例说中考物理试题中的“效率”问题

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纵观全国各地的中考物理试题,其中不乏“效率”问题,这是一个常考常新的热点.按照这些试题考查的知识内容,“效率”问题可分为两类：1.机械效率问题；2.不同形式的能量之间相互转换的效率问题.熟悉这些问题并理清一般的解题思路和规律,将有助于迎战中考.

一、机械效率问题

机械效率指的是利用机械做功的过程中,有用功与总功的比值（通常用百分数表示）.包括滑轮（或滑轮组）效率、斜面效率、杠杆效率等.解答这类问题的关键是弄清有用功、额外功和总功所指,这类问题有时还会结合其它知识点加以考查.

例1 （2008年江苏省镇江市）用如图1所示的滑轮组匀速提升重为480 N的物体G，所用拉力F为200 N，将重物提升3 m 所用的时间为10 s．求：

(1)重物上升的速度．

(2)拉力所做的有用功．

(3)拉力的功率．

(4)滑轮组的机械效率．

分析:动滑轮和重物由三段绳子承担,因此

W总=200×3×3=1800（J），

W有=480×3=1440（J），

η=（W有/W总）×100%=(1440/1800)×100%=80%.（其它问题从略,以下例题同此.）

例2 (2008年广西钦州)斜面高为1 m，长为3 m，工人用400 N沿斜面方向的力将重为840 N的箱子推到车上,在这过程中推力做了J的功,机械效率为.

分析:W有=840×1=840（J），

W总=400×3=1200（J），

η=(W有/W总)×100%

=(840/1200)×100%

=70%.

例3 (2008年哈尔滨市）某建筑工地使用如图2所示装置搬运建筑材料．已知柴油机的效率是40％，柴油的热值是4×107 J／kg，用此装置将一块重为3200 N的建筑材料提升5 m,历时4 s，消耗的柴油为4 g.

（1）4 g柴油完全燃烧放出多少热量？柴油机的输出功率多大？

（2）提升这块建筑材料做的有用功是多少？整个装置的效率多大？

（3）请对该工地采用此装置施工的合理性进行评价．

分析:W有=3200×5=16000(J),

柴油燃烧产生的内能

Q放=4×10-3×4×107=1.6×105(J),

W总=Q放=1.6×105(J)，

η=（W有/W总）×100%

=(1.6/16)×100%=10%.

采用此装置不仅效率低，而且占用大量施工场地，所以不合理.

二、不同形式的能量相互转换的效率问题

这类效率问题涉及电能和内能的转换，太阳能和内能的转换，太阳能和电能的转换，化学能和内能及机械能的转换，化学能和电能的转换，电能和机械能的转换等.解题的关键是理清转换前后的能量类别及数量.

例4 （2008年山东省泰安市）有一种WSJ-60型号电热壶，其铭牌标志如表1所示.现将一满壶20 ℃的水在额定电压下烧开需时5 min，已知外界气压为1标准大气压，水的比热容 c=4.2×103 J／(kg•℃).求：

(1)水吸收的热量.

(2)电热壶的效率.

(3)小明发现在用电高峰时烧开一满壶20 ℃的水需时6分3秒，那么此时实际电压是多少?

表 1

型号WSJ-60额定电压220 V额定功率800 W水壶容积500 mL

分析:电能转化为水的内能.

W内=4.2×103×0.5×10-3×1×103×(100-20)=1.68×105(J),

W电=800×5×60=2.4×105（J），

η电热壶=（W内/W电）×100%

=(1.68/2.4)×100%=70%.

例5 (2008年内蒙包头)太阳能动力车是利用太阳能电池将接收到的太阳能转化为电能，再利用电动机驱动的一种新型机动车.有一种太阳能试验车，它上面的太阳能接收板的有效面积S=8 m2，天气晴朗且接收板正对着太阳时，每平方米面积上能接收到太阳辐射的功率P0=1 kW，太阳能电池产生的电压为U=120 V，可供电动机正常工作的电流为I=10 A.求：

(1)电动机正常工作时的电功率是多大？太阳能电池将太阳能转化为电能的效率是多少？

(2)若电动机正常工作时，将电能转化为机械能的效率是75%,且该车装满货物沿水平路面匀速行驶所获得牵引力是150 N，所受阻力是车与货物总重的0.1倍，则该车匀速行驶时的速度是多大？所装货物质量是多少？（已知车自重900 N，G取10 N/kg）

(3)通过以上介绍及有关计算，你对该车的技术参数及性能有了大致的了解，你认为该车能否批量生产投放市场？请简述理由.

