Question

15．中国造的“玉兔号”月球车成功降落于月球上．月球车质量140千克，以太阳能为能源，能够耐受月球表面真空、强辐射、摄氏零下180度到零上150度极限温度等极端环境．月球车具备20度爬坡、20厘米越障能力，并配备有全景相机、红外成像光谱仪、测月雷达、粒子激发X射线谱仪等科学探测仪器．月球的吸引力是地球的六分之一，月球车装有6个车轮，每个车轮与月球表面接触面积为50cm²，表面土壤非常松软，凹凸不平，有石块、有陨石坑，还有陡峭的高坡．在这种环境中，月球车既不能打滑，更不能翻车．目前已在月球上度过了3个月寿命．它现在处于月夜休眠期，人们期待其接下来继续优秀的月面探险表现，同时也牵挂着它的安危．（g=10N/kg）

（1）假设你是一名航天员，驾驶飞船登上月球．如果你手边有一只灵敏电流表、一根直导体和导线若干，想探测月球表面附近是否有磁场，下列方案中合理的是D
A．直接将电流表置于月球表面附近，若电流表的示数为零，可判断月球表面无磁场
B．用导线将电流表、直导体连接起来，使直导体在月球表面附近沿某一方向运动时，若电流表的示数为零，则可判断月球表面附近无磁场
C．用导线将电流表、直导体连成闭合回路，使直导体在月球表面附近沿某一方向运动时，若电流表的示数为零，则可判断月球表面无磁场
D．用导线将电流表、直导体连成闭合回路，使直导体在月球表面附近沿各个方向运动时，若发现电流表的示数有时不为零，则可判断月球表面附近有磁场
（2）月球车的动力装置一般选用电动机而不是内燃机，请你说说为什么？
（3）某中学的几个航天迷设计了一个月球车的模型，其中电路部分选用12V的蓄电池作电源，额定电压均为6V的电动机和灯泡分别用作动力装置和照明光源．设计的电路如图2所示，请你说出其电路设计中不科学的地方．（要求说出两点）
（4）如图1所示，当月球平稳地行走在月球上时，求月球车对月球表面的压强．
（5）报道，我国某科研单位研究制的太阳能月球车（研制过程的样品），它上面的太阳能接收板的有效面积为S=4m²，太阳晴朗且接收板对着太阳时，每平方米面积上能接收到太阳的功率为P₀=1kW，太阳能电池产生的电压为U=120V，可供电动机正常工作的电流为I=8A．那在电动机正常工作时，太阳能电池将太阳能转化为电能的效率是多大？
（6）如果上述月球车中的电动机正常工作时，将电能转化为机械能的效率是75%，且该车沿水平路面匀速直线行驶时所获得的牵引力是180N，则该车匀速行驶时的速度是多大？

Answer 1

分析 （1）判断月球是否有磁场，最好的方法是通过电磁感应现象来证明．电磁感应现象是指闭合电路中的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，产生感应电流的现象．让导线、电流表和直导体连成闭合回路，同时使直导体在月球表面附近沿各个方向运动，以实现切割磁感线的要求．如果发现电流表的示数有时不为零，则说明月球具有磁场；
（2）在月球上没有空气，故从汽油机和电动机的工作过程中是否需要空气的角度分析即可判断月球车的动力装置；
（3）从串联电路的特点和节约能源的角度分析此题；
（4）月球车的压力等于其重力，根据p=$\frac{F}{S}$求出压强；
（5）根据题意求出接收太阳能总功率，根据P=UI求出有用功率，根据η=$\frac{{P}_{有用}}{{P}_{总}}$求出转化效率；
（6）根据题意求出牵引力做功的功率，在根据P=$\frac{W}{t}$=$\frac{Fs}{t}$=Fv求出行驶速度．

解答 解：（1）根据电磁感应现象的要求，必须让导线、电流表和直导体连成闭合回路，同时使直导体在月球表面附近沿各个方向运动，以实现切割磁感线的要求．如果发现电流表的示数有时不为零，则说明月球具有磁场；
（2）内燃机工作时需要将燃料在汽缸内燃烧，把燃料的内能转化为月球车的机械能，
因为月球上没有空气，也就没有氧气，在月球上内燃机无法正常工作，而电动机工作不需要氧气，所以月球车用电动机而不是内燃机驱动；
（3）由图可知，电动机和灯泡串联，不科学的地方：
①当其中有任意一个装置（灯泡或电动机）坏了的时候，另外一个装置就无法正常工作；
②不管白天黑夜，只要月球车启动，灯泡就是亮的，浪费能源；
（4）月球车对月球表面的压力：F=$\frac{1}{6}$G=$\frac{1}{6}$mg=$\frac{1}{6}$×140kg×10N/kg=$\frac{700}{3}$N；
接触面积：S=6×50cm²=300cm²=0.03m²，
P=$\frac{F}{S}$=$\frac{\frac{700N}{3}}{0.03{m}^{2}}$≈7777.8Pa；
（5）接收太阳能总功率：P_总=P₀×S=1kW/m²×4m²=4KW，
有用功率：P_有用=UI=120V×8A=960W，
转化效率：η=$\frac{{P}_{有用}}{{P}_{总}}$×100=$\frac{960W}{4000W}$×100%=24%；
（6）牵引力做功的功率：P_牵=960W×75%=720W，
由P=$\frac{W}{t}$=$\frac{Fs}{t}$=Fv得：
行驶速度：
v=$\frac{{P}_{牵}}{F}$=$\frac{720W}{180N}$=4m/s．
答：（1）D；
（2）月球上没有空气，也就没有氧气，在月球上内燃机无法正常工作；
（3）①电动机和灯泡中只要有一个损坏了，另一个将不能正常工作；
②不管白天黑夜，只要月球车启动，灯泡就是亮的，浪费能源；
（4）月球车对月球表面的压强7777.8Pa；
（5）太阳能电池将太阳能转化为电能的效率是24%；
（6）该车匀速行驶时的速度是4m/s．

点评 本题通过热点问题考查内燃机的工作原理、电路的基本连接方式及压强、功、功率的计算等多个知识点，综合性很强，要求学生具备全面扎实的物理学知识，并能和生产生活社会联系起来，有一定的难度．