例说“低碳”走进的物理中考

自以“低碳经济”为主题的哥本哈根气候大会以来,一股里程碑式的“低碳浪潮”便冲击着人类赖以生存的各个领域。“低碳”已经成了当今最流行、最时髦的词汇之一,无不例外,“低碳”也走进了2010年的物理中考。具体表现在下列六个方面。

一、倡导低碳生活,垃圾变废为宝

例1(2010浙江湖州):低碳生活是指生活作息时所消耗的能源要尽量减少,从而减少二氧化碳的排放量。“低碳生活”已逐渐被人们接受并付诸行动,节能减排已成共识。

(1)下列不符合“低碳生活”标准的是。

A.少乘电梯、多走楼梯

B.多用洗衣机洗衣服,少用手洗

C.安装使用太阳能热水器

D.看完电视关掉电源,不让其处于待机状态

(2)研究表明,利用垃圾作为燃料建立发电厂,每燃烧1t生活垃圾可以发电225kW・h。这样既处理了垃圾,又起到了节能减排的效果。位于我市和孚镇的垃圾发电厂有2台功率均为7.5×10kW的发电机组。若这些机组平均每天工作12h,则一天可以处理多少吨生活垃圾?

本题以转变传统观念,倡导低碳生活为背景,从人们的日常生活入手,考查学生“节能减排、变废为宝”的意识和直接利用公式W=Pt进行计算的能力。显然“多用洗衣机洗衣服,少用手洗”是不符合“低碳生活”标准的;2台机组一天的发电量为:W=Pt=1.8×10kW・h。一天处理垃圾的质量m=1.8×10kW・h/(225kW・h/t)=800t。

二、发展低碳经济,利用风力发电

例2(2010山东潍坊):2010年,环渤海经济开发区经济建设上升为国家战略高度,我们潍坊为响应国家号召,发展低碳经济,在沿海地区建造了风力发电厂,如图所示。下表给出了不同风速下每台风力发电机的功率。(结果保留两位小数)

(1)若在某时间内的风速为6m/s,一台发电机工作1小时,产生的电能可供小明家的空调(220V 5A)、电热锅(220V 40Ω)同时工作多少小时?

(2)若潍坊沿海年平均风速为8m/s,50台这样的风力发电机工作一天,获得的电能相当于完全燃烧多少吨煤?(煤的热值为3×10J/kg)

本题以“发展低碳经济,利用风力发电”为背景,考查学生利用热、电相关公式进行综合计算的能力。风力发电机产生的电能:W=Pt=16kW・h;空调的功率P=UI=1.1kW;电热锅的功率P=U/R=1.21kW;工作时间t=W/(P+P)=6.93h。一天的发电量W=Pt=1.6416×10J。燃烧煤的质量m=Q/q=W/q=5.47×10t。

三、投入低碳领域,发展朝阳产业

例3(2010浙江义乌):当今世界各国都在“低碳”领域投入大量的人力和财力,来推广和发展这一21世纪的朝阳产业。2010年2月26日,全省首个单体大容量太阳能光伏发电系统在义乌市国际商贸城四区并网发电(如图甲)。该项目的启动,显示了义乌“敢为人先”的眼光和勇气。如图乙是太阳能光伏发电系统工作示意图:

(1)太阳能收集板的能量转化情况是;

(2)为最大限度让太阳能电池板接受阳光,根据义乌的地理位置,应将它的正面朝 (选填“东”、“南”、“西”、“北”);

(3)商贸城部分区块的商位和通道亮起了利用太阳能光伏发电系统供电的“低碳灯”,根据跟踪记录,2月28日晴天,国际商贸城太阳能光伏发电系统共发电5100 kW・h,则可供多少盏额定功率为100W的“低碳灯”正常工作一小时?

本题以投入“低碳领域,发展朝阳产业”为背景,考查学生对能量转换、太阳能的利用开发,以及“低碳灯”的认识。太阳能收集板的能量转化情况是太阳能转化为电能;为最大限度地让太阳能电池板接受阳光,应将它的正面朝南;“低碳灯”正常工作一小时消耗的电能为W=Pt=0.1kW・h。“低碳灯”的盏数为5100÷0.1=51000(盏)。

四、低碳走进车展,新款汽车亮相

例4(2010重庆):近几年环保低碳风劲吹,混合动力汽车已成为众车展上的常客。2010年3月,我国自行研制的一款混合动力汽车也在北京车展上展出。混合动力汽车启动时,内燃机并不工作,动力电池通过驱动电机向车轮输送能量;当高速行驶或动力电池存储电能过低时,内燃机启动,既可以向车轮输送能量,又可以同时给动力电池充电;当车辆需要全力加速时,内燃机和动力电池还可以同时向车轮输送能量。

(1)该混合动力汽车启动时,若驱动电机两端的电压为250V,通过的电流为80A,则驱动电机的电功率为多大?

