第三节 跨学科实践：关注材料的应用（分层作业）物理新教材北师大版（北京）九年级全一册

19.3 跨学科实践：关注材料的应用 一、高铁受电弓滑板材料 1．我国高铁技术处于世界先进水平，如图所示是为高铁提供电能的“弓网系统”，它是由高压线和与之接触的受电弓组成。则受电弓与高压线接触面的材料一般应选用（    ） A．塑料 B．橡胶 C．陶瓷 D．石墨 【答案】D 【详解】受电弓是高铁从高压线取得电能的电气设备，因此受电弓与高压线接触面上的材料导电性能要好，橡胶、陶瓷和塑料是绝缘体，石墨是导体，所以受电弓与高压线接触面上的材料选用较为合适的是石墨，故D符合题意，ABC不符合题意。 故选D。 2．中国高铁位居世界前列，成为了中国一张亮丽的名片，具有节能、快速、高效、安全、智能和舒适等优势。 (1)节能；动车组减速过程中，可以将机械能转化为电能，实现节能。图 （填“a”或“b”）与其工作原理相同。 (2)快速；复兴号某动车组在高速运行时，若空气阻力占总阻力的80%，与速度的关系为（，的单位为），当该动车组以400km/h的速度匀速直线运动时，该动车组牵引力每小时至少做功 J。（为方便计算，数据已作简化处理） (3)高效；列车网络控制系统可以依托大数据优化停靠站，提高效率。优化前，一动车组以速度匀速行驶，经停某站，先减速一段时间，然后停一段时间，再加速一段时间，恰好恢复到原速度继续匀速行驶。优化后，该动车组不停靠此站，可视为在原路线上一直以速度匀速行驶，则该动车组因不停靠此站而节省的时间为 。（该动车组加速阶段、减速阶段的平均速度均为，题中所给的物理量均为已知量） (4)安全；如图（c），受电弓安装在高铁车箱的顶部，受电弓的碳钢滑板与供电线接触。如果碳钢滑板的同一位置与供电线持续摩擦，会缩短碳钢滑板的使用寿命，更会影响动车组的运行安全，那么图 （填“d”或“e”）的设计能使碳钢滑板的磨损均匀化。 (5)智能；某小组设计了一个冻雨预警电路，如图（f）所示。闭合S后，当环境温度低于0℃（温控开关闭合）且空气湿度高于80%（湿控开关闭合）时，警示灯一直发光并出现持续的亮暗交替现象，发出预警。已知：电源电压恒为6V，定值电阻为10，警示灯标有“6V；0.5A”。当电磁铁线圈中的电流时，电磁铁吸下衔铁，使动触点与下方静触点接触。为实现预警功能，温控开关与湿控开关应 联，请选择合适的接线柱，用笔画线代替导线将电路连接完整 。（图中温控开关与湿控开关之间已正确连接，电磁铁线圈的电阻、温控开关与湿控开关的电阻均忽略不计，只能在标有字母的接线柱上连接导线，导线不能交叉） (6)中国高铁的发展，彰显了我国在科技创新领域的强大实力。请写出你想象的中国高铁最智慧的样子： 。 【答案】(1)b (2) (3) (4)e (5) 串 (6)智能节能系统，实现绿色低碳运营 【详解】（1）动车组减速过程中，可以将机械能转化为电能，属于电磁感应现象，图b为电磁感应现象，图a为通电导体在磁场中受力的作用，故图b与其工作原理相同。 （2）空气的阻力为 总阻力为 该动车组匀速直线运动，牵引力和阻力二力平衡，大小相等，牵引力大小为 该动车组牵引力每小时运动的路程为 该动车组牵引力每小时至少做功 （3）由题意可知，经停某站运动的路程为 经停某站的总时间 匀速运动通过的时间 该动车组因不停靠此站而节省的时间为 （4）如果碳钢滑板的同一位置与供电线持续摩擦，会缩短碳钢滑板的使用寿命，更会影响动车组的运行安全，需要尽量每个位置都能摩擦，故图e的设计能使碳钢滑板的磨损均匀化。 （5）[1]闭合S后，当环境温度低于0℃（温控开关闭合）且空气湿度高于80%（湿控开关闭合）时，警示灯一直发光并出现持续的亮暗交替现象，发出预警。