登录
跨学科实践
答案 P74
项目背景
据记载,人类利用太阳能已有3 000多年的历史。将太阳能作为一种能源和动力加以利用,只有300多年的历史。真正将太阳能作为“近期急需的补充能源”“未来能源结构的基础”,则是近来的事。
活动任务一 了解太阳的能量来源,人类对太阳能的利用
1 太阳是离我们最近的恒星,距地球约1.5亿千米,它是一个庞大而炽热的气体球,每时每刻不断向外释放出巨大的能量。
(1)太阳内部进行着大规模的核(填“聚变”或“裂变”),释放的能量以的形式向空间辐射。
(2)太阳向太空稳定地辐射出光和热,其中有(填“极大多数”“部分”“少数”或“极少数”)到达地球,成为地球上最基本、最重要的能量来源。
(3)假设太阳光以平行光束入射到地面,太阳一年中辐射到地球表面的总能量约$1.87×10^{24}\ \mathrm{J}$,这些能量只有$1.1×10^{24}\ \mathrm{J}$的能量到达地球使水蒸发,而后凝结成雨降落到地面,在常温常压下蒸发1 kg水需要$2.2×10^{6}\ \mathrm{J}$的能量,取地球的表面积$S=5×10^{14}\ \mathrm{m}^2$,试估算整个地球的年平均降水量(降水量以毫米为单位)。
2 如图所示,“问天实验舱”在轨运行时,每天的用电量约为304 kW·h,这些能量来自我国自主研制的大型柔性太阳能电池翼,其展开面积达280 m²,发电功率高达19 kW,其中“kW·h”是(填物理量名称)的单位,太阳能电池翼每天至少工作h才能满足每天的用电量;从可持续发展看,太阳能属于能源;请写出生活中利用太阳能的优点和缺点:
活动任务二 制作太阳能烤箱
3【材料】盒子、小刀、锡箔纸、透明胶带、双面胶、保鲜膜、黑色卡纸、报纸、尺子等。
【操作步骤】
(1)从盒子顶部割开三个边,翻转成如图造型,让它能够灵活移动并随时调整以实现阳光最大反射。
第(1)问图 第(2)问图 第(3)问图 第(4)问图 第(5)问图 第(6)问图
(2)用锡箔纸覆盖小窗子内侧,紧密贴合在小窗子表面上,周围用透明胶带固定住,用以反射太阳光线。
(3)将盒子打开,在刚才切开的窗子内侧用双面胶固定一张覆盖整个窗子的塑料薄膜,让窗子内外不透气,但是光线依然能从窗子进来。
(4)在盒子底部铺上黑色的卡纸,可以放置需要加热的食物。
(5)把报纸卷起来塞在烤箱底部四周,并用胶带固定住,让它形成一个隔热边框。
(6)在阳光最猛烈的时候将烤箱放在阳光直射的地方,调整窗子上面的反射板,使得光线最大限度地反射到窗子的塑料薄膜上并进入盒内。
【讨论交流】用你制作的烤箱加热一些食物吧,和同学一起,看看谁加热得更快,为什么有的加热得快呢?