(2)该混合动力汽车所用的磷酸铁锂动力电池可存储的最大电能为2.88×10J,若充电电压为320V,充电电流为50A,则对动力电池充电的时间最长为多少?(充电时无能量损耗)

(3)该混合动力汽车在平直的公路上以72km/h匀速行驶10min后,其内燃机消耗了汽油1.2kg。假设汽油完全燃烧所释放能量的一半转换为牵引力做功和给动力电池充电,其中动力电池存储的电能增加了7.2×10J,试求汽车受到的阻力是多大?(汽油的热值q=4.6×10J/kg,且Q=mq)

本题以北京车展上展出的我国自行研制的混合动力汽车为背景,考查学生的环保低碳意识和综合应用力、热、电等知识解决实际问题的能力。驱动电机的电功率P=UI=2.1×10W;最长充电时间t=W/UI=1800s。汽油完全燃烧所释放能量的一半Q=mq/2=2.76×10J;汽车的牵引力做功=Q-W=2.04×10J;汽车的牵引力F=W/vt=1.7×10N。

五、综合利用能源,风光互补发电

例5(2010浙江衢州)在渔船上安装“风光互补发电”装置,利用太阳能电池板和风力发电机发电,以节省燃油,在舟山渔区成为现实。舟山市将在1000艘渔船上安装“风光互补发电”装置。“风光互补发电”装置由风力发电机、太阳能电池板、充电器、蓄电池等组成,太阳能电池板、风力发电机的设计寿命为20年,蓄电池约4年更换一次,项目价格如下表:

(1)“风光互补发电”装置中的风力发电机是根据什么原理来工作的?

(2)渔船通讯、导航及照明用电原来是通过燃烧柴油发电提供的,如果柴油中碳元素的质量占柴油质量的84%,且完全燃烧时全部碳元素均转化为CO,则完全燃烧1kg柴油将释放多少的CO?

(3)“风光互补发电”装置的发电功率为500W,正常工作1小时可产生多少电能?如图是不同发电方式的CO排放量,若在1000艘渔船上安装这套“风光互补发电”装置,则与燃油发电相比,一天(正常发电8h)至少减少CO排放多少千克?

(4)某同学想在自己家的屋顶上安装这套“风光互补发电”装置,若该装置平均每天正常工作8h,目前电费价格约为0.54元/kW・h,请你帮他通过计算决定是否安装这套装置。

本题以渔船上安装“风光互补发电”装置为背景,考查学生的绿色、环保、低碳意识和对新科技产品能否推广的评价能力。风力发电机是根据电磁感应原理工作的;1kg柴油中碳的质量m=0.84kg,完全燃烧成CO,碳的质量是CO质量的12/44,即全燃烧1kg柴油释放出CO的质量m1=44m/12=3.08kg。“风光互补发电”正常工作1小时产生的电能W=Pt=0.5kW・h,减少二氧化碳的排放量m2=1000×8×0.5kW・h×(0.42-0.16)kg/kW・h=1040kg。二十年电费=20×365×8×0.5kW・h×0.54元/kW・h=15768元,风光互补发电成本=5000元+4000元+1000元+2000元×5+2000元=22000元;因为风光互补发电成本高于二十年电费,所以不经济,建议暂不安装该装置

六、直面上海世博,感受低碳成果

例6(2010浙江省嘉兴):2010年世博会全面使用一种名叫LED灯的新型节能灯。使用LED灯比旧式灯泡节能90%,且发出光的颜色会随电压的变化而变化(见下表)。图乙是世博会的吉祥物――“海宝”,夜晚在LED灯的照射下,能呈现出不同的颜色,形象十分可爱。

(1)根据表中数据,当LED灯发出红光时,消耗的电功率是W。

(2)把一个LED灯接入如上图甲所示的电路中,已知电源电压为5V且保持不变,电阻R为90Ω。闭合开关后,毫安表(比安培表更精确的电流表)的读数为20mA,通过计算说明此时LED灯发出什么颜色的光?

(3)有一座“海宝”的质量为2.0×10kg,与水平地面的接触面积为0.4m,求此“海宝”对地面的压强(g取10N/kg)。

本题以上海世博会上全面使用的能节能90%的LED灯为背景,考查学生的节能意识,感受低碳成果。LED灯发出红光时消耗的电功率P=UI=1.8V×0.02A=0.036W。当毫安表的读数为20mA时,电阻R两端的电压U=IR=1.8V,LED灯两端的电压U=5V-1.8V=3.2V,查表得LED灯发出蓝光。“海宝”对地面的压力F=G=mg=2.0×10N,压强P=F/S=5×10Pa。

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