专题08 电能与光能的转化模型 -【常考必刷】 2022中考物理常考计算题（能量的转化效率问题专题）之经典模型培优练习 （解析版）.docx

1、专题08 电能与光能的转化模型1目前，许多城市的十字路口都安装了太阳能红绿灯。白天太阳能电池板给红绿灯供电，同时多余的电能又给蓄电池充电。在阴雨天和晚上蓄电池又给红绿灯供电，使红绿灯能连续工作。其主要参数见表所示。那么，若太阳能电池板每天有效受光时间为6h，每平方米的面积上太阳辐射的功率为103 W，则（1）这种太阳能电池板每天获得的电能为多少焦耳？（2）若太阳能红绿灯由红、黄、绿三灯组成，每天获得的电能可使它连续正常工作40h，则太阳能红绿灯正常工作时的功率是多大？光电转换效率有效受光面积S灯泡额定电压U40%0.5m224V【答案】（1）4.32106J ；（2）30W【详解】解：（1）太

2、阳能电池板每天获得的总能量W总=P1t1=103W/m20.5m263600s=1.08107J根据光电转换效率公式可得，每天获得的电能W电=W总=1.08107J40%=4.32106J（2）太阳能红绿灯正常工作时的功率为答：（1）这种太阳能电池板每天获得的电能为4.32106J；（2）太阳能红绿灯正常工作时的功率是30W。2随着人们环保意识的提高，“风光互补路灯”（如图所示）得到了广泛的应用。它既能通过太阳能电池板充电，又能通过风力发电机充电，为延长蓄电池的使用寿命，一般充电至90%左右即停止充电，放电余留20%左右即停止电能输出。下表为某型号风光互补路灯系统配置方案的相关参数：（1）仅靠

3、蓄电池供电，最多可供灯具正常发光多长时间？（2）若当地太阳辐射功率（1 h内投射到1 m2面积上的太阳能）为3.0106 J/（m2h），求太阳能电池的光电转化效率。（3）当风速为6 m/s时，风力发电机的输出功率将变为50 W。在这种风速下，持续光照12 h，蓄电池的电量由20%充到了70%。求此过程中太阳能电池板发电的平均功率。风力发电机太阳能电池组件LED路灯蓄电池容量额定风速10m/s总面积电池板1.44m2额定电压12V400Ah额定输出功率400W额定输出功率180W额定功率80w【答案】（1）60h；（2）；（3）【详解】解：（1）仅靠蓄电池供电，最多可供灯具正常发光的时间（2）

4、若当地太阳辐射功率（1 h内投射到1 m2面积上的太阳能）为3.0106 J/（m2h），太阳吸收的太阳能为太阳能电池的光电转化效率（3）当风速为6 m/s时，风力发电机的输出功率将变为50 W，风力发电机的储存的电能为蓄电池的电量由20%充到了70%，所蓄的电能为此过程中太阳能电池板发电的电能为此过程中太阳能电池板发电的平均功率答：（1）仅靠蓄电池供电，最多可供灯具正常发光的时间为60h；（2）太阳能电池的光电转化效率为15%；（3）此过程中太阳能电池板发电的平均功率为。3如图所示是太阳能LED路灯，白天有日照时，电池板将太阳能转化为电能并储存在锂电池中，晚上锂电池给LED路灯系统供电提供照

5、明，已知：太阳能电池板输出参数为“20V 5A”，有效面积为0.5m2；正常日照时，太阳每秒辐射到每平方米电池板上的能量为0.8103J（即为0.8103W/m2）。（1）若每天正常日照8h，锂电池一天可以储存多少电能？（2）该太阳能电池板的光电转换效率为多少？（3）若路灯每晚从20：00持续工作到凌晨5：00，为了节能，LED路灯系统安装雷达感应装置，20：00至24：00人群活动密集时功率为20W，24：00至凌晨5：00夜深人静时功率为4W，已知锂电池最多能储存3.24106J的电能，则允满电可以提供LED路灯系统在阴雨天（无日照）持续工作多少个晚上？【答案】（1）；（2）25%；（3）

