Question

2．如图为世界最大的太阳能飞机“阳光动力2号”．该飞机的表面使用一种碳纤维材料，其承载能力要比一般材料更好，但质量仅与一辆小型汽车相差无几．飞机上设有的通话、网络等设备，可随时保证飞机与地面的联系．白天，飞机飞行高度达到海拔8500米，依靠两翼上安装的太阳能电池板为直流电动机提供动力，同时对锂电池充电以保证夜间或阴雨天不间断飞行．晚上，依靠储存在锂电池里的电能继续飞行，并逐渐下降到1500米的高度，以减少能耗．飞机的有关技术参数如表：

飞机净/总质量	2300/3600kg	发动机最大功率	54kw
锂电池能量密度	0.25kw•h/kg	发动机转换效率	90%
锂电池的总质量	630kg	太阳能电池效率	23%

（1）下列关于该飞机的说法中，正确的是D
A．飞机依靠超声波与地面联系
B．飞机升空的原理与氦气飞艇相同
C．飞机的锂电池质量越大越好
D．表面使用的碳纤维具有强度大、密度小的特点
（2）飞机利用测距传感器来判断离地高度．若某测距传感器的阻值R₁与离地高度h的关系如图乙所示，如图丙的检测电路采用了“稳流电源”（电源输出的电流恒定），要使高度表（实质是电流表或电压表）示数能随飞行高度的增大而增大，则此高度表应安装在3（选填“1”、“2”或“3”）位置，该高度表示数刻度均匀（选填“均匀”或“不均匀”）．
（3）若某次飞机夜间飞行消耗了锂电池总储存量的20%，则发动机输出了多少机械能？
（4）若飞机在最大功率下，正常巡航时速度为30m/s，则所受的阻力为多少？若飞机沿水平方向飞行过程中所受阻力与速度的平方成正比，在夜间飞行时，为了节约能源，以15m/s速度沿水平方向运行时，发动机输出的功率为多少？
（5）若是8500m高空处，飞机每秒每平方米接收的太阳光能量平均值为500J，每天以10小时计算，为了保证能够产生310kwh的电能，机翼的太阳能电池总面积至少为多少？

Answer 1

分析 （1）真空不能传播声音，电磁波可以在真空中传播；飞机升空利用到流体压强，直升机靠空气对螺旋桨产生向上的力升空；电池质量大影响飞机承载量；制造飞机选择的材料应符合强度大，密度小的要求；
（2）检测电路采用了“稳流电源”由此知高度表应是电压表；结合图丙分析高度表示数刻度是否均匀；
（3）由表格数据先计算出锂电池储存量，根据飞行消耗了锂电池总储存量的20%，和发动机转换效率计算发电机输出的机械能；
（4）根据P=$\frac{W}{t}$=$\frac{Fs}{t}$=Fv，计算出飞行时推力从而得到阻力大小；根据阻力与速度平方成正比，计算15m/s速度沿水平方向运动时，发动机输出的功率；
（5）由参数知，每天需要产生的电能为310kW•h，8500m高空处飞机每秒每平方米接收的太阳光能量平均值为500J，太阳能电池的转换效率为23%，
可得关系式500J/（s•m²）×S×t×23%=310×3.6×10⁶J，据此求所需的太阳能电池板的面积．

解答 解：
（1）A、真空不能传播声音，电磁波可以在真空中传播，所以飞机不能依靠超声波与地面联系，而是依靠电磁波．故A错误；
B、快速运动的飞机利用机翼上下表面的空气压强差而产生向上的压力差升空；直升机的螺旋桨转动时对空气产生向下的力，由于力的作用是相互的，空气对它产生向上的力而升空．故B错误；
C、飞机的锂电池质量越大，飞机的载货量越小，不符合实际，故C错误；
D、飞机表面使用的碳纤维强度大，承载力大，密度小的可减小飞机质量，故D正确．
（2）由题检测电路电源输出的电流恒定，高度表示数能随飞行高度的增大而增大，所以高度计应是电压表，由丙说明R₁高度h成一次函数关系，所以电压表应与R₁并联，由U=IR₁知电压表（高度表）示数是均匀；
（3）由表格数据可知：飞机的锂电池总的储存能量：
W=0.25kW•h/kg×630kg=157.5kW•h，
飞机飞行消耗了锂电池总储存量的20%，发电机输出的机械能：
W_机=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，
飞机在最大功率下，以30m/s的速度沿水平方向正常巡航时，所受的阻力：
f₁=F₁=$\frac{{P}_{最大}}{v}$=$\frac{54×1{0}^{3}W}{30s}$=1.8×10³N；
飞机沿水平方向飞行过程中所受阻力与速度成正比，即：$\frac{{f}_{1}}{{f}_{2}}$=$\frac{{{v}_{1}}^{2}}{{{v}_{2}}^{2}}$，
则当飞机以15m/s速度沿水平方向运动时，发动机的推力：
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，
发动机输出的功率：P₂=F₂v₂=450N×15m/s=6750W；
（5）设机翼太阳能电池的总面积为S．根据题意得：
W=500J/s•m²×10×3600s×S×23%=310×3.6×10⁶J，
解得S=269.5m²．
答：
（1）D；
（2）3；均匀；
（3）发动机输出的机械能为1.0206×10⁸J；
（4）飞机在最大功率下，正常巡航时所受的阻力为1800N；
飞机以15m/s速度沿水平方向运行时，发动机输出的功率为6750W；
（5）太阳能电池总面积至少为269.5m²．

点评 本题考查了电磁波应用、电压表的连接、能量转化、热值、功率计算等，涉及的知识点多，属于一道综合题，难度较大．能正确理解题意才能顺利解题．