三、实验探究题（共28 分）
16．太阳能热水器因节能环保而广泛应用。热水器由真空集热管、不锈钢保温水箱、连接管道等部件组成。集热器相当于电热水器中的电热管，保温水箱储存热水，连接管道将整套冷水、热水系统形成一个闭合的环路。实际使用中发现其效率受多种因素影响，小明思考:太阳能热水器效率与什么因素有关?
他猜想:与太阳能热水器的倾角、光照时间和水的质量有关。
为此，小明开展“影响太阳能热水器效率的因素”探究实验，装置如图所示。他采用同一太阳能热水器，在不同条件下进行测试，并记录相关数据如表所示：
实验序号 太阳能热水器的倾角 光照时间/h 水的质量/kg 水升高的温度/℃
1 30° 2 10 10
2 45° 2 10 15
3 45° 3 10 20
4 45° 2 20 8
请你解答下列问题:
（1）该实验通过比较判断太阳能热水器效率高低。
（2）分析实验1 和2，初步得出结论：在光照时间和水的质量相同时，太阳能热水器的倾角越大，太阳能热水器的效率越高。
（3）分析实验2 和3，可初步得出结论：。
（4）要探究“水的质量对太阳能热水器效率的影响”，应选择实验进行对比。
（5）实验4中，水的质量比实验2多，但水升高的温度却低。从能量转化和比热容相关知识的角度分析，这样的数据合理吗?并说明理由。
（6）除了上述列出的因素，还有哪些因素可能会影响太阳能热水器的效率?请至少说出两个因素：。
【答案】 水升高的温度 见解析 2和4 见解析 见解析
【详解】（1）[1]由转换法可知，实验通过比较水升高的温度判断太阳能热水器效率高低，水升高的温度越高，则太阳能热水器效率越高。
（3）[2]分析实验2 和3，太阳能热水器的倾角和水的质量相同，第3次光照时间较长，水升高的温度较高，太阳能热水器效率较高，可以得到在太阳能热水器的倾角和水的质量相同时，光照时间越长，太阳能热水器效率越高。
（4）[3]要探究“水的质量对太阳能热水器效率的影响”，保持太阳能热水器的倾角和光照时间相同，水的质量不同，选择实验2 和4。
（5）[4]实验2 和4中太阳能热水器工作时，将太阳能转化为内能，光照时间相同，热水器中水吸收的热量相同，实验4中，水的质量比实验2多，根据Q=cmΔt可知，热量和比热容相同，升高的
温度和质量成反比，所以水升高的温度会降低。
（6）[5]光照强度（太阳辐射强度）：强光下集热管吸收能量更快。环境温度：低温环境会导致保温水箱散热加快。所以影响太阳能热水器的效率可能有光照强度、环境温度等。
17．太阳能路灯因节能环保、安装方便等优点，得到了广泛的应用。图中这款路灯安装有太阳能电池板及蓄电池，白天对蓄电池充电，夜晚蓄电池给路灯供电。实践小组想探究太阳能电池板吸收太阳能的多少与哪些因素有关，猜想如下：
猜想1：可能与太阳能电池板的光照时间有关；
猜想2：可能与太阳能电池板的面积有关；
根据以上猜想设计实验：他们在将蓄电池内电量用完后，用面积不同的太阳能电池板正对太阳光，照射一段时间对蓄电池充电，然后用蓄电池给LED 灯供电直到LED 灯熄灭，实验记录数据如表：
序号 电池板的面积/m2 光照时间/min LED 灯的发光时间/min
1 0.1 10 30
2 0.1 20 60
3 0.1 30 90
4 0.2 10 60
5 0.3 10 90
(1)通过反映太阳能电池板吸收太阳能的多少；
(2)分析三组实验可对猜想2 进行验证；
(3)近期，我国实现技术突破，研发出炫彩太阳能电池板，打造出日间遮阳、夜间照明等多功能的彩虹长廊。根据以上信息，请你提出一个可探究的科学问题。
【答案】(1)LED 灯的发光时间；(2)1、4、5