6、9【详解】解：（1）若每天正常日照8h，锂电池一天可以储存电能（2）光电转换效率为（3）一天消耗电能工作天数答：（1）若每天正常日照8h，锂电池一天可以储存电能；（2）该太阳能电池板的光电转换效率为25%；（3）持续9天。4在第19届中国北京科技产业博览会上，一项“中国原创”重大发明成为世界媒体的焦点！全新亮相的“巴铁”（如图）吸引了世界的关注。“巴铁”是一种采用电力驱动的大运量宽体高架电车，上层载客，下层镂空，马路上的小汽车在它的“肚子”里自由穿行。设计最快时速，“巴铁”牵引机系统采用直流电动机作动力，车顶层覆盖太阳能光伏系统，为车内照明系统提供电能，其相关技术参数如下：动力系统电机额定电压

7、电机平均工作电流车体总长有效载货直流车载光伏系统光伏电池有效面积光伏电池的光电转换效率照明系统总功率20%（1）如果“巴铁”正在以54km/h匀速行驶在笔直的马路上，一辆长2m的小汽车同向以72km/h的速度匀速通过巴铁的“肚子”，需多长时间？（2）若行驶中的巴铁总质量为60t，则以最快速度匀速行驶，所受阻力为巴铁总重7.5倍，巴铁牵引机的功率为多少？（3）为满足“巴铁”的照明系统同时正常工作，则光伏电池每平方米每小时需获得的太阳能为多少焦？【答案】（1）10s；（2）9104W；（3）4.5105J【详解】解：（1）巴铁速度v1=54km/h=15m/s汽车速度v2=72km/h=20m/s

8、小汽车完全通过巴铁的“肚子”时间（2）巴铁以最快速度匀速行驶时，牵引力F=f=7.510-3G=7.510-3mg=7.510-360103kg10N/kg=4500N巴铁最快速度为72km/h，即20m/s，巴铁牵引机的功率P=Fv3=4500N20m/s=9104W（3）照明系统同时正常工作1h消耗的电能W1=Pt1=2kW1h=2kWh总共获得的太阳能则光伏电池每平方米每小时需获得的太阳能为答：（1）时间为10s；（2）巴铁牵引机的功率9104W；（3）光伏电池每平方米每小时需获得的太阳能为4.5105J。5城区某街道两旁安装了风光互补路灯，该路灯系统同时安装了太阳能电池板和风力发电机，

9、有阳光时通过太阳能电池板发电，有风时通过风力发电机发电，并将电能储存至蓄电池中，为了节能该路灯采用LED灯照明。下表为某型号风光互补路灯系统的部分技术参数，其中光电转化效率是指太阳能电池板将光能转化为电能的效率，蓄电池容量是指蓄电池放电电流与放电总时间的乘积，最大输出功率是指风速达到最大限制风速时风力发电机的输出功率。太阳能电池板风力发电机蓄电池LED灯电池板的总面积0.8m2最大限制风速12m/s电池容量250Ah额定电压24V光电转化效率15%最大输出功率150W额定电压12V额定功率200W(1)蓄电池充足一次电可储存的能量是多少？(2)在有风晴天，光照5h，风吹10h，太阳能电池板和风

10、力发电机发电总和是多少？设太阳光照射到地面时单位面积上的辐射功率为1200W/m2，风速达到最大限制风速。(3)街道两旁安装了100盏该型号风光互补路灯，每天正常工作10h，一个月消耗的电能相当于完全燃烧煤炭多少？（煤炭热值，一个月按30天算）【答案】(1)；(2)；(3)360【详解】(1)根据电能计算公式可知(2)根据光电转化效率可知光能转化成的电能为风能转化成的电能为则总的电能为(3)互补路灯下，一个月消耗的电能为根据热值计算公式可知答：(1)蓄电池充足一次电可储存的能量是；(2)太阳能电池板和风力发电机发电总和是；(3)一个月消耗的电能相当于完全燃烧煤炭360kg。6如图是一种配有风力

11、发电机和太阳能电池板的新型路灯，路灯的额定功率为0.12kW，光电池接收太阳光辐射的功率为1kW，吹向风力发电机叶片上的风功率与风速之间的关系如下表所示，风能转化为电能的效率为4%，光电池将光能转化为电能的效率为光。风速（m/s）2468101216风功率（W）151254201000200033758000(1)无风的晴天，光照6h，太阳能电池板产生的电能可使路灯正常工作10h，则路灯消耗的电能是多少kWh？光电池将光能转化为电能的效率光为多大？(2)在有风的晴天，经3h的光照和风吹，路灯可正常工作7h，则当时的风速为多大？【答案】(1)1.2kWh；20%；(2)10m/s【详解】(1)已

