Question

15．中國造的“玉兔號”月球車成功降落于月球上．月球車質(zhì)量140千克，以太陽能為能源，能夠耐受月球表面真空、強(qiáng)輻射、攝氏零下180度到零上150度極限溫度等極端環(huán)境．月球車具備20度爬坡、20厘米越障能力，并配備有全景相機(jī)、紅外成像光譜儀、測月雷達(dá)、粒子激發(fā)X射線譜儀等科學(xué)探測儀器．月球的吸引力是地球的六分之一，月球車裝有6個車輪，每個車輪與月球表面接觸面積為50cm²，表面土壤非常松軟，凹凸不平，有石塊、有隕石坑，還有陡峭的高坡．在這種環(huán)境中，月球車既不能打滑，更不能翻車．目前已在月球上度過了3個月壽命．它現(xiàn)在處于月夜休眠期，人們期待其接下來繼續(xù)優(yōu)秀的月面探險表現(xiàn)，同時也牽掛著它的安危．（g=10N/kg）

（1）假設(shè)你是一名航天員，駕駛飛船登上月球．如果你手邊有一只靈敏電流表、一根直導(dǎo)體和導(dǎo)線若干，想探測月球表面附近是否有磁場，下列方案中合理的是D
A．直接將電流表置于月球表面附近，若電流表的示數(shù)為零，可判斷月球表面無磁場
B．用導(dǎo)線將電流表、直導(dǎo)體連接起來，使直導(dǎo)體在月球表面附近沿某一方向運動時，若電流表的示數(shù)為零，則可判斷月球表面附近無磁場
C．用導(dǎo)線將電流表、直導(dǎo)體連成閉合回路，使直導(dǎo)體在月球表面附近沿某一方向運動時，若電流表的示數(shù)為零，則可判斷月球表面無磁場
D．用導(dǎo)線將電流表、直導(dǎo)體連成閉合回路，使直導(dǎo)體在月球表面附近沿各個方向運動時，若發(fā)現(xiàn)電流表的示數(shù)有時不為零，則可判斷月球表面附近有磁場
（2）月球車的動力裝置一般選用電動機(jī)而不是內(nèi)燃機(jī)，請你說說為什么？
（3）某中學(xué)的幾個航天迷設(shè)計了一個月球車的模型，其中電路部分選用12V的蓄電池作電源，額定電壓均為6V的電動機(jī)和燈泡分別用作動力裝置和照明光源．設(shè)計的電路如圖2所示，請你說出其電路設(shè)計中不科學(xué)的地方．（要求說出兩點）
（4）如圖1所示，當(dāng)月球平穩(wěn)地行走在月球上時，求月球車對月球表面的壓強(qiáng)．
（5）報道，我國某科研單位研究制的太陽能月球車（研制過程的樣品），它上面的太陽能接收板的有效面積為S=4m²，太陽晴朗且接收板對著太陽時，每平方米面積上能接收到太陽的功率為P₀=1kW，太陽能電池產(chǎn)生的電壓為U=120V，可供電動機(jī)正常工作的電流為I=8A．那在電動機(jī)正常工作時，太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的效率是多大？
（6）如果上述月球車中的電動機(jī)正常工作時，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率是75%，且該車沿水平路面勻速直線行駛時所獲得的牽引力是180N，則該車勻速行駛時的速度是多大？

Answer 1

分析 （1）判斷月球是否有磁場，最好的方法是通過電磁感應(yīng)現(xiàn)象來證明．電磁感應(yīng)現(xiàn)象是指閉合電路中的一部分導(dǎo)體在磁場中做切割磁感線運動時，產(chǎn)生感應(yīng)電流的現(xiàn)象．讓導(dǎo)線、電流表和直導(dǎo)體連成閉合回路，同時使直導(dǎo)體在月球表面附近沿各個方向運動，以實現(xiàn)切割磁感線的要求．如果發(fā)現(xiàn)電流表的示數(shù)有時不為零，則說明月球具有磁場；
（2）在月球上沒有空氣，故從汽油機(jī)和電動機(jī)的工作過程中是否需要空氣的角度分析即可判斷月球車的動力裝置；
（3）從串聯(lián)電路的特點和節(jié)約能源的角度分析此題；
（4）月球車的壓力等于其重力，根據(jù)p=$\frac{F}{S}$求出壓強(qiáng)；
（5）根據(jù)題意求出接收太陽能總功率，根據(jù)P=UI求出有用功率，根據(jù)η=$\frac{{P}_{有用}}{{P}_{總}}$求出轉(zhuǎn)化效率；
（6）根據(jù)題意求出牽引力做功的功率，在根據(jù)P=$\frac{W}{t}$=$\frac{Fs}{t}$=Fv求出行駛速度．

解答 解：（1）根據(jù)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的要求，必須讓導(dǎo)線、電流表和直導(dǎo)體連成閉合回路，同時使直導(dǎo)體在月球表面附近沿各個方向運動，以實現(xiàn)切割磁感線的要求．如果發(fā)現(xiàn)電流表的示數(shù)有時不為零，則說明月球具有磁場；
（2）內(nèi)燃機(jī)工作時需要將燃料在汽缸內(nèi)燃燒，把燃料的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為月球車的機(jī)械能，
因為月球上沒有空氣，也就沒有氧氣，在月球上內(nèi)燃機(jī)無法正常工作，而電動機(jī)工作不需要氧氣，所以月球車用電動機(jī)而不是內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動；
（3）由圖可知，電動機(jī)和燈泡串聯(lián)，不科學(xué)的地方：
①當(dāng)其中有任意一個裝置（燈泡或電動機(jī)）壞了的時候，另外一個裝置就無法正常工作；
②不管白天黑夜，只要月球車啟動，燈泡就是亮的，浪費能源；
（4）月球車對月球表面的壓力：F=$\frac{1}{6}$G=$\frac{1}{6}$mg=$\frac{1}{6}$×140kg×10N/kg=$\frac{700}{3}$N；
接觸面積：S=6×50cm²=300cm²=0.03m²，
P=$\frac{F}{S}$=$\frac{\frac{700N}{3}}{0.03{m}^{2}}$≈7777.8Pa；
（5）接收太陽能總功率：P_總=P₀×S=1kW/m²×4m²=4KW，
有用功率：P_有用=UI=120V×8A=960W，
轉(zhuǎn)化效率：η=$\frac{{P}_{有用}}{{P}_{總}}$×100=$\frac{960W}{4000W}$×100%=24%；
（6）牽引力做功的功率：P_牽=960W×75%=720W，
由P=$\frac{W}{t}$=$\frac{Fs}{t}$=Fv得：
行駛速度：
v=$\frac{{P}_{牽}}{F}$=$\frac{720W}{180N}$=4m/s．
答：（1）D；
（2）月球上沒有空氣，也就沒有氧氣，在月球上內(nèi)燃機(jī)無法正常工作；
（3）①電動機(jī)和燈泡中只要有一個損壞了，另一個將不能正常工作；
②不管白天黑夜，只要月球車啟動，燈泡就是亮的，浪費能源；
（4）月球車對月球表面的壓強(qiáng)7777.8Pa；
（5）太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的效率是24%；
（6）該車勻速行駛時的速度是4m/s．

點評 本題通過熱點問題考查內(nèi)燃機(jī)的工作原理、電路的基本連接方式及壓強(qiáng)、功、功率的計算等多個知識點，綜合性很強(qiáng)，要求學(xué)生具備全面扎實的物理學(xué)知識，并能和生產(chǎn)生活社會聯(lián)系起來，有一定的難度．