答案 P74
项目背景
据记载,人类利用太阳能已有3 000多年的历史。将太阳能作为一种能源和动力加以利用,只有300多年的历史。真正将太阳能作为“近期急需的补充能源”“未来能源结构的基础”,则是近来的事。
活动任务一 了解太阳的能量来源,人类对太阳能的利用
1 太阳是离我们最近的恒星,距地球约1.5亿千米,它是一个庞大而炽热的气体球,每时每刻不断向外释放出巨大的能量。
(1)太阳内部进行着大规模的核(填“聚变”或“裂变”),释放的能量以的形式向空间辐射。
(2)太阳向太空稳定地辐射出光和热,其中有(填“极大多数”“部分”“少数”或“极少数”)到达地球,成为地球上最基本、最重要的能量来源。
(3)假设太阳光以平行光束入射到地面,太阳一年中辐射到地球表面的总能量约$1.87×10^{24}\ \mathrm{J}$,这些能量只有$1.1×10^{24}\ \mathrm{J}$的能量到达地球使水蒸发,而后凝结成雨降落到地面,在常温常压下蒸发1 kg水需要$2.2×10^{6}\ \mathrm{J}$的能量,取地球的表面积$S=5×10^{14}\ \mathrm{m}^2$,试估算整个地球的年平均降水量(降水量以毫米为单位)。
2 如图所示,“问天实验舱”在轨运行时,每天的用电量约为304 kW·h,这些能量来自我国自主研制的大型柔性太阳能电池翼,其展开面积达280 m²,发电功率高达19 kW,其中“kW·h”是(填物理量名称)的单位,太阳能电池翼每天至少工作h才能满足每天的用电量;从可持续发展看,太阳能属于能源;请写出生活中利用太阳能的优点和缺点:
活动任务二 制作太阳能烤箱
3【材料】盒子、小刀、锡箔纸、透明胶带、双面胶、保鲜膜、黑色卡纸、报纸、尺子等。
【操作步骤】
(1)从盒子顶部割开三个边,翻转成如图造型,让它能够灵活移动并随时调整以实现阳光最大反射。
第(1)问图 第(2)问图 第(3)问图 第(4)问图 第(5)问图 第(6)问图
(2)用锡箔纸覆盖小窗子内侧,紧密贴合在小窗子表面上,周围用透明胶带固定住,用以反射太阳光线。
(3)将盒子打开,在刚才切开的窗子内侧用双面胶固定一张覆盖整个窗子的塑料薄膜,让窗子内外不透气,但是光线依然能从窗子进来。
(4)在盒子底部铺上黑色的卡纸,可以放置需要加热的食物。
(5)把报纸卷起来塞在烤箱底部四周,并用胶带固定住,让它形成一个隔热边框。
(6)在阳光最猛烈的时候将烤箱放在阳光直射的地方,调整窗子上面的反射板,使得光线最大限度地反射到窗子的塑料薄膜上并进入盒内。
【讨论交流】用你制作的烤箱加热一些食物吧,和同学一起,看看谁加热得更快,为什么有的加热得快呢?
答案
解：
1 (1) 聚变；电磁波（或光和热）
(2) 极少数
(3) 计算过程：
一年中用于蒸发水的总能量$E=1.1×10^{24}\ \mathrm{J}$，蒸发1kg水所需能量$E_0=2.2×10^6\ \mathrm{J/kg}$，则蒸发的水总质量：
$m=\frac{E}{E_0}=\frac{1.1×10^{24}\ \mathrm{J}}{2.2×10^6\ \mathrm{J/kg}}=5×10^{17}\ \mathrm{kg}$
水的密度$\rho=1×10^3\ \mathrm{kg/m^3}$，由$\rho=\frac{m}{V}$得这些水的总体积：
$V=\frac{m}{\rho}=\frac{5×10^{17}\ \mathrm{kg}}{1×10^3\ \mathrm{kg/m^3}}=5×10^{14}\ \mathrm{m^3}$
地球表面积$S=5×10^{14}\ \mathrm{m^2}$，则年平均降水厚度：
$h=\frac{V}{S}=\frac{5×10^{14}\ \mathrm{m^3}}{5×10^{14}\ \mathrm{m^2}}=1\ \mathrm{m}=1000\ \mathrm{mm}$
2 电能（电功）；16；可再生；
优点：清洁无污染、取之不尽用之不竭、分布广泛无需运输；缺点：能量分散，受昼夜、天气影响大，供电不稳定，能量转换效率较低。
3 答：反射板角度调整精准、锡箔纸反光效果好、盒体密封严实、隔热边框填充充分、黑色卡纸吸光性能好的烤箱加热更快。原因是这类烤箱可以将更多的太阳能转化为盒内的内能，同时最大程度减少盒内热量向外散失，食物获得的热量更多，升温速度更快。