(3)太阳能电池板吸收太阳能的多少与电池板颜色是否有关？
【详解】（1）由题意可知，太阳能电池板吸收太阳能的多少是通过LED 灯的发光时间来体现的，发光时间越长，说明吸收的太阳能越多。
（2）根据控制变量法的要求，要验证猜想2，应改变电池板的面积相同，保证光照时间相同，故表中1、4、5 三组实验的数据符合要求。
（3）由题意可知，利用不同颜色的太阳能电池板构成顶棚，可打造彩虹长廊，因此可提出的科学探究问题是：太阳能电池板吸收太阳能的多少与电池板颜色是否有关？
18．据统计，我省光伏发电输出创历史新高，光伏发电的核心部件是光电板。光电板吸收太阳能的多少是技术关键，它与什么因素有关？小明猜想光电板吸收太阳能的多少可能与光电板的面积、光照时间、光电板的颜色有关。根据以上猜想，小明设计实验方案，进行了实验探究，实验数据记录如表所示：
序号 光电板的面积（m2） 光照时间（min） 光电板表面所涂颜色 LED 灯发光时间（min）
1 0.1 10 黑色 30
2 0.1 20 黑色 60
3 0.3 10 黑色 90
4 0.3 10 白色 5
(1)该实验中光电板吸收太阳能的多少是通过反映。
(2)由表中1、3 两组数据，可初步得到的结论是。由表中数据分析可知，制作太阳能光电板用色较好。
(3)在安装光伏板时，需综合考虑地理位置、季节及光伏板类型等多重因素。季节变化亦需考虑，
夏季可适当增大角度避免过热，冬季则可减小角度以充分吸收阳光。根据以上信息，请你提出一个可探究的科学问题：。
【答案】(1)LED 灯发光时间；(2) 光电板吸收太阳能的多少与光电板的面积有关 黑
(3)光电板吸收太阳能的多少是否与光电板的角度有关
【详解】（1）通过比较表格中的数据可知，该实验中光电板吸收太阳能的多少是通过LED 灯发光时间反映。
（2）[1]由表中1、3 两组数据，即它们的面积不同，光照时间和颜色相同，LED 灯发光时间不同，可初步得到的结论是光电板吸收太阳能的多少与光电板的面积有关。
[2]由表中3、4 数据分析可知，制作太阳能光电板用黑色较好。
（3）在安装光伏板时，需综合考虑地理位置、季节及光伏板类型等多重因素。季节变化亦需考虑，夏季可适当增大角度避免过热，冬季则可减小角度以充分吸收阳光。根据以上信息，可提出一个可探究的科学问题：光电板吸收太阳能的多少是否与光电板的角度有关。
19．“吹泡泡”是一项简单又有趣的游戏。把一根塑料笔杆的一端在肥皂液中蘸一下，从笔管的另一
端吹，即可吹出美丽的泡泡。爱动脑筋的小晋产生了一个疑问：泡泡的产生究竟与哪些因素有关呢？他和他的实验小组成员对此进行了研究。小晋猜想：泡泡的产生可能与吹泡泡用的管子粗细有关。在肥皂液及其他条件都不变的情况下，他设计并进行了实验，记录结果如表：
液体 肥皂液
管子直径/cm 3 5 10 20 50
泡泡产生的情况 容易 较易 较难 难 不产生
(1)通过对上表的分析，可以得出的结论是：；
(2)对于上述问题，你还有什么猜想：。为验证自己的猜想，实验时应选取（选填“相同”或“不同”）粗细的管子。
【答案】(1)在肥皂液及其他条件都不变的情况下，管子直径越大，越难产生泡泡
(2) 泡泡的产生可能与液体浓度有关 相同
【详解】（1）分析表格中实验情况可知，在肥皂液及其他条件都不变的情况下，管子直径越大，越难产生泡泡。
（2）[1][2]泡泡产生的难易程度还可能与液体的浓度、液体种类、管子长度有关，根据控制变量法，为验证以上猜想，实验时应选取相同粗细的管子。