说明两个开关同时闭合，灯泡才亮，发出预警，故温控开关与湿控开关应串联。 [2]根据题意可知，开关闭合，温控开关与湿控开关闭合，灯泡一直亮，通过定值电阻和电磁铁的短路与否来改变电路中的总电阻，改变电路中的电流，从而改变灯泡的亮暗。闭合开关，环境温度低于0℃（温控开关闭合）且空气湿度高于80%（湿控开关闭合）时，灯泡与电阻串联，灯泡发光，由于电源电压为，灯泡分得的电压小于额定电压，灯泡发光较暗，灯泡电阻为 总电阻为 电流为 电流，衔铁被吸下，定值电阻与电磁铁被短路，此时电路为灯泡的简单电路，灯泡两端电压等于电源电压，达到额定电压，发光较亮，此时由于电磁铁被短路，没有电流流过电磁铁，电磁铁磁性消失，衔铁被松开，重复以上现象，灯泡会亮暗交替，故如下图所示： （6）我想象的中国高铁最智慧的样子是智能节能系统，实现绿色低碳运营。 二、高压输电线材料 3．结合表格数据进行分析，高压输电的导线通常使用铝线而非铜线，主要是因为铝的（    ） 金属 导电性 （以银的导电性为100作标准） 密度 熔点/℃ 硬度 （以金刚石的硬度为10作标准） 铜 99 8.9 1083 3 铝 61 2.7 660 2.7 A．导电性更好 B．硬度更大 C．密度更小 D．熔点更高 【答案】C 【详解】由表可知，与铜相比，铝的导电性较差、密度较小、熔点较低、硬度较小，所以高压输电的导线通常使用铝线而非铜线，主要是因为铝的密度更小，故C符合题意，ABD不符合题意。 故选C。 4．石墨烯是一种具有多种优异特性的新型材料，其硬度高于钻石，柔韧度、导电性和热传导性能也非常出色。根据石墨烯的性质，你认为石墨烯不能用来制成（　　） A．熔断器中的保险丝 B．折叠屏手机的屏幕 C．高压输电用的导线 D．隧道据进机的钻头 【答案】A 【详解】A．石墨烯的导电性好，则相同条件下电阻较小，而保险丝要选用电阻较大的材料来制成，所以石墨烯不能做保险丝，故A符合题意； B．石墨烯硬度高于钻石，柔韧度也非常出色，可以做折叠屏手机的屏幕，故B不符合题意； C．石墨烯具有优良的导电性，所以可以用来制成高压输电用的导线，故C不符合题意； D．石墨烯是目前世界上最薄、最坚硬的纳米材料，所以可以做隧道掘进机的钻头，故D不符合题意。 故选A。 5．各种新材料的应用正在改变我们的生活，石墨烯就是其中的一种。石墨烯质地坚硬，并有着出色的导电性和导热性，下列物体中不适合使用石墨烯制作的是（　　） A．高压输电导线 B．隔热手套 C．防弹衣 D．电子元件 【答案】B 【详解】A.石墨烯具有出色的导电性，用其制作高压输电导线可以减少输电过程中的电能损耗，适合使用，故A不符合题意； B.隔热手套需要材料具有良好的隔热性能，而石墨烯的导热性非常好，无法起到隔热保暖的作用，不适合制作隔热手套，故B符合题意； C.石墨烯质地坚硬，强度高，是目前已知强度最高的材料之一，可用于制作防弹衣，能够有效抵御子弹的冲击，故C不符合题意； D.石墨烯具有出色的导电性，非常适合用于制造电子元件，可以提高电子元件的性能和运行速度，故D不符合题意。 故选B。 6．全球最大的压缩空气储能项目在我国并网发电，其工作原理如图所示。在用电低谷时段利用电网多余电能驱动压缩机压缩空气，将能量存储于地下盐穴中；在用电高峰时段高压空气被释放，膨胀对外做功，使膨胀机转动，产生电能输送至电网，通过高压线向用电地区输电。以下说法正确的是（    ） A．用电低谷时通过电动机和压缩机，电能转化为内能储存起来 B．压缩空气驱使膨胀机转动与汽油机做功冲程的能量转化相同 C．