分析:太阳能转化为电能.假设在1秒钟的时间里，有

W太阳=1000×8×1=8000(J),

W电=10×120×1=1200(J),

因此太阳能转换为电能的效率

η=(W电/W太阳)×100%

=12/80=15%.

该车效率低，且接收板面积大，不适合投放市场.

例6 （2008年湖北省十堰市）十堰是全国闻名的汽车城，是目前国内规模最大的商用车生产基地，产品包括载重车、客车、专用车及其零部件.已知某型号的载重车在一段平直的高速公路上匀速行驶10.08 km，所用时间是8 min，消耗燃油3 L（假设燃油完全燃烧），汽车发动机在这段时间内的功率为63 kW.若燃油的密度是0.8×103 kg/m3，热值为3.15×107J/kg，求：

（1）汽车行驶速度是多少？

（2）汽车行驶过程的牵引力是多大？

（3）汽车发动机的效率是多少？

分析:化学能换变为内能,再转变为机械能.

W机械=63000×8×60=3.024×107(J),

W化学=0.8×103×3×10-3×3.15×107

=7.56×107(J).

此车发动机的效率

η=(W机械/W化学)×100%

=(3.024/7.56)×100%=40%.

例7 (2008年四川省宜宾市)由于雨雪冰冻、地震等灾害原因导致停电后，发电机就能大显身手.其实质是利用一个汽油机带动一个发电机来发电，其能量转化是汽油机先将汽油燃烧释放的内能转化为机械能，提供给发电机使用；发电机再将机械能转化为电能提供给用电器使用.该发电机铭牌部分数据如表2所示，设该发电机处于正常工作状态，根据表格中的数据求：

表 2

发动机（汽油机）发电机

型号XGQF5.0型号XGQF5.0

额定功率8.3 kW额定功率5 kW

噪声73 dB额定电压220 V

连续运转时间8 h额定频率50 Hz

强制水冷四冲程自动电压保护

(1)在允许的连续运转时间内，发电机能够提供的电能是多少度？

(2)已知汽油的热值是 q=4.6×107 J/kg，设汽油完全燃烧释放内能的75%转化为汽油机做功的机械能，该发动机（汽油机）每小时消耗汽油多少 kg？

(3)汽油发电机将内能转化为电能的效率是多少？

分析:化学能转化为内能，再转化为机械能,最后转化为电能.

W内=8.3×8×3.6×106/75%

=3.1872×108(J),

W电=5×8×3.6×106=1.44×108(J).

汽油发电机将内能转化为电能的效率

η=(W电/W内)×100%=(1.44/3.1872)

=45.18%.

例8 (2008年山东省菏泽市）电动自行车以其轻便、经济、环保倍受消费者亲睐.某型号电动自行车的主要技术参数如表3所示.

表 3

型号TDR0178Z

无刷电机48 V 400 W

铅酸电池48 V 80 Ah

整车质量84.4 kg

外包尺寸1860×530×1050

(1)若该车和人共重1400 N，行驶时两轮胎与地面的接触面积共为1.0×10-2 m2，那么车对地面的压强多大？

(2)在某平直路段上，电动自行车以额定功率匀速行驶时，受到的平均阻力为40 N.此时自行车的动力多大？若行驶速度为7 m/s，则1 s 内动力对自行车所做的功是多少？电动自行车的效率多大？

(3)与内燃机摩托车相比，电动自行车在环保节能方面有许多优点，请写出其中的两条.

分析:电能转换为机械能.

W机械=40×7×1=280(J),

W电=400×1=400(J).

电动自行车的效率

η=(W机械/W电)×100%

=(280/400)×100%

=70%.

从以上分析来看，中考物理试题中，效率问题常常与多种内容穿插在一起加以考查.而解决效率问题的关键在于理顺有用功、额外功、总功的关系，以及能量转化的过程和关系，弄清楚能量转化的起点和终点.这样，问题自会迎刃而解.

（初三）