Question

2013年12月14日中國(guó)造的“玉兔號(hào)”月球車成功降落于月球上．月球車質(zhì)量140千克，以太陽(yáng)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(cè)月雷達(dá)、粒子激發(fā)X射線譜儀等科學(xué)探測(cè)儀器．月球的吸引力是地球的六分之一，每個(gè)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(guò)了3個(gè)月，超出了設(shè)計(jì)壽命．它現(xiàn)在處于月夜休眠期，人們期待其接下來(lái)繼續(xù)優(yōu)秀的月面探險(xiǎn)表現(xiàn)，同時(shí)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(cè)月球表面附近是否有磁場(chǎng)，下列方案中合理的是

 

．
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(wú)磁場(chǎng)
B．用導(dǎo)線將電流表、直導(dǎo)體連接起來(lái)，使直導(dǎo)體在月球表面附近沿某一方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，若電流表的示數(shù)為零，則可判斷月球表面附近無(wú)磁場(chǎng)
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(yùn)動(dòng)時(shí)，若電流表的示數(shù)為零，則可判斷月球表面無(wú)磁場(chǎng)
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(gè)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，若發(fā)現(xiàn)電流表的示數(shù)有時(shí)不為零，則可判斷月球表面附近有磁場(chǎng)
（2）月球車的動(dòng)力裝置一般選用電動(dòng)機(jī)而不是內(nèi)燃機(jī)，請(qǐng)你說(shuō)說(shuō)為什么？
（3）某中學(xué)的幾個(gè)航天迷設(shè)計(jì)了一個(gè)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(dòng)機(jī)和燈泡分別用作動(dòng)力裝置和照明光源．設(shè)計(jì)的電路如圖2所示，請(qǐng)你說(shuō)出其電路設(shè)計(jì)中不科學(xué)的地方．（要求說(shuō)出兩點(diǎn)）
（4）如圖1所示，當(dāng)月球平穩(wěn)地行走在月球上時(shí)，求月球車對(duì)月球表面的壓強(qiáng)．
（5）報(bào)道，我國(guó)某科研單位研究制的太陽(yáng)能月球車（研制過(guò)程的樣品），它上面的太陽(yáng)能接收板的有效面積為S=4m²，太陽(yáng)晴朗且接收板對(duì)著太陽(yáng)時(shí)，每平方米面積上能接收到太陽(yáng)的功率為P₀=1kW，太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電壓為U=120V，可供電動(dòng)機(jī)正常工作的電流為I=8A．那在電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)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(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，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(shí)所獲得的牽引力是180N，則該車勻速行駛時(shí)的速度是多大？

Answer 1

分析：（1）根據(jù)“在電路閉時(shí)，導(dǎo)體棒切割磁感線，電路中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流”分析解答此題．
（2）解決此題要知道內(nèi)燃機(jī)是要用氧氣的，而月球上沒(méi)有空氣，也就沒(méi)有氧氣，故只有用電力驅(qū)動(dòng)．
（3）從串聯(lián)電路的特點(diǎn)和節(jié)約能源的角度分析此題．
（4）根據(jù)G=mg求出月球車具備的重力，對(duì)地面的壓力等于其總重力，根據(jù)p=

F

S

求出它對(duì)地面的壓強(qiáng)．
（5）先求出電動(dòng)機(jī)消耗的電能，然后求出太陽(yáng)能消耗的太陽(yáng)能，最后求出太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的效率；
（6）求出電動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率，然后由功率公式P=Fv的變形公式求出車行駛的速度．

解答：解：（1）用導(dǎo)線把靈敏電流表，直導(dǎo)體連接成閉合回路，然后讓直導(dǎo)體向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，看靈敏電流計(jì)指針示數(shù)是否為零，靈敏電流計(jì)示數(shù)為零說(shuō)明月球表面無(wú)磁場(chǎng)，不為零說(shuō)明月球表面有磁場(chǎng)．故ABC錯(cuò)誤，D正確．
（2）內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)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?yàn)樵虑蛏蠜](méi)有空氣，也就沒(méi)有氧氣，在月球上內(nèi)燃機(jī)無(wú)法正常工作，所以月球車不用內(nèi)燃機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)．
（3）由圖可知，電動(dòng)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(gè)裝置（燈泡或電動(dòng)機(jī)）壞了的時(shí)候，另外一個(gè)裝置就無(wú)法正常工作，癱瘓了．
②不管白天黑夜，只要月球車啟動(dòng)，燈泡就是亮的，有點(diǎn)浪費(fèi)．
（4）它對(duì)地面的壓力F=G=mg=140kg×10N/kg=1400N；
∵月球的吸引力是地球的六分之一，
∴它對(duì)月球的壓力F′=

1

6

F=

1

6

×1400N=

700

3

N，
∵月球車有6個(gè)輪子，每個(gè)車輪與月球表面接觸面積為50cm²，
∴月球車與月球表面接觸面積S=6×50cm²=300cm²=0.03m²，
則月球車對(duì)月球表面的壓強(qiáng)p=

F

S

=

700 3 N

0.03m2

≈7777.8Pa，
（5）設(shè)電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)間為t，電動(dòng)機(jī)工作消耗電能為：
W_電=Pt=UIt=120V×8A×t=960t（J），
太陽(yáng)能電池消耗太陽(yáng)能為：
W_太=P_總×t=PS×t=1×10³W/m²×4m²×t=4×10³t（J）
太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的效率η=

W電

W太

×100%=

960×t

4×103×t

×100%=24%；
（6）電動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率P_機(jī)=P_總×75%=UI×75%=120V×8A×75%=720W，
由P=

W

t

=

Fs

t

=Fv，得該車勻速行駛時(shí)的速度v=

P機(jī)

F

=

720W

180N

=4m/s．
答：（1）D；
（2）因?yàn)樵虑蛏蠜](méi)有空氣，也就沒(méi)有氧氣，在月球上內(nèi)燃機(jī)無(wú)法正常工作，所以月球車不用內(nèi)燃機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)；
（3）①當(dāng)其中有任意一個(gè)裝置（燈泡或電動(dòng)機(jī)）壞了的時(shí)候，另外一個(gè)裝置就無(wú)法正常工作，癱瘓了．
②不管白天黑夜，只要月球車啟動(dòng)，燈泡就是亮的，有點(diǎn)浪費(fèi)；
（4）月球車對(duì)月球表面的壓強(qiáng)為7777.8Pa；
（5）太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的效率是24%；
（6）該車勻速行駛時(shí)的速度是4m/s．

點(diǎn)評(píng)：此題以“玉兔號(hào)”月球車成功降落于月球上為例考查了壓強(qiáng)的大小及其計(jì)算、速度公式及其應(yīng)用、地磁場(chǎng)、電路的基本連接方式、太陽(yáng)能的其他計(jì)算等多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，綜合性很強(qiáng)，要求學(xué)生具備全面扎實(shí)的物理學(xué)知識(shí)，有一定的難度，屬于難題．