1 (1) 聚变；电磁波（或光和热）
(2) 极少数
(3) 计算过程：
一年中用于蒸发水的总能量$E=1.1×10^{24}\ \mathrm{J}$，蒸发1kg水所需能量$E_0=2.2×10^6\ \mathrm{J/kg}$，则蒸发的水总质量：
$m=\frac{E}{E_0}=\frac{1.1×10^{24}\ \mathrm{J}}{2.2×10^6\ \mathrm{J/kg}}=5×10^{17}\ \mathrm{kg}$
水的密度$\rho=1×10^3\ \mathrm{kg/m^3}$，由$\rho=\frac{m}{V}$得这些水的总体积：
$V=\frac{m}{\rho}=\frac{5×10^{17}\ \mathrm{kg}}{1×10^3\ \mathrm{kg/m^3}}=5×10^{14}\ \mathrm{m^3}$
地球表面积$S=5×10^{14}\ \mathrm{m^2}$，则年平均降水厚度：
$h=\frac{V}{S}=\frac{5×10^{14}\ \mathrm{m^3}}{5×10^{14}\ \mathrm{m^2}}=1\ \mathrm{m}=1000\ \mathrm{mm}$
2 电能（电功）；16；可再生；
优点：清洁无污染、取之不尽用之不竭、分布广泛无需运输；缺点：能量分散，受昼夜、天气影响大，供电不稳定，能量转换效率较低。
3 答：反射板角度调整精准、锡箔纸反光效果好、盒体密封严实、隔热边框填充充分、黑色卡纸吸光性能好的烤箱加热更快。原因是这类烤箱可以将更多的太阳能转化为盒内的内能，同时最大程度减少盒内热量向外散失，食物获得的热量更多，升温速度更快。
解析
【分析】
本题围绕太阳能的利用展开，需结合物理知识与实际应用分析：1(1)回忆太阳内部的核反应类型及能量辐射形式；1(2)明确太阳辐射能量的分布情况；1(3)通过能量与质量的关系、密度公式计算蒸发水的体积，再结合地球表面积估算降水量；2(1)掌握kW·h的物理意义，利用电功公式计算工作时间，判断太阳能的能源类型，列举其优缺点；3的讨论需从烤箱的吸热、反光、隔热等影响热量获取与散失的因素分析加热快慢的原因。
【解析】
1 (1) 太阳内部进行大规模的核聚变反应，释放的能量以电磁波（或光和热）的形式向空间辐射，故填：聚变；电磁波（或光和热）。
(2) 太阳向太空辐射的能量中，只有极少数到达地球，成为地球能量来源，故填：极少数。
(3) 计算过程：
一年中用于蒸发水的总能量$E=1.1×10^{24}\ \mathrm{J}$，蒸发1kg水需能量$E_0=2.2×10^6\ \mathrm{J/kg}$，则蒸发水的总质量：
$m=\frac{E}{E_0}=\frac{1.1×10^{24}\ \mathrm{J}}{2.2×10^6\ \mathrm{J/kg}}=5×10^{17}\ \mathrm{kg}$
水的密度$\rho=1×10^3\ \mathrm{kg/m^3}$，由$\rho=\frac{m}{V}$得水的总体积：
$V=\frac{m}{\rho}=\frac{5×10^{17}\ \mathrm{kg}}{1×10^3\ \mathrm{kg/m^3}}=5×10^{14}\ \mathrm{m^3}$
地球表面积$S=5×10^{14}\ \mathrm{m^2}$，年平均降水厚度：
$h=\frac{V}{S}=\frac{5×10^{14}\ \mathrm{m^3}}{5×10^{14}\ \mathrm{m^2}}=1\ \mathrm{m}=1000\ \mathrm{mm}$
2 “kW·h”是电功（电能）的单位；每天用电量$W=304\ \mathrm{kW·h}$，发电功率$P=19\ \mathrm{kW}$，则工作时间$t=\frac{W}{P}=\frac{304\ \mathrm{kW·h}}{19\ \mathrm{kW}}=16\ \mathrm{h}$；太阳能属于可再生能源；
优点：清洁无污染、取之不尽用之不竭、分布广泛无需运输；缺点：能量分散，受昼夜、天气影响大，供电不稳定，能量转换效率较低。
3 加热更快的烤箱：反射板角度调整精准、锡箔纸反光效果好、盒体密封严实、隔热边框填充充分、黑色卡纸吸光性能好的烤箱。原因：这类烤箱能将更多太阳能转化为盒内内能，同时减少盒内热量散失，食物获得热量更多，升温更快。
