初中物理能量利用效率试题

百善孝为先，我们可以从点点滴滴的小事做起。佳佳将自己的压岁钱省下来给奶奶买了一款足浴盆。这款足浴盆工作时的简化电路如图，它有加热功能和按摩功能。电动机线圈电阻为 $4\Omega$ ，加热电阻正常工作时电功率为 $1\mathit{kW}$ ，电源电压 $220V$ 稳定不变。

（1）启动按摩功能时，电动机启动，通过电动机线圈的电流为 $0.1A$ ，按摩 $20\mathit{min}$ ，电动机线圈产生的热量是多少？

（2）加热电阻正常工作时的电阻是多少？

（3）在足浴盆中加入体积为 $4L$ 、初温为 ${20}^{°}\text{C}$ 的水升高至 ${40}^{°}\text{C}$ ，水吸收的热量为多少？若加热时间为 $420s$ ，它的电加热效率为多少？ $\left[c_{水}=4.2\times {10}^{3}J/\left(\mathit{kg}{\cdot }^{\circ }\text{C}}\right)\right]$

某商场新进了一批具有加热和保温两种功能的微型电热水器，其内部简化电路如图甲。该电热水器由控制电路和工作电路两部分组成。控制电路由电源（电压恒定 $U=6V)$、开关 $S_0$、电磁铁（线圈电阻 $R_0=20\Omega )$、热敏电阻 $R$组成。 $R$阻值随温度的变化图象如图乙。工作电路 $R_1=44\Omega$， $R_2=956\Omega$．当开关 $S_0$和 $S$均闭合时，电热水器开始加热 $\left[c_{水}=4.2\times {10}^{3}J/\left(\mathit{kg}{\cdot }^{\circ }\text{C}\right)\right]$。

（1）当温度达到 ${50}^{°}\text{C}$时，衔铁会被吸下，电热水器停止加热。求控制电路中的电流。

（2）电热水器将水箱中 $2\mathit{kg}$的水从 ${17}^{°}\text{C}$加热到 ${50}^{°}\text{C}$，用时 $5\mathit{min}$。求此过程水吸收的热量及电热水器的加热效率。

（3）用电高峰期，电热水器两端实际电压为 $200V$，当电热水器处于保温状态时电热水器工作多长时间会消耗 $1.8\times {10}^{4}J$的电能？

甜甜要制作一个电动航模，需要电动机作为动力源，她找来电吹风，研究了电吹风的工作原理。如图甲，电吹风工作时，可以分别吹出热风和冷风，为了防止温度过高，用一个 $\mathit{PTC}$电阻 $R_0$与电阻为 $50\Omega$的电热丝 $R$串联， $R_0$的阻值随温度的变化如图乙所示，请回答下列问题：

（1） $\mathit{PTC}$电阻是由　       　材料制成的；电动机的工作原理是　               　。

（2）电吹风吹热风时，求电热丝的最大发热功率。

（3）电吹风吹冷风时，通过电动机的电流为 $1A$，工作 $20s$，电动机的机械效率为 $90\%$，求电动机线圈电阻。（不计机械摩擦损耗的能量）

小玲在探究水的沸腾实验中，用酒精灯给初温 ${20}^{°}\text{C}$，质量 $100g$的水加热 $7\mathit{min}$，共消耗了 $4\times {10}^{-3}\mathit{kg}$酒精，此过程是通过　         　的方式改变水的内能。若这些酒精完全燃烧放出热量的 $30\%$被水吸收（假设水质量保持不变），则水的末温为　         　 ${}^{°}\text{C}$；实验后小玲感叹到：“ $70\%$的热量都被浪费了，还污染环境 $!$”为提高加热效率，请提出一条建议　         　。 $(q_{\mathit{酒精}}=3.0\times {10}^{7}J/\mathit{kg}$， $c_{水}=4.2\times {10}^{3}J/\left(\mathit{kg}{\cdot }^{\circ }\text{C}\right)$，标准大气压环境）

目前有的地方出现了共享电动汽车，这种新型低碳的交通工具，深受人们的喜爱。某品牌电动汽车的部分参数如表所示。

电池容量 $(\mathit{kW}·h)$	22
车载充电器输入电压 $\left(V\right)$	220
车载充电器输入电流（A）	16
电能转化为机械能的效率	$70\%$

