×5×3600\ \mathrm{s}×16\% = 2.88×10^7\ \mathrm{J}$
蓄电池组从剩余$10\%$充至$90\%$需要的电能：
$W_3 = 0.2\ \mathrm{kW·h/kg}×75\ \mathrm{kg}×(90\% - 10\%) = 12\ \mathrm{kW·h} = 4.32×10^7\ \mathrm{J}$
小屋一天消耗电能$W_{用}=2\ \mathrm{kW·h}=7.2×10^6\ \mathrm{J}$，则总共需要的电能：
$W = W_3 + W_{用} = 12\ \mathrm{kW·h} + 2\ \mathrm{kW·h} = 14\ \mathrm{kW·h} = 5.04×10^7\ \mathrm{J}$
因为$W_2 ＜ W$，所以这天剩余电量不能支撑蓄电池组一次完整的充电过程。
(4) 赞成小明的观点，该小屋更适合建造在陕北。理由：陕北风大，太阳光照充足，可同时利用风能和太阳能两种能源，更适配风光互补能源系统。
【答案】
(1) 每千克该蓄电池组储存的电能为$0.2\ \mathrm{kW·h}$
(2) $6.48×10^6\ \mathrm{J}$
(3) 不能支撑蓄电池组一次完整的充电过程
(4) 赞成小明的观点，理由：陕北风大，太阳光照充足，可同时利用风能和太阳能两种能源
【知识点】
电能的计算、能量转化效率、新能源利用
【点评】
本题结合“环保节能生态小屋”的实际场景，考查了电能计算、能量转化效率以及新能源的实际应用，既需要理解物理量的物理意义，也需要将物理知识与地理常识结合，注重理论联系实际的能力。
【难度系数】
0.6
(1) 能量密度描述的是单位质量储能装置储存的电能，所以要从单位质量对应的储存电能角度分析该物理意义。
(2) 解决此问需先明确风速3m/s时风力发电机的功率、转化效率，再结合电能公式$W=Pt$，将时间单位统一后，计算实际输出的电能。
(3) 首先根据风力发电机参数判断风速0.8m/s时其是否工作，再计算太阳能电池板产生的电能；接着算出蓄电池从剩余10%充至90%所需的电能，加上小屋消耗的电能，将总需求电能与太阳能产生的电能对比，判断能否支撑充电。
(4) 需结合陕北、陕南的气候特点，分析哪个地区更适合风光互补能源系统的运行。
【解析】
(1) $0.2\ \mathrm{kW·h/kg}$的物理意义是：每千克该蓄电池组储存的电能为$0.2\ \mathrm{kW·h}$。
(2) 已知每天以$3\ \mathrm{m/s}$风速发电$4\ \mathrm{h}$，由参数可知此时风力发电机的功率为$0.15×10^4\ \mathrm{W}$，发电效率为$30\%$。
工作时间$t=4\ \mathrm{h}=4×3600\ \mathrm{s}=1.44×10^4\ \mathrm{s}$，则风力发电机每天提供的电能：
$W_1 = P × t × \eta = 0.15×10^4\ \mathrm{W}×1.44×10^4\ \mathrm{s}×30\% = 6.48×10^6\ \mathrm{J}$
(3) 由风力发电机参数可知，风速为$0.8\ \mathrm{m/s}$时，风力发电机无法启动，仅太阳能电池板供电。
太阳能电池板工作$5\ \mathrm{h}$产生的电能：
$W_2 = 1000\ \mathrm{W/m^2}×10\ \mathrm{m^2}×5×3600\ \mathrm{s}×16\% = 2.88×10^7\ \mathrm{J}$
蓄电池组从剩余$10\%$充至$90\%$需要的电能：
$W_3 = 0.2\ \mathrm{kW·h/kg}×75\ \mathrm{kg}×(90\% - 10\%) = 12\ \mathrm{kW·h} = 4.32×10^7\ \mathrm{J}$
小屋一天消耗电能$W_{用}=2\ \mathrm{kW·h}=7.2×10^6\ \mathrm{J}$，则总共需要的电能：
$W = W_3 + W_{用} = 12\ \mathrm{kW·h} + 2\ \mathrm{kW·h} = 14\ \mathrm{kW·h} = 5.04×10^7\ \mathrm{J}$
因为$W_2 ＜ W$，所以这天剩余电量不能支撑蓄电池组一次完整的充电过程。
(4) 赞成小明的观点，该小屋更适合建造在陕北。理由：陕北风大，太阳光照充足，可同时利用风能和太阳能两种能源，更适配风光互补能源系统。
【答案】
(1) 每千克该蓄电池组储存的电能为$0.2\ \mathrm{kW·h}$
(2) $6.48×10^6\ \mathrm{J}$
(3) 不能支撑蓄电池组一次完整的充电过程
(4) 赞成小明的观点，理由：陕北风大，太阳光照充足，可同时利用风能和太阳能两种能源
【知识点】
电能的计算、能量转化效率、新能源利用
【点评】
本题结合“环保节能生态小屋”的实际场景，考查了电能计算、能量转化效率以及新能源的实际应用，既需要理解物理量的物理意义，也需要将物理知识与地理常识结合，注重理论联系实际的能力。
【难度系数】
0.6