12、知，路灯工作消耗的电能为光照，光电池接收的太阳能为光电池将光能转化为电能的效率为(2)路灯工作消耗的电能为光照，光电池接收的太阳能为根据公式可知光电池产生的电能为风力发电机产生的电能为根据公式，可知消耗的风能为风的功率为根据风功率与风速之间的关系可知此时的风速为10m/s。答：(1)无风的晴天，光照6h，太阳能电池板产生的电能可使路灯正常工作10h，则路灯消耗的电能是1.2kwh；光电池将光能转化为电能的功率为20%；(2)在有风的晴天，经3h的光照和风吹，路灯可正常工作7h，则当时的风速为10m/s。7为响应市政府提出的“创建海绵型城市”的号召，小科设计了如图所示的市政自动排水装置模型，控制

13、电路由电压为12V、最大容量为6000mAh的蓄电池供电，蓄电池用“发电玻璃”制成的太阳能电板充电。R0为定值电阻，R为压敏电阻，压敏电阻通过杠杆ABO与圆柱形浮体相连，压敏电阻的阻值随压力变化的关系如下表：（压板、杠杆和硬质连杆的质量及电磁铁线圈电阻忽略不计，所用绿灯红灯及排水泵的额定电压均为220V）压敏电阻受到的压力F/N60120180240300360420480压敏电阻R阻值/400260180125100806555(1)按照设计要求，当水位上升到浮体刚好全部浸入水中时，压敏电阻受到压力为360N，通过电磁铁线圈的电流为100mA，排水泵启动；定值电阻R0的阻值为多少_？该浮体重

14、力为10N，浮体刚好全部浸入水中时受到的浮力为多少N_？(2)在实际调试过程中，小科发现水位已达到安全位置上限，但排水装置还未启动。如果在其他条件保持不变的前提下，要使排水装置符合设计要求，应该将与压敏电阻相连的压板向_（填“左”或“右”）移动；(3)若选用额定功率为5kW的排水电动机，排水泵机械效率为80%，工作2小时能将多少kg的水抽到6米高处_？（g=10N/kg）(4)“发电玻璃”面积为0.2m2，其光电转化率为10%，要对没有电的控制电路蓄电池充满电需要多少小时_？（太阳能辐射到每平方米地面上的平均功率按1kW计算）【答案】 40 100N 右 6米 3.6【详解】(1)当浮体刚好全

15、部浸入水中时，压敏电阻受到压力为360N，通过电磁铁线圈的电I=100mA=0.1A由表中数据知，此时压敏电阻的阻值R=80，因串联电路中总电阻等于各分电阻之和，所以由可得定值电阻R0的阻值设此时连杆对A端的作用力为FA，压敏电阻对B处的作用力为FB，由杠杆的平衡条件可得由力作用的相互性可知，A端对浮体向下的压力由力的平衡条件可得，此时浮体受到的浮力(2)制作压敏电阻的材料属于半导体；在实际调试过程中，小科发现水位已达到安全位置上限，但排水装置还未启动，则控制电路的电流太小，如果在其他条件保持不变的前提下，要使排水装置符合设计要求，应减小控制电路中的电阻以增大控制电路中的电流，由表格数据可知，

16、应增大压敏电阻受到的压力，在A端作用力和动力臂不变的情况下，由杠杆平衡条件知，将压板向右移动时，减小了阻力臂，可增大对压敏电阻的压力。(3)由可得，排水电动机工作2h消耗的电能电动机消耗的电能转化为水的机械能由W=Gh=mgh可得，能抽到6m高处水的质量(4) )蓄电池充满电时储存的电能因发电玻璃的光电转化率为10%，所以发电玻璃接收到的太阳能由E=PSt可得蓄电池充满电需要的时间答：(1)定值电阻R0的阻值为40；该浮体重力为10N，浮体刚好全部浸入水中时受到的浮力为100N；(2)应将压板向右移动；(3)工作2小时能将4.8105kg的水抽到6米高处；(4)要对没有电的控制电路蓄电池充满电