【答案】
1 (1) 聚变；电磁波（或光和热）
(2) 极少数
(3) 1000 mm
2 电能（电功）；16；可再生；优点：清洁无污染、取之不尽用之不竭、分布广泛无需运输；缺点：能量分散，受昼夜、天气影响大，供电不稳定，能量转换效率较低。
3 反射板角度调整精准、锡箔纸反光效果好、盒体密封严实、隔热边框填充充分、黑色卡纸吸光性能好的烤箱加热更快。原因是这类烤箱可以将更多的太阳能转化为盒内的内能，同时最大程度减少盒内热量向外散失，食物获得的热量更多，升温速度更快。
【知识点】
核聚变、太阳能利用、电功单位
【点评】
本题为跨学科实践题，结合物理知识与实际应用，考查学生对太阳能相关知识的理解、物理公式的估算应用及实际操作的分析能力，注重理论联系实际，体现了物理知识在生活中的应用价值。
【难度系数】
0.6
本题围绕太阳能的利用展开，需结合物理知识与实际应用分析：1(1)回忆太阳内部的核反应类型及能量辐射形式；1(2)明确太阳辐射能量的分布情况；1(3)通过能量与质量的关系、密度公式计算蒸发水的体积，再结合地球表面积估算降水量；2(1)掌握kW·h的物理意义，利用电功公式计算工作时间，判断太阳能的能源类型，列举其优缺点；3的讨论需从烤箱的吸热、反光、隔热等影响热量获取与散失的因素分析加热快慢的原因。
【解析】
1 (1) 太阳内部进行大规模的核聚变反应，释放的能量以电磁波（或光和热）的形式向空间辐射，故填：聚变；电磁波（或光和热）。
(2) 太阳向太空辐射的能量中，只有极少数到达地球，成为地球能量来源，故填：极少数。
(3) 计算过程：
一年中用于蒸发水的总能量$E=1.1×10^{24}\ \mathrm{J}$，蒸发1kg水需能量$E_0=2.2×10^6\ \mathrm{J/kg}$，则蒸发水的总质量：
$m=\frac{E}{E_0}=\frac{1.1×10^{24}\ \mathrm{J}}{2.2×10^6\ \mathrm{J/kg}}=5×10^{17}\ \mathrm{kg}$
水的密度$\rho=1×10^3\ \mathrm{kg/m^3}$，由$\rho=\frac{m}{V}$得水的总体积：
$V=\frac{m}{\rho}=\frac{5×10^{17}\ \mathrm{kg}}{1×10^3\ \mathrm{kg/m^3}}=5×10^{14}\ \mathrm{m^3}$
地球表面积$S=5×10^{14}\ \mathrm{m^2}$，年平均降水厚度：
$h=\frac{V}{S}=\frac{5×10^{14}\ \mathrm{m^3}}{5×10^{14}\ \mathrm{m^2}}=1\ \mathrm{m}=1000\ \mathrm{mm}$
2 “kW·h”是电功（电能）的单位；每天用电量$W=304\ \mathrm{kW·h}$，发电功率$P=19\ \mathrm{kW}$，则工作时间$t=\frac{W}{P}=\frac{304\ \mathrm{kW·h}}{19\ \mathrm{kW}}=16\ \mathrm{h}$；太阳能属于可再生能源；
优点：清洁无污染、取之不尽用之不竭、分布广泛无需运输；缺点：能量分散，受昼夜、天气影响大，供电不稳定，能量转换效率较低。
3 加热更快的烤箱：反射板角度调整精准、锡箔纸反光效果好、盒体密封严实、隔热边框填充充分、黑色卡纸吸光性能好的烤箱。原因：这类烤箱能将更多太阳能转化为盒内内能，同时减少盒内热量散失，食物获得热量更多，升温更快。
【答案】
1 (1) 聚变；电磁波（或光和热）
(2) 极少数
(3) 1000 mm
2 电能（电功）；16；可再生；优点：清洁无污染、取之不尽用之不竭、分布广泛无需运输；缺点：能量分散，受昼夜、天气影响大，供电不稳定，能量转换效率较低。
3 反射板角度调整精准、锡箔纸反光效果好、盒体密封严实、隔热边框填充充分、黑色卡纸吸光性能好的烤箱加热更快。原因是这类烤箱可以将更多的太阳能转化为盒内的内能，同时最大程度减少盒内热量向外散失，食物获得的热量更多，升温速度更快。
【知识点】
核聚变、太阳能利用、电功单位
【点评】
本题为跨学科实践题，结合物理知识与实际应用，考查学生对太阳能相关知识的理解、物理公式的估算应用及实际操作的分析能力，注重理论联系实际，体现了物理知识在生活中的应用价值。
【难度系数】
0.6