发电机原理是奥斯特发现的电流的磁效应 D．高压输电能够减小输电线上的发热损失 【答案】ABD 【详解】A．在用电低谷时段利用电网多余电能驱动压缩机压缩空气，压缩机消耗电能，空气被压缩，外力对空气做功使空气内能增加，这样将能量存储于地下盐穴中，这一过程将电能转化为内能储存起来，故A正确； B．在用电高峰时段高压空气被释放，膨胀对外做功，使膨胀机转动，产生电能输送至电网，通过高压线向用电地区输电。压缩空气驱使膨胀机转动得过程，是将内能转化为机械能，汽油机做功冲程的能量转化也是将内能转化为机械能，故B正确； C．发电机原理法拉第发现的电磁感应原理，不是奥斯特发现的电流的磁效应，故C错误； D．导线本身的电阻是一定的，根据焦耳定律和电功率公式，输电的电功率一定，电压越高电流越小，电流越小，在一定时间内产生的热量越少，所以高压输电能够减小输电线上的发热损失，故D正确。 故选ABD。 7．如图乙，我国用熔盐和12万块镜子，建成亚洲第一发电站﹣﹣甘肃敦煌100 MW 熔盐塔式太阳能光热电站，其示意图如图甲，该发电站通过电脑控制镜子的方向，持续地将太阳光聚集在塔顶的吸热器上，加热其中的熔盐，使其温度升高。高温熔盐向下流入温度为565℃的高温熔盐罐，热泵将它打人蒸汽发生器，与其中的冷水进行热交换，产生高温高压的水蒸气，水蒸气推动汽轮机带动发电机发电。经过蒸汽发生器后的熔盐，降温回到低温熔盐罐，从而循环下去。该电站的两个熔盐罐中共存储3万吨熔盐（熔点为210℃），白天高温熔盐罐把能量储存起来，夜晚再把罐中的高温熔盐释放出来发电，可以实现24小时稳定电力输出。下列说法正确的是（    ） A．通过镜子将太阳光聚集在塔顶的吸热器上利用了光的反射 B．吸热器加热熔盐产生高温熔盐体现了晶体熔化需要吸热 C．水蒸气推动汽轮机带动发电机发电是将内能转化为机械能 D．为减少输送电能时线路中的电能损耗可采取高压输电的方法 【答案】ABD 【详解】A．镜子将太阳光聚集在塔顶的吸热器上，是利用了光的反射原理，改变光的传播方向，使太阳光汇聚，故A正确； B．熔盐是晶体，吸热器加热熔盐，熔盐吸收热量从固态变为液态，体现了晶体熔化需要吸热，故B正确； C．水蒸气推动汽轮机带动发电机发电，是先将水蒸气的内能转化为汽轮机的机械能，再由汽轮机带动发电机将机械能转化为电能，故C错误； D．根据P=UI，在输送电功率一定时，电压越高，电流越小。再根据Q=I2Rt，电流越小，在输电线路电阻R和输电时间t一定时，线路上产生的热量越少，电能损耗越小，所以为减少输送电能时线路中的电能损耗可采取高压输电的方法，故D正确。 故选ABD。 8．请阅读《最强特高压点亮中国》并回答问题。 最强特高压点亮中国 我国的能源供给和产业发展各具特色，东部产业发展水平较高，西部蕴藏着大量可开发的清洁能源，因此能源和产业的调配是我国协同发展的重要工程。 以电力输送为例，的特高压输电线路，可以在你眨眼瞬间将电能输送到3300公里之外30次。这么长的输电线路，导线上的电阻不仅不能忽略，还会在电流通过时产生大量的热量，造成电能损耗。然而通过红外热像仪的拍摄如图甲所示，我们发现这些传输强大电能的导线并没有像预想的那样因为发热产生过高的温度。为了弄清其中的原理，我们将整个输电线路画成如图乙所示的简图。特高压电站就像是提供电能的电源，某城市电站如同消耗电能的用电器，输电线上的电阻等效为串联在电路中。发电站的功率是稳定的，这取决于发电机组的发电能力。根据，如果我们提高特高压电站的输电电压U，就会降低输电线上的电流，从而减少导线上的电能损耗，这就是高压输电的原理。 