6.深圳位于北回归线以南，属亚热带季风气候，日照充足.结合深圳气候特点，某学习小组同学开展了“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.
【实施过程】
(一)选取房屋的“隔热材料”

学习小组同学为了比较材料的隔热性能，找到厚度相等的三种材料，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，房屋位置如图甲所示，将温度传感器分别放在房屋模型 (选填“内”或“外”)部的相同位置.闭合白炽灯开关，每隔1 min，同时测量三个房屋模型的温度.
(2)甲图中三个小屋的摆放位置不合理，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乙所示.根据图像分析，学习小组同学应选择做房屋的隔热材料.
(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.
(5)深圳某天$1\ \mathrm{m^2}$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$\mathrm{m^2}$.
(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，蒸发成气态，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.学习小组同学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 (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.
(7)在某一环境温度下，在空气能热水器水箱中装入200 kg初温为$20\ ℃$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$50\ ℃$，电能表的示数如图丁所示.此过程中，水吸收的热量为J，空气能热水器的电功率$P$为W，则该空气能热水器的$D$值为.$[c_{水}=4.2×10^3\ \mathrm{J/(kg· ℃)}]$
(8)学习小组同学为了将题(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$D$值和电功率$P$(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阻值为$\Omega$.
【交流与评价】
(9)学习小组同学根据上述活动方案完成了“隔热节能房屋”的设计，请根据以下评价量表选择一个维度对该设计进行评价：(需说明理由).
评价维度 合格 不合格

节能情况 能省电 不能省电
稳定性 供能稳定 供能不稳定

内
三个房屋与白炽灯的距离不同，光照强度不同
泡沫
太阳能
20
做功
小
$2.52×10^7$
700
5
24.2
节能情况:能省电能,在房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,使用空气能热水器也能大大降低电能的消耗

【分析】
1. 第(1)问：要比较材料的隔热性能，需测量房屋模型内部的温度变化，因为隔热材料的作用是阻止热量进入屋内，内部温度上升越慢，隔热性能越好，所以温度传感器应放在内部。
2. 第(2)问：实验探究需遵循控制变量法，三个房屋与白炽灯的距离不同，会导致光照强度不同，无法保证单一变量，实验结果缺乏说服力。
3. 第(3)问：根据图乙温度变化曲线，泡沫材料对应的房屋内部温度上升最慢，说明其隔热效果最好，应选择泡沫作为隔热材料。
4. 第(4)问：深圳位于北回归线以南，朝南放置太阳能电池板能最大程度接收太阳能，提高发电效率。
5. 第(5)问：根据“所需面积=总用电量÷单位面积发电量”，代入数值计算即可得到所需太阳能电池板的最小面积。
6. 第(6)问：压缩机压缩工作介质，通过做功的方式改变其内能；高温高压气体在冷凝管释放热量，内能减小。
7. 第(7)问：先利用热量公式$Q=cm\Delta t$计算水吸收的热量；通过电能表前后示数差得到消耗的电能，再根据$P=\frac{W}{t}$计算电功率；最后用$D=\frac{Q_{吸}}{W}$计算$D$值。
8. 第(8)问：先算出空气能在80min内提供的热量，进而得到辅热器需要提供的热量；结合加热效率算出辅热器消耗的电能，再利用$W=\frac{U^2}{R}t$推导计算电阻丝的阻值。
9. 第(9)问：从节能维度评价，太阳能电池板可利用可再生能源供电，空气能热水器能大幅降低电能消耗，符合节能要求。
【解析】
(1) 比较材料隔热性能，需测量房屋内部温度变化，故填“内”。
(2) 实验需控制光照强度相同，三个房屋与白炽灯距离不同，导致光照强度不同，不符合控制变量法要求，故原因是“三个房屋与白炽灯的距离不同，光照强度不同”。
(3) 由图乙可知，泡沫材料对应的房屋温度上升最慢，隔热性能最好，故选择“泡沫”。
(4) 朝南放置太阳能电池板有利于获取“太阳能”。
(5) 所需面积：$S=\frac{16\ \mathrm{kW·h}}{0.8\ \mathrm{kW·h/m^2}}=20\ \mathrm{m^2}$，故填20。
(6) 压缩机通过做功改变工作介质内能；高温高压气体释放热量后内能变“小”，故依次填“做功”“小”。
(7) 水吸收的热量：$Q_{吸}=c_{水}m\Delta t=4.2×10^3\ \mathrm{J/(kg·℃)}×200\ \mathrm{kg}×(50℃-20℃)=2.52×10^7\ \mathrm{J}$；
电能表示数为$933.6\ \mathrm{kW·h}$，消耗的电能$W=933.6\ \mathrm{kW·h}-932.2\ \mathrm{kW·h}=1.4\ \mathrm{kW·h}=5.04×10^6\ \mathrm{J}$；
电功率$P=\frac{W}{t}=\frac{1.4\ \mathrm{kW·h}}{2\ \mathrm{h}}=0.7\ \mathrm{kW}=700\ \mathrm{W}$；
$D=\frac{Q_{吸}}{W}=\frac{2.52×10^7\ \mathrm{J}}{5.04×10^6\ \mathrm{J}}=5$，故依次填$2.52×10^7$、700、5。
(8) 空气能在80min提供的热量：$Q_1=D×P×t_1=5×700\ \mathrm{W}×80×60\ \mathrm{s}=1.68×10^7\ \mathrm{J}$；
辅热器需提供的热量：$Q_辅=Q_{吸}-Q_1=2.52×10^7\ \mathrm{J}-1.68×10^7\ \mathrm{J}=8.4×10^6\ \mathrm{J}$；
辅热器消耗的电能：$W_辅=\frac{Q_辅}{\eta}=\frac{8.4×10^6\ \mathrm{J}}{87.5\%}=9.6×10^6\ \mathrm{J}$；
由$W=\frac{U^2}{R}t$得，电阻丝阻值：$R=\frac{U^2t}{W_辅}=\frac{(220\ \mathrm{V})^2×80×60\ \mathrm{s}}{9.6×10^6\ \mathrm{J}}=24.2\ \Omega$，故填24.2。
(9) 选择节能情况：能省电能，在房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，使用空气能热水器也能大大降低电能的消耗。
【答案】
内
三个房屋与白炽灯的距离不同，光照强度不同
泡沫
太阳能
20
做功；小
$2.52×10^7$；700；5
24.2
节能情况:能省电能,在房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,使用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、热量与电功率计算、可再生能源利用
【点评】
本题是跨学科实践探究题，融合物理、地理等学科知识，考查隔热材料的实验探究、太阳能利用、空气能热水器的原理及相关计算，注重知识在实际生活中的应用，培养学生的综合分析能力与实践操作能力。
【难度系数】
0.4