Question

4．近年來，多旋翼無人機發(fā)展迅速．由于其機動性和靈活性強，廣泛應(yīng)用在航拍領(lǐng)域、交通管理等方面．如圖所示為某品牌四旋翼無人機，它采用4個電機帶動旋翼（螺旋槳）轉(zhuǎn)動，對下方空氣施力的同時獲得升力．該無人機設(shè)有一鍵起降和返航、空中懸停等功能，攜帶的攝像機可以進行高清拍攝并實時把信號傳到遙控器顯示器，它還擁有GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)．下表是該無人機的部分參數(shù)：

整機質(zhì)量	2kg	電池額定電壓	15V
最大起飛海拔高度	5000m	電池容量	5000mA•h
最大上升速度	6m/s	電動機工作電壓	12V
最大下降速度	2m/s	懸停時每個電動機功率	50W
最大水平速度	16m/s	電動機數(shù)量	4

（1）根據(jù)上述內(nèi)容，下列說法中不正確的是D
A．遙控?zé)o人機、衛(wèi)星定位都是通過電磁波來傳遞信息的B．無人機利用了空氣對旋翼的反作用力從而獲得升力
C．無人機在拍攝地面圖象時減小懸停高度可以使圖象變大D．無人機在懸停時不消耗電能
（2）電動機在工作時要保持其兩端電壓為12V不變，通過電子調(diào)速器（簡稱電調(diào)）來控制電動機的電流從而改變電動機的功率，每一個電動機連接一個電調(diào)，那么電動機和電調(diào)的連接方式是串聯(lián)（選填“并聯(lián)”或“串聯(lián)”）；若電源電壓全部加在電動機和電調(diào)的兩端，則電動機和電調(diào)的功率之比為4：1．
（3）在電池滿容量的情況下，該無人機參與某次火情的勘測時，需要從地面起飛，飛到火場上空60米高處，然后懸停觀測（整個過程四個電動機同時工作）．由于無人機機動性和靈活性強，這一過程可視為以最大速度勻速直線上升，且達到60米高處時立即靜止（懸停）．若無人機懸停觀測10分鐘，電動機將電能轉(zhuǎn)化為機械能的效率為90%，無人機上升過程中所受的阻力為10N，通過計算回答下列問題：（g取10N/kg）
a．從起飛到懸停結(jié)束，電動機消耗多少電能？電調(diào)部分消耗多少電能？
b．若無人機從60米高處返回到地面，要求電池容量至少剩余10%，若不計其他能量損失，該無人機完成懸停觀測后，能否安全返回？

Answer 1

分析 （1）①電磁波可以在真空中傳播，聲音的傳播需要介質(zhì)，不能在真空中傳播；
②力是物體對物體的作用，物體間力的作用是相互的；
③凸透鏡成實像時，根據(jù)“物近像遠(yuǎn)像變大，物遠(yuǎn)像近像變小”即可判斷；
④電動機工作時，消耗電能，將其轉(zhuǎn)化為機械能；
（2）根據(jù)題意和串并聯(lián)電路的特點可判斷電動機和電調(diào)的連接方式；
根據(jù)串聯(lián)電路電壓特點和P=UI求出電動機和電調(diào)的功率之比．
（3）a、根據(jù)功的股數(shù)和效率公式求出上升過程中電動機消耗電能，然后根據(jù)W=Pt求出懸停時電動機消耗電能，進而得出起飛到懸停結(jié)束電動機共消耗電能；
根據(jù)W_電動機：W_{電調(diào)}=P_電動機t：P_{電調(diào)}t=P_電動機：P_{電調(diào)}求出電調(diào)消耗電能；
b、根據(jù)W_電池=UIt求出電池滿容量儲存的電能，進而得出開始返回前能消耗最大電能，再與現(xiàn)已消耗電能進行比較即可判斷無人機完成懸停觀測后能否安全返回．

解答 解：（1）A、電磁波可以在真空中傳播，可以傳遞信息，遙控?zé)o人機、衛(wèi)星定位都是通過電磁波來傳遞信息的，故A正確；
B、四旋翼無人機，當(dāng)電機帶動旋翼（螺旋槳）轉(zhuǎn)動，對下方空氣施加向下的作用力，根據(jù)物體間力的作用是相互的，空氣對它施加向上的反作用力，即為升力，故B正確；
C、攝像機的鏡頭是凸透鏡，成倒立縮小的實像，當(dāng)拍攝地面圖象時減小懸停高度即物距減小，像距變大，所成的像也變大，故C正確；
D、無人機在懸停時電動機仍在工作，每個電動機功率為50W，仍要消耗電能，故D不正確．
故選：D．
（2）由題意知，每一個電動機連接一個電調(diào)，通過電子調(diào)速器（簡稱電調(diào)）來控制電動機的電流從而改變電動機的功率，
故電動機和電調(diào)的連接方式是 串聯(lián)．
根據(jù)串聯(lián)電路電壓規(guī)律可知，電調(diào)兩端的電壓：
U_{電調(diào)}=U-U_電動機=15V-12V=3V，
則電動機和電調(diào)的電壓之比：
U_電動機：U_{電調(diào)}=12V：3V=4：1，
由P=UI得，電動機和電調(diào)的功率之比：
P_電動機：P_{電調(diào)}=U_電動機I：U_{電調(diào)}I=U_電動機：U_{電調(diào)}=4：1．
（3）a、上升過程做功：
W=Fs=（G+f）s=（mg+f）s=（2kg×10N/kg+10N）×60m=1800J，
由η=$\frac{{W}_{1}}{W}$×100%得，上升過程中電動機消耗電能：
W₁=$\frac{W}{η}$=$\frac{1800J}{90%}$=2000J，
懸停時電動機總功率：P=50W×4=200W，
懸停時間t=10min=600s，
懸停時電動機消耗電能：
W₂=Pt=200W×600s=1.2×10⁵J，
則起飛到懸停結(jié)束電動機共消耗電能：
W_電動機=W₁+W₂=2000J+1.2×10⁵J=122000J．
因為W_電動機：W_{電調(diào)}=P_電動機t：P_{電調(diào)}t=P_電動機：P_{電調(diào)}=4：1，
所以電調(diào)消耗電能：
W_{電調(diào)}=$\frac{1}{4}$W_電動機=$\frac{1}{4}$×122000J=30500J．
b、Q=5000mAh=5A×3600s
電池滿容量儲存的電能：
W_電池=UIt=15V×5A×3600s=270000J，
開始返回前能消耗最大電能：
W=W_電池•（1-10%）=270000J×（1-10%）=243000J，
現(xiàn)已消耗電能：W′=W_電動機+W_{電調(diào)}=122000J+30500J=152500J，
因為W′＜W，所以無人機可以安全返回．
答：（1）D；（2）串；4：1；
（3）a．從起飛到懸停結(jié)束，電動機消耗122000J電能；電調(diào)部分消耗30500J電能；
b．不計其他能量損失，該無人機完成懸停觀測后，能安全返回．

點評 本題是一道以多旋翼無人機為背景的信息給予題，涉及到的知識點較多，關(guān)鍵能從題干中獲取有用的信息，熟練運用已學(xué)的知識即可正確解題，綜合性強，難度較大．