Question

2．如圖為世界最大的太陽能飛機“陽光動力2號”．該飛機的表面使用一種碳纖維材料，其承載能力要比一般材料更好，但質量僅與一輛小型汽車相差無幾．飛機上設有的通話、網(wǎng)絡等設備，可隨時保證飛機與地面的聯(lián)系．白天，飛機飛行高度達到海拔8500米，依靠兩翼上安裝的太陽能電池板為直流電動機提供動力，同時對鋰電池充電以保證夜間或陰雨天不間斷飛行．晚上，依靠儲存在鋰電池里的電能繼續(xù)飛行，并逐漸下降到1500米的高度，以減少能耗．飛機的有關技術參數(shù)如表：

飛機凈/總質量	2300/3600kg	發(fā)動機最大功率	54kw
鋰電池能量密度	0.25kw•h/kg	發(fā)動機轉換效率	90%
鋰電池的總質量	630kg	太陽能電池效率	23%

（1）下列關于該飛機的說法中，正確的是D
A．飛機依靠超聲波與地面聯(lián)系
B．飛機升空的原理與氦氣飛艇相同
C．飛機的鋰電池質量越大越好
D．表面使用的碳纖維具有強度大、密度小的特點
（2）飛機利用測距傳感器來判斷離地高度．若某測距傳感器的阻值R₁與離地高度h的關系如圖乙所示，如圖丙的檢測電路采用了“穩(wěn)流電源”（電源輸出的電流恒定），要使高度表（實質是電流表或電壓表）示數(shù)能隨飛行高度的增大而增大，則此高度表應安裝在3（選填“1”、“2”或“3”）位置，該高度表示數(shù)刻度均勻（選填“均勻”或“不均勻”）．
（3）若某次飛機夜間飛行消耗了鋰電池總儲存量的20%，則發(fā)動機輸出了多少機械能？
（4）若飛機在最大功率下，正常巡航時速度為30m/s，則所受的阻力為多少？若飛機沿水平方向飛行過程中所受阻力與速度的平方成正比，在夜間飛行時，為了節(jié)約能源，以15m/s速度沿水平方向運行時，發(fā)動機輸出的功率為多少？
（5）若是8500m高空處，飛機每秒每平方米接收的太陽光能量平均值為500J，每天以10小時計算，為了保證能夠產(chǎn)生310kwh的電能，機翼的太陽能電池總面積至少為多少？

Answer 1

分析 （1）真空不能傳播聲音，電磁波可以在真空中傳播；飛機升空利用到流體壓強，直升機靠空氣對螺旋槳產(chǎn)生向上的力升空；電池質量大影響飛機承載量；制造飛機選擇的材料應符合強度大，密度小的要求；
（2）檢測電路采用了“穩(wěn)流電源”由此知高度表應是電壓表；結合圖丙分析高度表示數(shù)刻度是否均勻；
（3）由表格數(shù)據(jù)先計算出鋰電池儲存量，根據(jù)飛行消耗了鋰電池總儲存量的20%，和發(fā)動機轉換效率計算發(fā)電機輸出的機械能；
（4）根據(jù)P=$\frac{W}{t}$=$\frac{Fs}{t}$=Fv，計算出飛行時推力從而得到阻力大��；根據(jù)阻力與速度平方成正比，計算15m/s速度沿水平方向運動時，發(fā)動機輸出的功率；
（5）由參數(shù)知，每天需要產(chǎn)生的電能為310kW•h，8500m高空處飛機每秒每平方米接收的太陽光能量平均值為500J，太陽能電池的轉換效率為23%，
可得關系式500J/（s•m²）×S×t×23%=310×3.6×10⁶J，據(jù)此求所需的太陽能電池板的面積．

解答 解：
（1）A、真空不能傳播聲音，電磁波可以在真空中傳播，所以飛機不能依靠超聲波與地面聯(lián)系，而是依靠電磁波．故A錯誤；
B、快速運動的飛機利用機翼上下表面的空氣壓強差而產(chǎn)生向上的壓力差升空；直升機的螺旋槳轉動時對空氣產(chǎn)生向下的力，由于力的作用是相互的，空氣對它產(chǎn)生向上的力而升空．故B錯誤；
C、飛機的鋰電池質量越大，飛機的載貨量越小，不符合實際，故C錯誤；
D、飛機表面使用的碳纖維強度大，承載力大，密度小的可減小飛機質量，故D正確．
（2）由題檢測電路電源輸出的電流恒定，高度表示數(shù)能隨飛行高度的增大而增大，所以高度計應是電壓表，由丙說明R₁高度h成一次函數(shù)關系，所以電壓表應與R₁并聯(lián)，由U=IR₁知電壓表（高度表）示數(shù)是均勻；
（3）由表格數(shù)據(jù)可知：飛機的鋰電池總的儲存能量：
W=0.25kW•h/kg×630kg=157.5kW•h，
飛機飛行消耗了鋰電池總儲存量的20%，發(fā)電機輸出的機械能：
W_機=20%×90%×157.5kW•h=28.35kW•h=28.35×3.6×10⁶J=1.0206×10⁸J；
（4）P=$\frac{W}{t}$=$\frac{Fs}{t}$=Fv，
飛機在最大功率下，以30m/s的速度沿水平方向正常巡航時，所受的阻力：
f₁=F₁=$\frac{{P}_{最大}}{v}$=$\frac{54×1{0}^{3}W}{30s}$=1.8×10³N；
飛機沿水平方向飛行過程中所受阻力與速度成正比，即：$\frac{{f}_{1}}{{f}_{2}}$=$\frac{{{v}_{1}}^{2}}{{{v}_{2}}^{2}}$，
則當飛機以15m/s速度沿水平方向運動時，發(fā)動機的推力：
F₂=f₂=$\frac{{f}_{1}{{v}_{2}}^{2}}{{{v}_{1}}^{2}}$=$\frac{1.8×1{0}^{3}N×（15m/s）^{2}}{（30m/s）^{2}}$=450N，
發(fā)動機輸出的功率：P₂=F₂v₂=450N×15m/s=6750W；
（5）設機翼太陽能電池的總面積為S．根據(jù)題意得：
W=500J/s•m²×10×3600s×S×23%=310×3.6×10⁶J，
解得S=269.5m²．
答：
（1）D；
（2）3；均勻；
（3）發(fā)動機輸出的機械能為1.0206×10⁸J；
（4）飛機在最大功率下，正常巡航時所受的阻力為1800N；
飛機以15m/s速度沿水平方向運行時，發(fā)動機輸出的功率為6750W；
（5）太陽能電池總面積至少為269.5m²．

點評 本題考查了電磁波應用、電壓表的連接、能量轉化、熱值、功率計算等，涉及的知識點多，屬于一道綜合題，難度較大．能正確理解題意才能順利解題．