Question

太陽能是21世紀(jì)重點(diǎn)發(fā)展的能源之一，太陽能汽車是利用太陽能電池將接收到的太陽能轉(zhuǎn)化為電能，再利用電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)汽車的新型交通工具．某太陽能實(shí)驗(yàn)車，車上太陽能電池接受太陽能的有效面積為8 m²，太陽光照射到電池板每平方面積上的輻射功率為P₀=1 kW，在晴朗的日子，電池對(duì)著太陽時(shí)產(chǎn)生的電壓U=120 V，并對(duì)車上的電動(dòng)機(jī)提供I=10 A的電流．
（1）太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的效率是多少？
（2）如果這輛車的電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率為75%，則汽車的機(jī)械功率為多少？當(dāng)它在水平路勻速行駛時(shí)，受到的牽引力是150 N，則其行駛速度是多少？
（3）如果汽車的機(jī)械能換用汽油提供，則汽車每小時(shí)要消耗多少kg的汽油？設(shè)汽油完全燃燒放出熱量的50%轉(zhuǎn)化為汽車的機(jī)械能，汽油的熱值為q=4.6×10⁷J/kg．

Answer 1

分析：（1）已知每平方米面積上能接收到太陽能的功率，便可以計(jì)算出8 m²面積上能接收到太陽能的總功率，還知道太陽能電池產(chǎn)生的電壓和供電動(dòng)機(jī)正常工作的電流，可利用公式P=UI計(jì)算電動(dòng)機(jī)工作時(shí)的有用功率，最后根據(jù)效率公式求太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的效率．
（2）在（1）中求出了電動(dòng)機(jī)工作時(shí)的有用功率，已知電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率，可求電動(dòng)機(jī)的輸出功率；又知道牽引力的大小，利用P=Fv的公式變形計(jì)算汽車的行駛速度．
（3）已知汽車的機(jī)械功率和時(shí)間，可利用公式W=P_機(jī)t計(jì)算獲得的機(jī)械能，汽油完全燃燒放出熱量的50%轉(zhuǎn)化為汽車的機(jī)械能，再利用公式Q_放=

Q

η2

計(jì)算汽油完全燃燒放出的熱量，已知汽油的熱值，可利用公式m=

Q放

q

計(jì)算汽油的質(zhì)量．

解答：解：
（1）∵P₀=1 kW=1000W，
∴太陽能電池的面板接收到的太陽能的總功率為：
P_總=P₀×8=1000W×8=8000W，
∵U=120V，I=10A，
∴轉(zhuǎn)化為太陽能汽車的電功率為：
P_電=UI=120V×10A=1200W，
則太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的效率為：
η=

P電

P總

=

1200W

8000W

=15%．
答：太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的效率是15%．
（2）∵這輛車的電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率η₁=75%，
∴汽車的機(jī)械功率為：
P_機(jī)=P_電×η₁=1200W×75%=900W，
又∵F=150N，
∴汽車的行駛速度為：
 v=

P機(jī)

F

=

900W

150N

=6m/s．
答：汽車的機(jī)械功率為900W，汽車的行駛速度為6m/s．
（3）∵P_機(jī)=900W，t=1h=3600s，
∴獲得的機(jī)械能為：
W=P_機(jī)t=900W×3600s=3.24×10⁶J，
又∵汽油完全燃燒放出熱量的50%轉(zhuǎn)化為汽車的機(jī)械能，
∴Q_放=

Q

η2

=

3.24×106J

50%

=6.48×10⁶J，
而q=4.6×10⁷J/kg，
∴汽油的質(zhì)量為：
m=

Q放

q

=

6.48×106J

4.6×107J/kg

≈0.14kg．
答：汽車每小時(shí)要消耗0.14kg的汽油．

點(diǎn)評(píng)：此題主要考查學(xué)生對(duì)功率的計(jì)算、功的計(jì)算、太陽能的轉(zhuǎn)化等知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握，此題涉及到的知識(shí)點(diǎn)較多，屬于難題，此題體現(xiàn)了物理與高科技相結(jié)合的思想．