（1）如图所示，租车时，租赁者只要将租车卡靠近电动汽车上的感应器，感应器即能读取卡中的信息，将车解锁。刷卡所用的原理是　　。

（2）根据表中的数据，将耗完电能的电池充满电，理论上需要多少小时？

（3）上述电动汽车充满电后，在水平地面上匀速行驶，最大距离为140 千米，行驶时该车受到的阻力为多少牛？

最近我市出现了许多共享电动汽车，这种新型低碳的交通工具，深受市民的喜爱。某品牌电动汽车的部分参数如表所示。请回答：

电池容量 $(\mathit{kW}·h)$	22
车载充电器输入电压 $\left(V\right)$	220
车载充电器输入电流（A）	16
电能转化为机械能的效率	$70\%$

（1）如图1所示，租车时，租赁者只要将租车卡靠近电动汽车上的感应器，感应器即能读取卡中的信息，将车解锁。刷卡所用的原理是　　。

（2）某次启动后，汽车显示屏上出现了如图2所示的输出电压与电流，求此时电动汽车的输出功率为多少瓦？

（3）根据表中的数据，将已经耗完电能的电池充满，理论上需要多少时间？充满电后，该车在水平地面上匀速行驶的最大距离为140千米，则行驶时该车受到的阻力为多少牛。

如图为某款擦窗机器人，它凭借其底部的真空泵在机身和玻璃之间形成低气压，牢牢地吸附在竖直玻璃上。请回答：

（1）当它静止在竖直玻璃上时，受到的摩擦力方向是　　。

（2）擦窗机器人的擦试速度是4分钟 $/$米 ${}^2$，要擦完总面积为3米 ${}^2$的窗玻璃需要　　分钟。

（3）工作时擦窗机器人对玻璃的压力为28牛，内外气压差达到800帕，求擦窗机器人与玻璃的接触面积至少为多少平方米？

（4）擦窗机器人的总质量为1.2千克，工作时的实际功率为80瓦，它在竖直向上擦窗过程中有 $0.25\%$的电能用于克服重力做功。若窗户足够高，持续竖直向上擦窗20分钟，擦窗机器人可上升的最大高度为多少米？（取 $g=10$牛 $/$千克）

某医院的全自动消毒柜能对医疗用品进行高温、高压、湿热灭菌消毒，部分参数如表。消毒柜中电磁继电器控制电加热器实现加热、保温自动切换的原理图如图所示， $R$为热敏电阻，其电阻值随消毒柜内温度的升高而减小。消毒柜利用 $20\mathit{kg}$、 ${20}^{°}\text{C}$的水正常工作 $50\mathit{min}$可完成一次消毒。已知水的比热容为 $4.2\times {10}^{3}J/\left(\mathit{kg}{·}^{°}\text{C}\right)$。

额定加热功率	$10\mathit{kW}$
水箱容量	$100L$
工作温度	${120}^{°}\text{C}$
限压	$300\mathit{kPa}$

（1）求每次消毒时水温从 ${20}^{°}\text{C}$上升到工作温度水吸收的热量；

（2）电加热器正常工作时，将水从 ${20}^{°}\text{C}$加热到工作温度的时间为 $16\mathit{min}$。求电加热器加热的效率；

（3）保温电阻是图中的　　。

太阳能是21世纪重点开发利用的能源之一，如今太阳能热水器已走进了千家万户。如图，某家庭太阳能热水器接收太阳能总有效面积为 $2m^2$， $1m^2$面积上 $1h$接收到的太阳能平均为 $2.52\times {10}^{6}J$，若阳光照射该热水器 $5h$，可以使质量为 $80\mathit{kg}$的水温度升高 ${30}^{°}\text{C}$， $[c=4.2\times {10}^{3}J/(\mathit{kg}{·}^{°}\text{C})$， $q_{\mathit{干木柴}}=1.2\times {10}^{7}J/\mathit{kg}]$，求：

（1）水吸收的热量。

（2）若这些水吸收的热量全部由燃烧干木柴来提供，需要完全燃烧多少千克干木柴（假设干木柴完全燃烧放出的热量全部被水吸收）。

（3）该太阳能热水器的效率及开发利用太阳能的优点。

小明家新买来一台容积为 $80L$的天然气热水器。小明学习了热效率的知识后，尝试估测该热水器的热效率，他把“进水量”设置为 $40L$，“出水温度”设置为 ${40}^{°}\text{C}$后，开始加热。当水温达到 ${40}^{°}\text{C}$时，自动停止加热。已知当时自来水的温度是 ${20}^{°}\text{C}$，加热前天然气表的示数为 $129.96m^3$，停止加热后变为 $130.06m^3$，天然气的热值 $q_{\mathit{天然气}}=4.2\times {10}^{7}J/m^3$，水的比热容 $c_{水}=4.2\times {10}^{3}J/\left(\mathit{kg}{\cdot }^{\circ }\text{C}}\right)$， $1L={10}^{-3}{m}^3$．求：