除此以外，每束特高压输电线都由多根手臂粗细的导线合成，增大了导线的横截面积，从而进一步降低电能的损耗。但要承载它们的重量就需要无数座坚固的铁塔，为我们架起了这条名副其实的电力“天路”。 (1)常温下铜和铝的物理性质如表所示。结合文中信息综合考虑，架空高压输电线应采用硬度较高的复合材料线芯和相同粗细的多股 （选填“铜”或“铝”）制导线绞在一起制成。 金属 铜 铝 导电性 优 良 密度 8.92 2.70 价格（元/吨） 66800 18800 (2)若某一发电站，将恒定的输电电压U由提高到，通过输电线向较远的另一座电站输电，若输电线的总电阻不变，则在发电功率不变的条件下，输电线上的电流变为原来的 。 (3)请结合文章和所学知识，分析特高压输电导线热量损耗减小的原因。 【答案】(1)铝 (2) (3)见解析 【详解】（1）由表格数据可知，铜的导电性能优于铝，但铝的密度远小于铜，且价格更低。架空输电线需要轻质、低成本的材料，同时保证导电性。 多股导线绞合可增大横截面积，降低电阻，进一步减少电能损耗。铝的密度低、成本低，适合作为架空输电线材料。铜虽导电性更好，但成本高、密度大，不适合大规模架空输电。 （2）发电站发电功率P总恒定。初始电流，提高电压后电流 ​。 电流变化比例 即输电线上的电流变为原来的。 （3）根据，高压输电时输电功率一定，提高输电电压U，就会降低输电线上的电流I，又因为增大输电线的横截面积，它的电阻R变小，所以当通电时间t一定时，特高压输电线产生的热量减小。 四、科普阅读题 9．目前远距离输电主要采取高压输电的方式来实施。在保证输送功率不变的情况下，采用提高电压的方法减少线路上电能的损失。如图1所示是陕西榆林某风力发电场，主要为西安某工业园区供电。已知该电场远距离输电时，输出功率P0＝1.0×108W，输电线路总电阻为10Ω。 (1)风力发电是利用风力带动风车叶片旋转，从而带动风机内的发电机发电。发电机利用 原理发电，高压输电线路的电能损耗主要是电流的 效应。 (2)若输电线路的电流为1250A，则输电电压是多少 kV？ (3)若从榆林到西安的输电效率为90%，输电线上的电流大小为多少 A？ (4)在实际传输电能的过程中，输出电功率一定，将输电电压提高为原来的2倍，则输电线上损失的功率将变为原来的 倍；在高压输电时常用到如图2所示装置，该装置是导体，这是为 （选填“增大”或“减小”）输电线上电能的损失。 【答案】(1) 电磁感应 热 (2)80kV (3)1000A (4) 减小 【详解】（1）[1]发电机是利用电磁感应原理来工作的。 [2]高压输电的电能损失是由于导线发热散失到空气中，这是电流的热效应。 （2）根据P＝UI得到：输电电压为 （3）若从榆林到西安的输电效率为90%，即输电线上损失的功率为 输电线上的电流大小 （4）[1]根据P＝UI，输出电功率一定，将输电电压提高为原来的2倍，则输电线上中的电流为原来的一半，根据焦耳定律Q＝I2Rt可以算出损失的电能，输电线上损失的功率将变为原来的。 [2]在高压输电时常用到如图2所示装置，该装置是导体，相当于增大了导体的横截面积，减小了输电线的电阻，从而减小输电线上电能的损失。 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $$ 19.3 跨学科实践：关注材料的应用 一、高铁受电弓滑板材料 1．我国高铁技术处于世界先进水平，如图所示是为高铁提供电能的“弓网系统”，它是由高压线和与之接触的受电弓组成。则受电弓与高压线接触面的材料一般应选用（    ） A．塑料 B．橡胶 C．陶瓷 D．石墨 2．