2024教科版物理九年级下学期课时练–专项素养综合全练(三)能量转化效率的计算（有解析）

2024教科版物理九年级下学期
专项素养综合全练(三)
能量转化效率的计算
类型一　机械能与电能的转化
1.(2023四川达州期末)武都电站是依托武都水库兴建的坝后式电站,装有三台机组,总装机容量15万千瓦(g=10 N/kg,ρ水=1.0×103 kg/m3)。
(1)若电站实际年平均发电量为6.1亿 kW·h,电力系统吸收的有效电量为5.745亿 kW·h,其中电厂用电0.5%,出厂后专用输变电损失1%,按平均上网电价0.28元/kW·h计算,电站年收益多少亿元 (保留三位有效数字)
(2)若电站水面落差(水面与发电机之间的高度差)为80 m,按装机容量满负荷发电,发电机机械能转化为电能的效率为75%,水的流量Q为多少 (流量Q:单位时间内流过截面积的体积)
(3)学校兴趣小组在湖面上做实验,用一机动船拖拉一无动力的木船以1.5 m/s的速度匀速前进,机动船的质量为2×103 kg,内燃机功率为170 kW,木船下部都可以视为长方体,底面面积为12 m2,吃水深度0.4 m,两船受到的阻力都是船重的0.5倍,机动船的内燃机效率是多少
类型二　风能转化为电能
2.(2023陕西师大附中二模)西渝高铁是西安至重庆的一条高速铁路,全长739千米,设计时速350千米。其中西安至安康段已开工建设,建设工期为5年。
(1)铁轨下方铺设枕木是为了　　　　压强,车头设计成流线型是为了
　　　　阻力。
(2)若通车后,一列长300 m的动车组(如图甲)以50 m/s的速度匀速通过一条长1 200 m的隧道。该列动车组完全通过隧道所用的时间为多少
(3)若动车组以60 m/s的速度匀速运动时,所受到的阻力为7×104 N,则此时电动机的输出功率是多大
(4)我国风力资源丰富,图乙为某地风力发电机。若当地每秒每平方米面积吹过的风的能量约为200 J,风机有效迎风面积约为2.0×104 m2。一台风机一天的发电量可以供一列总输出功率为4 800 kW的动车组以250 km/h的速度运动1 250 km,则风机把风能转换为电能的效率是多少 (忽略其他能量损耗)
　
类型三　太阳能转化为内能
3.(2020山东烟台中考改编)如图甲所示是一个电辅助太阳能热水器(以下简称热水器)。图乙为该热水器电加热部分的原理图,S是控制开关,可以在1、2、3三挡之间切换;如表为热水器的铭牌。在光照条件不好时,可用电加热器加热,温度达到预设温度时会自动切换到保温状态,为了防止触电,热水器在向外供水过程中会自动断电。某日因天气原因,太阳辐射能为E=1.75×105 J/(h·m2)(每小时每平方米辐射的热量),太阳能只将水由20 ℃加热到了30 ℃,此时开启电加热器,将水加热到预设温度70 ℃。已知太阳能板的面积为2 m2,水吸收太阳能的效率为60% ,水的比热容为4.2×103 J/( kg·℃)。供水过程中不计热量损失,请根据以上条件分析计算:
　
项目 参数
电源电压/V 220
低温挡功率/W 100
高温挡功率/W 1 200
容积/L 50
(1)水吸收太阳能的多少。
(2)太阳能板当天接收太阳能的时间。
(3)电路中电阻R2的阻值。
(4)在热水器向外供水时,通过控制冷、热水阀使热水器内的热水与20 ℃的冷水混合,可以使出水口流出的水达到需要的温度。已知人在淋浴时适宜的水温为40 ℃,每个人淋浴用水均为30 L,假设热水器内70 ℃的热水能全部用完,则能满足几个人的淋浴用水。
类型四　内能转化为机械能