20．太阳能交通信号灯是利用太阳能电池板工作的设备，太阳能电池板产生的电压能为信号灯稳定供电。在安装太阳能交通信号灯时，需要调整太阳能电池板的朝向和倾斜角度。如图是实验用的太阳能电池板，请你结合以上信息提出一个可探究的科学问题，并写出可操作的实验方案。
【答案】见解析
【详解】可探究的科学问题：太阳能电池板在不同朝向时产生的电压有何不同？实验方案如下：
实验材料和设备：实验用太阳能电池板、可调节方向的支架、电压表、模拟信号灯、指南针。实验步骤
1、准备：将太阳能电池板安装在方向可调的支架上，用电压表连接太阳能电池板，用于测量输出电压，将模拟信号灯与太阳能电池板连接，观察信号灯的亮度来评估供电效果。特别注意：太阳能电池板的安装角度固定。
2、探究不同朝向的影响：保持太阳能电池板的倾斜角度不变，通过指南针调整太阳能电池板的朝向，分别设置为正东、正南、正西、正北，东南、西南、东北、西北等不同方向，在同一时间、同一位置、相同天气条件下，记录每个朝向时太阳能电池板产生的电压以及模拟信号灯的亮度。
3、多次测量：为了减少误差，在每个朝向，进行多次测量并记录数据。
4、分析太阳能电池板在哪个朝向产生电压最大。
21．【项目提出】牛顿学习小组开展了“设计隔热节能房屋”跨学科实践活动。
【项目分析】要进行房屋的隔热节能设计，需要完成以下任务：（1）选择合适的隔热材料；（2）
选择合适的热水器；（3）安装面积适当的太阳能电池板。
【项目实施】
（一）选择合适的隔热材料
选取厚度相同的三种不同材料制成大小、形状和结构一致的三个房屋模型、用白炽灯模拟太阳光，摆放情况如图甲所示。实验时发现摆放位置不合理，调整后继续实验。将温度传感器置于模型内相同位置，实时记录温度并绘制出图乙所示的温度-时间关系图像。
（1）图甲中，三个房屋模型应摆放到与白炽灯（选填“相同”或“不同”）距离处。
（2）分析图乙的图像可知：应选择做房屋的隔热材料，（二）选择合适的热水器
小组成员查阅了一款空气能热水器的资料，其工作原理如图：液态制冷剂经蒸发器吸收室外热量发生汽化，形成的气体通过压缩机变成高温高压气体、进入水箱冷凝管后放热液化，最后经过储液罐、过滤器、膨胀阀回到蒸发器，开始下一个循环。测试状态下，消耗1 份电能驱动压缩机运行，可从空气中转移4 份热量到水中。
水从冷凝管吸收的热量与热水器消耗电能的比值叫做该空气能热水器的COP 值（制热系数）、COP值越高制热效率越高、越节能。若室外温度低或需快速制热，水箱辅热器的电热丝工作、导致COP值将低于预期效果。
（3）测试状态下、该空气能热水器的COP值为。
（4）研究表明：在我国南方地区和北方地区，用同一型号的空气能热水器获得相同质量的热水、南方地区的COP 值明显高于北方地区，因此空气能热水器更适合在南方地区使用。综合以上信息，提出一个可探究的科学问题：，
（三）安装太阳能电池板
（5）小组成员网购了一块标有“3V”字样的太阳能电池板，如图所示。他们猜想：太阳能电池板的电压可能与光照面积、光照强度等因素有关。请添加器材设计一个可操作的实验方案，探究太阳能电池板的电压与光照面积是否有关。( )
（6）本地区某天1m²太阳能电池板的发电量为0.8kW•h。当天家庭用电量为16kW•h，若只用太阳能电池板供电，则满足用电需求的太阳能电池板的面积至少为m²。
【答案】 相同 泡沫板 4 空气能热水器的COP 值与室外温度有什么关系
见详解20
【详解】[1]实验需要控制变量，确保三个模型受到的光照强度相同，因此应摆放在与白炽灯相同距离处。
[2]图乙中，温度-时间曲线越平缓（温度上升越慢），说明隔热性能越好。泡沫板房屋内温度随时间升温慢，说明泡沫板的隔热性能好，应选择隔热性能最好的材料泡沫板作为房屋隔热材料。