中国高铁位居世界前列，成为了中国一张亮丽的名片，具有节能、快速、高效、安全、智能和舒适等优势。 (1)节能；动车组减速过程中，可以将机械能转化为电能，实现节能。图 （填“a”或“b”）与其工作原理相同。 (2)快速；复兴号某动车组在高速运行时，若空气阻力占总阻力的80%，与速度的关系为（，的单位为），当该动车组以400km/h的速度匀速直线运动时，该动车组牵引力每小时至少做功 J。（为方便计算，数据已作简化处理） (3)高效；列车网络控制系统可以依托大数据优化停靠站，提高效率。优化前，一动车组以速度匀速行驶，经停某站，先减速一段时间，然后停一段时间，再加速一段时间，恰好恢复到原速度继续匀速行驶。优化后，该动车组不停靠此站，可视为在原路线上一直以速度匀速行驶，则该动车组因不停靠此站而节省的时间为 。（该动车组加速阶段、减速阶段的平均速度均为，题中所给的物理量均为已知量） (4)安全；如图（c），受电弓安装在高铁车箱的顶部，受电弓的碳钢滑板与供电线接触。如果碳钢滑板的同一位置与供电线持续摩擦，会缩短碳钢滑板的使用寿命，更会影响动车组的运行安全，那么图 （填“d”或“e”）的设计能使碳钢滑板的磨损均匀化。 (5)智能；某小组设计了一个冻雨预警电路，如图（f）所示。闭合S后，当环境温度低于0℃（温控开关闭合）且空气湿度高于80%（湿控开关闭合）时，警示灯一直发光并出现持续的亮暗交替现象，发出预警。已知：电源电压恒为6V，定值电阻为10，警示灯标有“6V；0.5A”。当电磁铁线圈中的电流时，电磁铁吸下衔铁，使动触点与下方静触点接触。为实现预警功能，温控开关与湿控开关应 联，请选择合适的接线柱，用笔画线代替导线将电路连接完整 。（图中温控开关与湿控开关之间已正确连接，电磁铁线圈的电阻、温控开关与湿控开关的电阻均忽略不计，只能在标有字母的接线柱上连接导线，导线不能交叉） (6)中国高铁的发展，彰显了我国在科技创新领域的强大实力。请写出你想象的中国高铁最智慧的样子： 。 二、高压输电线材料 3．结合表格数据进行分析，高压输电的导线通常使用铝线而非铜线，主要是因为铝的（    ） 金属 导电性 （以银的导电性为100作标准） 密度 熔点/℃ 硬度 （以金刚石的硬度为10作标准） 铜 99 8.9 1083 3 铝 61 2.7 660 2.7 A．导电性更好 B．硬度更大 C．密度更小 D．熔点更高 4．石墨烯是一种具有多种优异特性的新型材料，其硬度高于钻石，柔韧度、导电性和热传导性能也非常出色。根据石墨烯的性质，你认为石墨烯不能用来制成（　　） A．熔断器中的保险丝 B．折叠屏手机的屏幕 C．高压输电用的导线 D．隧道据进机的钻头 5．各种新材料的应用正在改变我们的生活，石墨烯就是其中的一种。石墨烯质地坚硬，并有着出色的导电性和导热性，下列物体中不适合使用石墨烯制作的是（　　） A．高压输电导线 B．隔热手套 C．防弹衣 D．电子元件 6．全球最大的压缩空气储能项目在我国并网发电，其工作原理如图所示。在用电低谷时段利用电网多余电能驱动压缩机压缩空气，将能量存储于地下盐穴中；在用电高峰时段高压空气被释放，膨胀对外做功，使膨胀机转动，产生电能输送至电网，通过高压线向用电地区输电。以下说法正确的是（    ） A．用电低谷时通过电动机和压缩机，电能转化为内能储存起来 B．压缩空气驱使膨胀机转动与汽油机做功冲程的能量转化相同 C．发电机原理是奥斯特发现的电流的磁效应 D．高压输电能够减小输电线上的发热损失 7．如图乙，我国用熔盐和12万块镜子，建成亚洲第一发电站﹣﹣甘肃敦煌100 MW 熔盐塔式太阳能光热电站，其示意图如图甲，该发电站通过电脑控制镜子的方向，持续地将太阳光聚集在塔顶的吸热器上，加热其中的熔盐，使其温度升高。