4.(2023内蒙古呼和浩特月考)近年来,人们致力于研发以电池为动力的纯电动汽车,期望更加节能环保、安全高效,并取得了长足进步,对于某成熟品牌的电动汽车,已知其质量恒为m,在水平路面上行进过程中所受阻力恒定(不计空气阻力)。
(1)若斜坡长为L,爬坡速度为v1,求汽车爬坡所用时间t1;
(2)如果该汽车以v2的速度在水平路面上匀速行驶,且牵引力的功率为P,行驶t2时间内,消耗的电能为E,求:在这个过程中,摩擦阻力大小及汽车的效率;
(3)若汽车在相同的水平路面上以v2的速度匀速行驶t3时间,试求牵引力在t3时间内做的功。
类型五　电能转化为内能
5.(2023重庆中考B卷)李老师桌上有一张老式加热鼠标垫(内有一根加热电阻丝),如图所示,鼠标垫质量为200 g,规格为“5 V　5 W”。忽略温度对电阻的影响。
(1)求鼠标垫的电阻;
(2)鼠标垫正常工作10 min,温度升高7 ℃,若此过程中热损失为30%,估算鼠标垫的比热容;
(3)月月想帮老师扩大鼠标垫温度调节范围,现有12 V的电源、规格为“5 Ω　2 A”“20 Ω　1 A”的两个滑动变阻器。她准备通过滑动变阻器来保护电路并调节鼠标垫加热功率,请你帮她选择合适的滑动变阻器接入电路,并计算改装后电路消耗的最大功率与最小功率的差值。
6.(2023江西中考)如图所示,劳动课上,某同学用电磁炉烧水。水壶中装满初温为25 ℃的水,水壶和电磁炉的部分参数如表所示。[当时气压为一个标准大气压, ρ水=1.0×103 kg/m3,c水=4.2×103 J/(kg·℃),g=10 N/kg]求:
水壶 电磁炉烧水挡
净重:500 g 额定电压:220 V
容量:2 L 额定功率:2 000 W
(1)壶中水的质量;
(2)烧水时壶底的受力面积为100 cm2,壶对电磁炉的压强;
(3)当水刚好烧开时,水吸收的热量;
(4)电磁炉正常工作,若加热效率为84%,水刚好烧开所需的时间。
答案全解全析
1.解析　(1)电站年收益n=5.745亿 kW·h×(1-0.5%)×(1-1%)×
0.28元/(kW·h)≈1.58亿元。(2)总装机容量P=15万千瓦=1.5×108 W,
1 s内发电机组的发电量W电=Pt=1.5×108 W×1 s=1.5×108 J,1 s内流下的水的重力做的功W水===2×108 J,水的重力G===2.5×106 N,m===2.5×105 kg,V===250 m3,即水的流量Q=250 m3/s。
(3)木船下部排开水的体积V排=Sh=12 m2×0.4 m=4.8 m3,木船受到的浮力F浮=ρ水gV排=1.0×103 kg/m3×10 N/kg×4.8 m3=4.8×104 N,木船漂浮,
G木=F浮=4.8×104 N,行驶时受到的阻力f木=0.5G木=0.5×4.8×
104 N=2.4×104 N,机动船的重力G机=m机g=2×103 kg×10 N/kg=2×104 N,行驶时受到的阻力f机=0.5G机=0.5×2×104 N=1×104 N,两船受到的总阻力f总=f木+f机=2.4×104 N+1×104 N=3.4×104 N,把机动船和木船看作一个整体,它们匀速前进时,机动船的牵引力F牵=f总=3.4×104 N,则机动船的有用功率P有===F牵v=3.4×104 N×1.5 m/s=5.1×104 W,已知内燃机功率P总=170 kW=1.7×105 W,η=×100%=×100%=×100%=
×100%=30%。
2.(1)减小　减小　(2)30 s　(3)4 200 kW　(4)25%
解析　(1)铺设枕木是通过增大受力面积来减小压强的;流线型设计可以减小空气阻力;
(2)s=s隧道+s车=1 200 m+300 m=1 500 m,t===30 s;