[3]空气能热水器在测试状态下消耗1 份电能，可以从空气中转移4 份热量到水中。因此，水从冷
凝管吸收的热量为4 份，消耗的电能为1 份。COP 值的计算公式为COP =消耗的电能(水吸收的热量)= = 4
所以，该空气能热水器的COP值为4 。
[4]根据题目信息，南方地区的COP 值明显高于北方地区，且室外温度低时COP 值会降低。因此，可以提出以下可探究的科学问题：空气能热水器的COP 值与室外温度有什么关系？为什么空气能热水器在南方地区的COP 值高于北方地区？
[5]要探究太阳能电池板的电压与光照面积是否有关，需要控制光照强度等其他因素不变，只改变光照面积，并测量太阳能电池板的电压。
实验方案：
器材：太阳能电池板、不同面积的遮光板（或可调节面积的光照装置）、电压表、导线等。
步骤：
将太阳能电池板与电压表连接，测量其在无光照时的初始电压（应为0V）。
用遮光板（或可调节面积的光照装置）遮挡太阳能电池板的一部分，使其光照面积为某一特定值，记录此时电压表的示数。
逐渐改变遮光板的面积（或调节光照装置的面积），使太阳能电池板的光照面积发生变化，每次改变后都记录电压表的示数。
重复实验多次，取平均值以减小误差。
数据分析：比较不同光照面积下太阳能电池板的电压值，分析电压与光照面积的关系。如果电压随光照面积的减小而降低，则说明太阳能电池板的电压与光照面积有关；否则无关。
[6]所需太阳能电池板的面积为面积
四、科普阅读题（共12 分）
22．阅读短文，回答问题。
月球太阳能电站
“嫦娥一号”的成功发射引起了人们对月球的科学兴趣。随着对月球了解的深入，一些科学家预言：月球必将成为人类未来的能源基地。按照一些科学家的设想，利用月球正面太阳光充足、地域广阔的特点，在月球上建设的大型太阳能电站，可克服在地球上受天气影响、提供的功率小等缺点。在月球上产生的电能经微波转换器将电流转换成微波，并通过天线将电能以微波的形式向地面发送，地面接收站通过天线把微波能还原成电能，如图甲所示，这样就解决了电能的输送问题。
我国的“嫦娥”系列登月车利用太阳能电池提供能量。如图乙所示是太阳能电池板工作原理的示意图：当太阳光照射到组成太阳能电池叠在一起的两片不同的半导体表面时，会产生光电效应，从而使电路中产生电流。太阳光照射到电池板每平方米面积上的辐射功率为1.5×104W，光电转化效率为18%。
请回答下列问题：
(1)太阳发出的巨大能量来源于太阳内部的氢原子核发生的（选填“核聚变”或“核裂变”）反应；
(2)月球太阳能电站相对于月球表面是（选填“运动”或“静止”）的。若从月球发出的微波信号经1.28s到达地球。则月球与地球间的距离约等于m；（设微波在真空和空气中的传播速度均为3.0×105km/s）
(3)太阳能电池工作时的能量转化情况：。
(4)在月球上一块接收面积为2m2的太阳能电池板，它的发电功率是W；
(5)若月球电站的总发电能力为6×109kW，利用微波传输电能的输电效率为80%。则地面接收站1h接收到的电能相当于完全燃烧kg 煤放出的热量（煤的热值为3.0×107J/kg）。
【答案】(1)核聚变；(2) 静止 3.84×108；(3)太阳能转化为电能；(4)5.4×103 ；(5)5.76×108
【详解】（1）核聚变是指在极高的温度和压力下，发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式；而核裂变是重原子核分裂成两个或多个质量较小的原子核的过程。太阳内部的氢原子核在高温高压的环境下发生聚变，在此过程中释放出巨大的能量。
（2）[1]月球太阳能电站相对于月球的位置没有发生变化，月球太阳能电站相对于月球表面是静止的。