高温熔盐向下流入温度为565℃的高温熔盐罐，热泵将它打人蒸汽发生器，与其中的冷水进行热交换，产生高温高压的水蒸气，水蒸气推动汽轮机带动发电机发电。经过蒸汽发生器后的熔盐，降温回到低温熔盐罐，从而循环下去。该电站的两个熔盐罐中共存储3万吨熔盐（熔点为210℃），白天高温熔盐罐把能量储存起来，夜晚再把罐中的高温熔盐释放出来发电，可以实现24小时稳定电力输出。下列说法正确的是（    ） A．通过镜子将太阳光聚集在塔顶的吸热器上利用了光的反射 B．吸热器加热熔盐产生高温熔盐体现了晶体熔化需要吸热 C．水蒸气推动汽轮机带动发电机发电是将内能转化为机械能 D．为减少输送电能时线路中的电能损耗可采取高压输电的方法 8．请阅读《最强特高压点亮中国》并回答问题。 最强特高压点亮中国 我国的能源供给和产业发展各具特色，东部产业发展水平较高，西部蕴藏着大量可开发的清洁能源，因此能源和产业的调配是我国协同发展的重要工程。 以电力输送为例，的特高压输电线路，可以在你眨眼瞬间将电能输送到3300公里之外30次。这么长的输电线路，导线上的电阻不仅不能忽略，还会在电流通过时产生大量的热量，造成电能损耗。然而通过红外热像仪的拍摄如图甲所示，我们发现这些传输强大电能的导线并没有像预想的那样因为发热产生过高的温度。为了弄清其中的原理，我们将整个输电线路画成如图乙所示的简图。特高压电站就像是提供电能的电源，某城市电站如同消耗电能的用电器，输电线上的电阻等效为串联在电路中。发电站的功率是稳定的，这取决于发电机组的发电能力。根据，如果我们提高特高压电站的输电电压U，就会降低输电线上的电流，从而减少导线上的电能损耗，这就是高压输电的原理。 除此以外，每束特高压输电线都由多根手臂粗细的导线合成，增大了导线的横截面积，从而进一步降低电能的损耗。但要承载它们的重量就需要无数座坚固的铁塔，为我们架起了这条名副其实的电力“天路”。 (1)常温下铜和铝的物理性质如表所示。结合文中信息综合考虑，架空高压输电线应采用硬度较高的复合材料线芯和相同粗细的多股 （选填“铜”或“铝”）制导线绞在一起制成。 金属 铜 铝 导电性 优 良 密度 8.92 2.70 价格（元/吨） 66800 18800 (2)若某一发电站，将恒定的输电电压U由提高到，通过输电线向较远的另一座电站输电，若输电线的总电阻不变，则在发电功率不变的条件下，输电线上的电流变为原来的 。 (3)请结合文章和所学知识，分析特高压输电导线热量损耗减小的原因。 四、科普阅读题 9．目前远距离输电主要采取高压输电的方式来实施。在保证输送功率不变的情况下，采用提高电压的方法减少线路上电能的损失。如图1所示是陕西榆林某风力发电场，主要为西安某工业园区供电。已知该电场远距离输电时，输出功率P0＝1.0×108W，输电线路总电阻为10Ω。 (1)风力发电是利用风力带动风车叶片旋转，从而带动风机内的发电机发电。发电机利用 原理发电，高压输电线路的电能损耗主要是电流的 效应。 (2)若输电线路的电流为1250A，则输电电压是多少 kV？ (3)若从榆林到西安的输电效率为90%，输电线上的电流大小为多少 A？ (4)在实际传输电能的过程中，输出电功率一定，将输电电压提高为原来的2倍，则输电线上损失的功率将变为原来的 倍；在高压输电时常用到如图2所示装置，该装置是导体，这是为 （选填“增大”或“减小”）输电线上电能的损失。 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $$