Question

小華同學為了節能和方便家人洗澡，用廢棄的汽油桶在房頂上自制了一個簡易太陽能熱水器，如圖是它的安裝示意圖．在水箱上下安有二根管子，其中一根是進出水管，給熱水器上冷水或淋浴時用熱水，都是通過進出水管來完成，室內進出水管上安有三個閥門．
若當地的大氣壓強p₀=1.0×10⁵Pa，請回答下列問題：
（1）小華為什么要在熱水器上方安裝一根與大氣相通的管子A？
（2）根據閥門I、II、Ⅲ的位置，說明它們的作用是什么？如何調節噴頭出水的溫度？
（3）給熱水器上冷水時，閥門I、II、III應當處于何種狀態？洗澡時，閥門I、II、III應當處于何種狀態？
（4）如果小華同學住的居民樓層高為3m，他家的熱水器安裝在七樓樓頂上，且距樓頂高1m，那么該地區的水壓至少為多大，才能順利為熱水器上水？
（5）設熱水器水箱容積為100L，在一般的光照條件下，一滿箱12℃的水經白天太陽的加熱溫度可達到45℃，這相當于多少煤氣完全燃燒放出的熱量？（已知水的比熱容為4.2×10⁷J/（kg?℃），煤氣的熱值約4.2×10⁷J/kg）

Answer 1

分析：（1）用一根管子和外界相連通，構成連通器，主要作用是排出桶內的氣體和加水過多時，向外溢水．
（2）閥門Ⅰ的作用是控制向水箱內加入冷水；閥門Ⅱ的作用是控制進入淋浴噴頭的熱水；閥門Ⅲ的作用是控制進入淋浴噴頭的冷水．調節閥門Ⅱ和閥門Ⅲ進入淋浴噴頭的冷熱水的來可以改變淋浴噴頭噴出的水的溫度．
（3）加冷水時，閥門Ⅰ打開，閥門Ⅱ和Ⅲ關閉，冷水即可通過進水管進入到水箱內．洗澡時閥門Ⅰ關閉，閥門Ⅱ和Ⅲ打開．
（4）水箱的高度h=3m×7+1m=22m，加水時需要克服水的壓強和外界大氣壓強，因此，通過公式P=P_水+P₀=ρ_水gh+P₀計算出需要的水壓．
（5）首先通過公式m=ρV計算出水的質量，再通過公式Q_吸=cm（t-t₀）計算出水吸收的熱量，即為煤氣完全燃燒放出的熱量，再用Q_吸除以煤氣的熱值q求出煤氣的質量m．

解答：解：（1）A管的作用一是排氣，二是溢水．因為汽油桶改做水箱后，如果不安裝A管排氣的話，上水時會把一些空氣密閉在里面，就不易將水注滿；而且，上方的空氣還影響箱內水溫升高．
（2）閥門Ⅰ的作用是控制進入水箱的冷水；閥門Ⅱ的作用是控制進入淋浴噴頭的熱水；閥門Ⅲ的作用是控制進入淋浴噴頭的冷水．
通過閥門Ⅱ調節進入淋浴噴頭的熱水多少、閥門Ⅲ調節進入淋浴噴頭的冷水的多少，這樣就可以改變淋浴噴頭噴出的水的溫度．
（3）給熱水器上水時，閥門Ⅰ應打開，閥門Ⅱ、閥門Ⅲ應關閉．洗澡時，閥門Ⅰ應關閉，閥門Ⅱ、閥門Ⅲ應打開．
故答案為：閥門Ⅰ打開，閥門Ⅱ、閥門Ⅲ關閉；閥門Ⅰ關閉，閥門Ⅱ、閥門Ⅲ打開．
（4）水箱距地面高度h=22m．該地區的最低供水水壓，
P=P_水+P₀=ρgh+p₀=1.0×10³kg/m³×10N/kg×22m+1×10⁵Pa=3.2×10⁵Pa．
答：該地區的最低供水水壓為3.2×10⁵Pa．
（5）水的體積V=100L=0.1m³，水的質量m=ρV=1.0×10³kg/m³×0.1m³=100kg．
水箱內的水吸收的熱量
Q_吸=cm（t-t₀）=4.2×10³J/（kg?℃）×100kg×（45℃-12℃）=1.39×10⁷J．
如果靠煤氣燃燒放出這些熱量，需完全燃燒的煤氣的質量為
m=

Q吸

q

=

1.39×107J

4.2×107J/kg

=0.33kg．
答：需要燃燒煤氣的質量為0.33kg．

點評：此題考查的知識點比較多，聯系生活實際，考查學生應用物理知識解決實際問題的能力．體現了物理來源于生活，服務于社會的新課程理念．