《2025年知识与能力训练九年级物理全一册人教版A版》

17. 深圳位于北回归线以南,属亚热带季风气候,日照充足。结合深圳气候特点,某学习小组开展了“环保智慧小屋”的设计活动。
【活动目的】
从能量转化的角度出发,探讨利用可再生能源的途径和方法,完成环保智慧小屋的设计。
【活动方案】
(一)测算太阳能电池板的面积；
(二)研究节能热水器；
(三)设计夏季遮光调温系统。
【实施过程】
(一)测算太阳能电池板的面积
(1)学习小组计划在房屋屋顶安装太阳能电池板给房屋供电。安装在屋顶的太阳能电池板朝南放置,这样有利于获取太阳能。
(2)深圳某天$1m^2$的太阳能电池板发电量为0.8kW·h,若当天家庭用电量为16kW·h,为了满足用电需求,太阳能电池板的面积至少为20$m^2。$
(二)研究节能热水器
学习小组了解到有一款空气能热水器,其工作原理如题17图1甲所示。液态工作介质经过蒸发器,吸收室外热空气中的热量后,蒸发成气态,进入压缩机；经压缩机压缩后,工作介质形成高温高压的气体,进入水箱中的冷凝管；释放热量后,变成液态,经过储液罐、过滤器、膨胀阀,再次回到蒸发器,开始下一个循环。
当室外温度低或需要快速制热时,热水器还需要用水箱中辅热器的电阻丝加热,从而缩短加热时间。学习小组把水从冷凝管吸收的热量与工作介质循环所消耗电能(不含辅热器消耗电能)的比值记为D。

(3)在某一环境温度下,在空气能热水器水箱中装入200kg初温为20℃的水,关闭其他用电器,记录电能表的示数为932.2kW·h,启动空气能热水器(辅热器不工作),2h后,水温达到50℃,电能表的示数如题17图1乙所示。此过程中,水吸收的热量为2.52×10⁷J,空气能热水器的电功率P为700W,则该空气能热水器的D值为5。[水的比热容取$4.2×10^3J/(kg·℃)]$
(4)学习小组为了将题(3)中的加热时间缩短至80min,需要启动水箱中的辅热器加热。若D值和电功率P(不含辅热器的电功率)均不变,辅热器两端的电压是220V,加热效率是87.5%,则该辅热器中电阻丝的阻值为12.1Ω。
(三)设计夏季遮光调温系统
由于智慧小屋四周有玻璃窗,夏季光照太强容易使屋内温度过高。该小组利用热敏电阻$R_1$和光敏电阻$R_2$设计了如题17图2甲所示电路。蓄电池的电压恒为24V,变阻器R₀的最大阻值为$1500Ω,R_1$和$R_2$的阻值变化情况如题17图2乙所示,虚线框内$R_1$和$R_2$按一定方式接入电路。

(5)闭合开关S,当户外光照强度达到题17图2乙的A点,且屋内温度升高至28℃时,电流表示数为10mA,此时卷帘装置会自动启动,拉动遮阳帘遮光。题17图2甲电路中虚线框内的电阻$R_1$和$R_2$应该串联,变阻器R₀接入的阻值为800Ω。

(6)每次遮光时,卷帘装置对遮阳帘做功4800J,用时30s,若卷帘装置的效率为80%,则卷帘装置的电功率为200W。
(7)若设定屋内温度为26℃时,卷帘装置就能拉动遮阳帘遮光,应将变阻器R₀的滑片向左端适当移动一些。
【交流与评价】
(8)学习小组根据上述活动方案完成了“环保智慧小屋”的设计,请根据以下评价量表选择一个维度对该设计进行评价节能情况：合格。
|评价维度|合格|不合格|
|节能情况|能省电|不能省电|

答案： （1）太阳能
（2）20
（3）2.52×10⁷；700；5
（4）12.1
（5）串；800
（6）200
（7）左
（8）节能情况：合格