(3)匀速运动时车受到的阻力等于动力,电动机的输出功率P===Fv=70 000 N×60 m/s=4 200 000 W=4 200 kW;
(4)一台风机一天接收的风能W风=2.0×104 m2×200 J/(m2·s)×24×
3 600 s=3.456×1011 J,一台风机产生的电能可供动车组运行的时间t'===5 h=1.8×104 s,4 800 kW=4.8×
106 W,η===25%。
3.解析　(1)根据ρ=得热水器内水的质量m=ρV=1.0×103 kg/m3×
50×10-3 m3=50 kg;水吸收的太阳能Q1=cmΔt1=4.2×103 J/(kg·℃)×
50 kg×(30 ℃-20 ℃)=2.1×106 J;
(2)根据η=得,太阳能板当天接收太阳能的时间为t===10 h;
(3)开关位于2挡时,只有电阻R1连入电路,处于保温状态,对应的功率P1=100 W,开关位于3挡时,电阻R1和R2并联连入电路,处于加热状态,对应的功率P2=1 200 W,由P2=P1+,得1 200 W=100 W+,解得R2=44 Ω;
(4)50 L、70 ℃的热水温度降低到40 ℃的过程中放出的热量Q2=cmΔt2=4.2×103 J/(kg·℃)×50 kg×(70 ℃-40 ℃)=6.3×106 J;不计热量的损失,20 ℃的冷水温度升高到40 ℃的过程中吸收的热量Q3=Q2=6.3×106 J,由Q=cmΔt得冷水的质量
m'===75 kg;冷、热水混合后总质量m总=m+m'=
50 kg+75 kg=125 kg,总体积V总===0.125 m3=125 L,能满足淋浴用水的人数n==≈4,所以能满足4人的淋浴用水。
4.解析　(1)t1==;
(2)汽车做匀速直线运动,其受到的摩擦阻力等于牵引力,据P=Fv可得汽车受到的牵引力F=,则f=F=;汽车做功W有用=Pt=Pt2,η==;
(3)s3=v3t3=v2t3,W=Fs3=×s3=×v2t3=。
5.解析　(1)鼠标垫的电阻R===5 Ω;
(2)鼠标垫工作过程中,吸收的热量Q吸=(1-30%)×W=70%×5 W×10×
60 s=2 100 J;鼠标垫的比热容c===1 500 J/(kg·℃);
(3)由P=UI得,当鼠标垫正常工作时,电流I===1 A;此时滑动变阻器的电压为UP=U源-U=12 V-5 V=7 V;滑动变阻器此时接入电路中的电阻RP===7 Ω;应选择“20 Ω　1 A”的滑动变阻器,当鼠标垫正常工作时,电路中电流最大,电路电功率最大为Pmax=U源I=12 V×1 A=12 W;当滑动变阻器接入电路中电阻最大时,电路中电流最小,电路电功率最小为Pmin===5.76 W;改装后电路消耗的最大功率与最小功率的差值ΔP=Pmax-Pmin=12 W-5.76 W=6.24 W。
6.解析　(1)壶中水的质量m水=ρ水V=1.0×103 kg/m3×2×10-3 m3=2 kg;
(2)壶对电磁炉的压力
F=G总=G壶+G水=m壶g+m水g=0.5 kg×10 N/kg+2 kg×10 N/kg=25 N,
壶对电磁炉的压强p===2 500 Pa;
(3)当水刚好烧开时,水吸收的热量Q吸=c水m水Δt=4.2×103 J/(kg·℃)×
2 kg×(100 ℃-25 ℃)=6.3×105 J;
(4)电磁炉消耗的电能W===7.5×105 J,
水刚好烧开所需的时间t===375 s。
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