17、需要3.6小时。8风光互补路灯系统同时安装了风力发电机和太阳能电池板，有风时通过风力发电机发电有阳光时通过太阳能电池板发电，并将电能储存至蓄电池中，供路灯照明使用蓄电池充满电后不再充电，使用时放电至余留20%停止电能输出，可使蓄电池使用寿命更为长久下表为某型号风光互补路灯系统的部分技术参数，其中光电转化效率是指太阳能电池扳将光能转化为电能的效率，蓄电池容量是指蓄电池放电电流与放电总时间的乘积，最大输出功率是指风速达到最大限制风速时风力发电机的输出功率（1）风力发电机是根据_原理发电的，利用风力发电时，是将_能转化为电能（2）当太阳光照射到电池板表面处每平方米的功率为1000W时，太阳能电池板的

18、输出功率为_W（3）已知风力发电机的输出功率P与风速v的三次方成正比，若风力发电机的输出功率为50W此时风速为_m/s（4）充满电的蓄电池以额定电压对外供电，输出功率为100W时，为使蓄电池的使用寿命更为长久，持续供电的时间不能超过_h（5）某城市一道路的路灯采用该型号风光互补路灯照明，已知路灯的规格为“12V、70 W”路灯共1000盏，每天正常工作10 h，则一天消耗的电能为_kWh【答案】 电磁感应 机械能 80 6 14.4 700【详解】(1)12风力发电机是根据电磁感应原理发电的,，利用风力发电时，是将机械能(风能)转化为电能；(2)3电池板吸收的太阳能的功率：P=1000W/m2

19、0.5m2=500W，太阳能电池板的输出功率：P=16%500W=80W；(3)4根据题意可知：=所以风速：v=6m/s，(4)5P=UI，I=，使用时放电至余留20%停止电能输出,放电量：Q=150Ah(120%)=120Ah，放电时间：t=14.4h.(5)6 一天消耗的电能为：W=Pt=701000。9有一种太阳能路灯（电路如图所示），白天，光控开关S1与触点a接触，太阳能电池板为蓄电池充电；晚上，光控开关S1与触点b接触，给路灯供电时间控制开关S2，晚上12点前与触点c接触，主灯发光，12点后与触点d接触，副灯发光主灯为“24V 15W”的节能灯，副灯为“24V10W”的节能灯，平均每

20、天各工作6小时求：（1）路灯正常工作一天消耗的电能是多少千瓦时？（2）已知太阳能电池板的面积为0.5m2，每平方米平均收集功率为1.5kW，若太阳光照射10小时能使路灯正常工作5天，求太阳能电池板光电转化效率（3）请举出这种太阳能路灯的两个优点【答案】（1）0.15kWh（2）10%；（3）太阳能路灯的优点：采用太阳能电池可以节约电能；主灯和副灯切换工作，也节约电能；太阳能零排放、无污染、取之不尽等【详解】（1）主灯一天消耗的电能为：副灯一天消耗的电能为：一天共消耗电能：（2）电池板10小时收集的电能为：路灯正常工作5天消耗的电能为：太阳能电池板光电转化效率：（3）太阳能路灯的优点可以从节能环

21、保的角度分析，且太阳能为可再生能源，故优点可总结为：采用太阳能电池可以节约电能；主灯和副灯切换工作，也节约电能；太阳能零排放、无污染、取之不尽等故答案为（1）0.15kWh（2）10%；（3）太阳能路灯的优点：采用太阳能电池可以节约电能；主灯和副灯切换工作，也节约电能；太阳能零排放、无污染、取之不尽等点睛：注意新能源的普遍性特点，是近几年考试的重点内容，如资源丰富，普遍具备可再生特性，可供人类永续利用；且不含碳或含碳量很少，对环境影响小，即无污染，所以人类目前大力发展新型能源10如图是一种建在太空的太阳能电站向地球上固定区域供电的示意图.在太阳能收集板上铺设太阳能电池.通过 光电转换把太阳能转