（1）水箱中水的质量；

（2）水箱中水吸收的热量；

（3）该热水器的热效率。

可燃冰是一种新型能源，它是水和天然气在高压低温情况下形成的类冰状结晶物质，主要成分是甲烷，其开采是世界难题，据中央电视台2017年5月18日报道，我国可燃冰已试采成功，技术处于世界领先，用燃气锅炉烧水时，把质量为 $500\mathit{kg}$，初温为 ${20}^{°}\text{C}$的水加热到 ${100}^{°}\text{C}$，共燃烧了 $12m^3$天然气，已知水的比热容 $c_{水}=4.2\times {10}^{3}J/\left(\mathit{kg}{\cdot }^{\circ }\text{C}}\right)$，天然气热值 $q=4.2\times {10}^{7}J/m^3$，可燃冰的热值为同体积天然气的160倍，求：

（1）水吸收的热量；

（2）燃气锅炉烧水时的效率；

（3）若换用可燃冰，应使用多少 $m^3$可燃冰。

某白炽灯的电流与电压关系如图所示，白炽灯工作时灯丝要达到很高的温度才能发出白光。已知灯丝质量为 $1.5g$，比热容为 $c=0.14\times {10}^{3}J/\left(\mathit{kg}{\cdot }^{°}\text{C}\right)$。求：

（1）灯丝的温度从 ${20}^{°}\text{C}$升高的 ${2020}^{°}\text{C}$，需要多少热量？

（2）上述过程中，若电能转化为热能的效率为 $80\%$，则灯泡消耗的电能是多少？

（3）要将此灯改装为一个调光台灯接入家庭电路，需要串联一个变阻器，灯泡的功率调到 $15W$时，该变阻器接入电路的阻值应为多大？

为了减少环境污染，共建绿水青山的美好生态，我市部分农村地区已经用上了天然气烧水煮饭，设天然气热值为 $4.2\times {10}^{7}J/\mathit{kg}$，完全燃烧 $0.2\mathit{kg}$天然气放出的热量为　　 $J$；若这些热量的 $25\%$被 $12.5\mathit{kg}$、 ${30}^{°}\text{C}$的水吸收，能使水的温度升高到　　 ${}^{°}\text{C}$． $\left(c_{水}=4.2\times {10}^{3}J/\left(\mathit{kg}{\cdot }^{\circ }\text{C}}\right)\right)$

一个标准大气压下，将质量 $1.0\mathit{kg}$的水从 ${20}^{°}\text{C}$加热到沸腾，水吸收的热量是　　 $J$．小明家天然气热水器的热效率是 $84\%$，他某次洗澡，耗水 $40\mathit{kg}$，自来水进热水器的温度是 ${24}^{°}\text{C}$，出热水器的温度是 ${40}^{°}\text{C}$，小明这次洗澡消耗天然气　　 $m^3$．已知水的比热容是 $4.2\times {10}^{3}J/\left(\mathit{kg}{·}^{°}\text{C}\right)$，天然气的热值是 $3.2\times {10}^{7}J/m^3$。

庆祝中国人民解放军海军成立70周年海上阅兵活动在青岛附近海域举行，图中093改进型攻击核潜艇于2019年4月27日公开亮相，进行了战略巡航。该潜艇最大核动力功率为 $2.8\times {10}^4\mathit{kW}$，完全下潜到海面下后的排水量为 $6.8\times {10}^{3}t$（取海水密度 $\rho =1\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$、 $g=10N/\mathit{kg})$。问：

（1）该潜艇悬浮时，其上一面积为 $0.05m^2$的整流罩距海面深度为 $200m$，此时整流罩受到海水的压力为多少？

（2）若最大核动力功率转化为水平推力功率的效率为 $80\%$，该潜艇在海面下以最大核动力功率水平巡航时，受到的水平推力为 $1.6\times {10}^{6}N$，此时潜艇的巡航速度为多少？

（3）该潜艇浮出海面处于漂浮时，露出海面的体积为 $1.5\times {10}^3{m}^3$，此时潜艇的总重量是多少？