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功率与能源:原创综合练习与详解

练习只有在你看得出答案为什么对的时候才有用,所以这里每道题都完整演算。

这十一道题涵盖功率与能源专题的功率、以 kWh 计的能量、效率、发电数据、可用性与可靠性,以及取舍推理。所有数据均为练习而自编,并非取自任何考试试卷。题目由易到难排列。

先在纸上写出带单位的答案,再打开详解。需要重力时取 g = 10 N/kg。换算:1 kWh = 3.6 MJ,1 分钟 = 60 s,1 小时 = 3600 s。

题目

1. 一台加热器在 45 s 内转移 90 kJ 的能量。求它的功率。

显示答案

90 kJ = 90 000 J。P = E ÷ t = 90 000 ÷ 45 = 2000 W(2.0 kW)。

2. 一盏 100 W 的灯亮了 2.0 小时。求转移的能量,分别以 kWh 和焦耳表示。

显示答案

100 W = 0.100 kW。E = 0.100 × 2.0 = 0.20 kWh。以焦耳计:100 × 7200 s = 720 000 J(0.72 MJ)。检查:0.20 × 3.6 MJ = 0.72 MJ。

3. 一个 1.2 kW 的吹风机要转移 540 kJ。这需要多久,分别以秒和分钟表示?

显示答案

1.2 kW = 1200 W。t = E ÷ P = 540 000 ÷ 1200 = 450 s。450 ÷ 60 = 7.5 分钟。

4. 一台 2.0 kW 的加热器运行 3.0 小时。电费为每 kWh RM0.30(本题自编的价格)。求电费。

显示答案

能量 = 2.0 × 3.0 = 6.0 kWh。电费 = 6.0 × 0.30 = RM1.80。

5. 一台起重机在 20 s 内把 800 N 的重物提升 15 m,输入功率为 1000 W。求 (a) 有用功率,(b) 效率。

显示答案

(a) 有用功 = 800 × 15 = 12 000 J。有用功率 = 12 000 ÷ 20 = 600 W。

(b) 输入能量 = 1000 × 20 = 20 000 J。效率 = 12 000 ÷ 20 000 = 0.60 = 60%。

6. LED 灯 (10 W) 和白炽灯 (50 W) 每天提供相同的光照 5 小时,连续 30 天。求两者耗能的差,以 kWh 计。

显示答案

时间 = 5 × 30 = 150 h。LED:10 × 150 = 1500 Wh = 1.5 kWh。白炽灯:50 × 150 = 7500 Wh = 7.5 kWh。差 = 7.5 − 1.5 = 6.0 kWh。

7. 一座装机容量为 2.5 MW 的风力发电场,在四个 3 小时时段的平均输出依次为 1.0 MW、2.0 MW、0.5 MW 和 1.5 MW。求 (a) 总能量(MWh),(b) 12 小时的平均功率,(c) 该平均值占装机容量的百分比。

显示答案

(a) 能量 = 1.0×3 + 2.0×3 + 0.5×3 + 1.5×3 = 3 + 6 + 1.5 + 4.5 = 15 MWh。

(b) 平均功率 = 15 ÷ 12 = 1.25 MW。

(c) 1.25 ÷ 2.5 = 0.50 = 50%。

8. 判断下列每一种情况主要是资源的可用性问题,还是电源的可靠性问题,并简要说明。(a) 长期干旱后水库水位偏低。(b) 燃料充足的燃气电站因故障而停机。(c) 太阳能发电场在夜间需求高的时候没有输出。

显示答案

(a) 可用性:蓄水减少,可用的资源变少。

(b) 可靠性:燃料是有的,但电源无法供电。

(c) 夜间阳光不可用,所以除非有储能或其他电源补上,太阳能发电场对夜间需求不可靠。两个词都适用,各自对应这句话的不同部分。

9. 水以每秒 1000 kg 的流量流过一座水力发电站,下落 50 m。求 (a) 下落水的功率,(b) 若电站效率为 80%,电输出功率是多少。

显示答案

(a) 每秒的能量 = m g h = 1000 × 10 × 50 = 每秒 500 000 J,所以功率为 500 kW。

(b) 0.80 × 500 = 400 kW。

10. 一个小镇每天需要 600 kWh。太阳能面板平均每天每平方米提供 0.8 kWh。(a) 求所需面积。(b) 多云的一周,面板每天每平方米只提供 0.4 kWh,求新的面积。(c) 写出你的答案所依赖的一个假设。

显示答案

(a) 600 ÷ 0.8 = 750 m²。

(b) 600 ÷ 0.4 = 1500 m²,产出减半,面积就加倍。

(c) 例如:「需求保持每天 600 kWh」,或「面板产出就是所述的平均值」。使用它的结论应以「如果……」开头。

11. 一台电热淋浴器额定功率为 3.0 kW,使用 8.0 分钟。求转移的能量,分别以 kJ、MJ 和 kWh 表示。

显示答案

8.0 分钟 = 480 s。E = 3000 × 480 = 1 440 000 J = 1440 kJ = 1.44 MJ。以 kWh 计:3.0 × (8.0 ÷ 60) = 3.0 × 0.1333 = 0.40 kWh。检查:0.40 × 3.6 = 1.44 MJ。

如果做错了

出了什么问题回到哪一课
答案差了 60 倍或 1000 倍(第 1、2、3、11 题)由能量和时间计算功率
比较了功率而不是能量,或混淆有用功率与输入功率(第 4、5、6 题)比较完成相同任务的两台设备
把功率相加,而不是乘以时间(第 7、9 题)解读给定的发电数据
混淆可用性、可靠性或可再生(第 8 题)区分资源的可用性与可靠性
给出观点而不是有条件的结论(第 10 题)用明确的假设解释取舍
能量和效率的步骤不清楚(第 5、9 题)功、能量与效率

把每个反复出现的失误记进错题记录与重测队列,几天后再做一道新题。

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