[2]微波在真空和空气中的传播速度均为v = 3.0×105km/ s = 3.0×108m/ s则月球与地球间的距离s =vt = 3×108 m/ s×1.28s = 3.84×108 m
（3）太阳光照射下，太阳能电池使用时消耗太阳能，产生电能，故太阳能电池工作时是将太阳能转化为电能。
（4）已知太阳光照射到电池板时每平方米面积上的辐射功率为1.5×104W，此太阳能电池板的面积为2m2，则此太阳能电池板的辐射功率为P辐 = 2×1.5×104 W = 3×104 W
光电转化率为18%，故它的发电功率P发 = P辐η = 3×104 W×18% = 5.4×103 W
（5）月球电站的发电能力为6×109kW，输电效率可达80%，则地面接收站1h 接收到的电能Q = Ptη = 6×109kW ×3600s×80%＝1.728×1016J
相当于完全燃烧煤的质量
23．请根据下述材料，回答下列问题：
潮汐发电
在海湾或有潮汐的河口，可见到海水或江水每天有两次的涨落现象，早上的称为潮，晚上的称为汐。潮汐现象主要是由月球、太阳的引潮力以及地球自转效应所造成。涨潮时，大量海水汹涌而来，水位逐渐升高；落潮时，海水奔腾而去，水位陆续下降。每天海水涨潮、退潮各两次，涨潮与退潮一般间隔6小时。海水在运动时所具有的动能和势能统称为潮汐能。潮汐是一种蕴藏量极大、取之不尽、用之不竭、不需开采和运输、洁净无污染的新型能源。
潮汐能的主要利用方式是潮汐发电。潮汐发电是水力发电的一种。在有条件的海湾或有潮汐的河口建筑堤坝、闸门和厂房，围成水库，水库水位与外海潮位之间形成一定的潮差，从而可驱动水轮发
电机组发电。如图所示是潮汐发电的原理图。与普通的水利发电的不同在于海水与河水相比，海水落差不大，但流量较大，并且呈间歇性。
潮汐电站一般有三种类型，“单库双向型”就是其中之一，即用一个水库，涨潮与落潮时均可发电，只是在水库内外水位相同的平潮时不能发电。位于我国浙江省的江厦潮汐电站就是一个单库双向型电站，建成于1980 年5月，总装机容量为3200kW，年发电量约为107kWh，为世界第三大潮汐发电站。
(1)潮汐发电过程中把海水的能转化为电能，一个单库双向型潮汐电站一天可以发电次。
(2)潮汐能属于能源。（选填“可再生”或“不可再生”）
(3)假设海湾水库面积为5×108m2，平均潮差为5m，海水密度为1.0×103kg/m3，g 取10N/kg，则单次落潮的过程中水所受到的重力做的功为J。
【答案】(1) 机械 4；(2)可再生；(3)6.25×1013
【详解】（1）[1]潮汐能的特点是海水的运动，运动的物体具有机械能，所以潮汐发电是将海水的机械能转化为电能。
[2]每天海水涨潮、退潮各两次，涨潮与落潮时均可发电，只是在水库内外水位相同的平潮时不能发电，则一个单库双向型潮汐电站一天可以发电4次。
（2）潮汐能可以源源不断地获得，属于可再生能源。
（3）单次落潮的过程中从水库流出的海水的体积为V = Sh = 5×108 m2×5m = 2.5×109 m3根据公式m = PV可知，海水的质量为m =PV = 1.0×103kg / m3 ×2.5×109m3= 2.5×1012kg
根据公式G＝mg 可知，海水的重力为G＝mg= 2.5×1012kg ×10N/kg= 2.5×1013N
由于潮差是水位变化的总高度，海水下落时重心下降的高度可以近似为潮差的一半，则海水下落高度为
根据公式W = Fs可知，单次落潮的过程中水所受到的重力做的功为W = Fs = Gh = 2.5×1013N×2.5m = 6.25×1013 J