22、换成电能.再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. (1)如果太阳能电池的硅片能提供的电能为12 kwm2,巨大的太阳能收集板的总面积为5106m.则太阳能电站的发电能力是多少千瓦? (2)利用微波传输电能.实现了“无缆输电 .输电效率可达80%.若微波输电采用的频率是2450 MHz.求微波的波长及地面接收站接收到的电能.【答案】（1）6107kW（2）0.12m和4.8107kW【详解】因太阳能电池的硅片能提供的电能为12kW/m2，巨大的太阳能收集板的总面积为5106m2，可得太阳能电站的发电能力P=P0S=1.2

23、104W/m25106m2=61010W=6107kw微波的波长等于波速与波长的比值即波长=3108m/s/2450106Hz=0.12m地面接收站接收到的电能是P=P=6107kw0.8=4.8107kw11目前很多城市已经使用了风光互补路灯系统如图所示，它具备了风能和太阳能产品的双重优点：该系统既可以通过太阳能电池组独立发电并储存在蓄电池，也可以通过风力发电机独立发电并储存在蓄电池；在风、光都具备时可以同时发电。某种型号的风光互补路灯技术参数如下：风力发电额定功率风力发电额定风速风力发电机启动风速路灯额定电压路灯额定功率太阳能电池板平均输出功率260W8m/s3m/s24V60W100W（

24、1）假设路灯每晚工作10h，求路灯正常工作时每晚消耗的电能。（2）如果太阳光照射到地面时的辐射功率为800J/（sm2）（1s 辐射在每1m2上的光能为800J），若太阳能电池板的面积为1.25m2，太阳能电池光电转换效率为多大？（3）在平均风速为8m/s 的晚上，风力发电机除了保障路灯正常工作外，同时还给蓄电池充电，如果风力发电机一晚上工作时间为8h，则在这段时间内蓄电池储存电能是多少kWh？（4）已知风力发电机的输出电功率P与风速v的平方成正比我市沿海风速不低于4m/s 的时间每年不少于4000h，试估算这台风光互补路灯系统利用风能的最小年发电量是多少KWh？【答案】（1）0.6；（2）1

25、0%；（3）1.6；（4）260【详解】解：(1)路灯正常工作时每晚消耗的电能(2)太阳能电池板接收到的总功率P总= 800J/(sm2)1.25m2=1000W太阳能电池板平均输出功率P出=100W，所以光电转换效率为(3)蓄电池可储存的电能W=(P额P灯)t=(26010-3kW6010-3kW)8h =1.6kWh(4)根据题意有当风速为4 m/s时风力发电机输出功率所以最小年发电量约为12如图是一种配有风力发电机和太阳能电池板的新型路灯，路灯的额定功率为0.12kW，光电池接收太阳光辐射的功率为1kW，吹向风力发电机叶片上的风功率与风速之间的关系如下表所示，风能转化为电能的效率为4%，

26、光电池将光能转化为电能的效率为光。 风速（m/s）2468101216风功率（W）151254201000200033758000（1）无风的晴天，光照6h，太阳能电池板产生的电能可使路灯正常工作10h，则路灯消耗的电能是多少kWh？光电池将光能转化为电能的效率光为多大？（2）在有风的晴天，经3h的光照和风吹，路灯可正常工作7h，则当时的风速为多大？【答案】（1）1.2kWh， 20%；（2）10m/s【详解】解：（1）路灯工作t1=10h消耗的电能W电1=P灯t1=0.12kW10h=1.2kWh光照t2=6h，光电池接收的太阳能W光1=P光t2=1kW6h=6kWh光电池将光能转化为电能的效率（2）路灯工作t3=7h消耗的电能W电2=P灯t3=0.12kW7h=0.84kWh光照t4=3h，光电池接收的太阳能W光2=P光t4=1kW3h=3kWh可知光电池产生的电能风力发电机产生的电能W风电=W电2W光电=0.84kWh0.6kWh=0.24kWh消耗的风能风的功率为根据风功率与风速之间的关系可知此时的风速为10m/s。 答：（1）无风的晴天，光照6h，太阳能电池板产生的电能可使路灯正常工作10h，则路灯消耗的电能是1.2kWh；光电池将光能转化为电能的功率为20%。（2）在有风的晴天，经3h的光照和风吹，路灯可正常工作7h，则当时的风速为10m/s。