挺进深海
2020年11月10日,我国全海深载人潜水器“奋斗者”号在世界最深的马里亚纳海沟(深度10909m)成功坐底,刷新了中国载人深潜的纪录,达到了目前全海深载人潜水器的最高标准。马里亚纳海沟可谓是地球上环境最恶劣的区域之一,底部完全黑暗、温度低,并且有着巨大水压,“奋斗者”号的外壳坚固,才能保证在下潜过程中形状不变。“奋斗者”号在执行下潜任务前需要根据在不同海域测得的海水温度、盐度和深度等参数精确地计算下潜时所需要的“压载铁”质量,所谓“压载铁”,就是给“奋斗者”号增加总重的“铁块”。完成潜水工作后,还需要根据实时水文数据抛卸压载铁,以减小“奋斗者”号的总重从而开始上浮。
“奋斗者”号的成功下潜反映了我国当代科技工作者持续奋斗、勇攀高峰的精神风貌,每一位为中国探索星辰大海、保卫国泰民安、创造繁荣富强的工作者,都是这个时代最美的“奋斗者”!
请根据上述材料,回答下列问题:
(1)由文中信息可知,马里亚纳海沟底部环境恶劣,由于
(2)“奋斗者”号在完成潜水工作后需要根据实时水文数据抛卸压载铁开始上浮,此时它的浮力
(3)在一次测试中测得马里亚纳海沟某海域海水密度和深度h的关系如图图像所示,请结合图像分析说明“奋斗者”号在此海域下潜过程中,随着下潜深度的增加,所受的浮力如何变化?(请写出分析过程)
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武汉长江大桥,是中华人民共和国成立后修建的第一座公铁两用的长江大桥,也是武汉市重要的历史标志性建筑之一,素有“万里长江第一桥”美誉。
武汉长江大桥西起楚琴立交,上跨长江水道,东至中山路;线路全长1670.4米,主桥全长1155.5米;上层桥面为双向四车道城市主干道,设计速度100千米/小时,下层为双线铁轨,设计速度160千米/小时;总投资额为1.38亿人民币。(1)武汉长江大桥一共有8个桥墩9个桥孔,水面未达到桥孔,则整座大桥所受到的浮力是
(2)武汉长江大桥纪念碑与大桥一并落成,碑高6米,重约20吨,南面镌有毛泽东同志“一桥飞架南北,天堑变通途”的诗句,观景平台是游人赏长江、看大桥的最佳位置之一;纪念碑受到的重力是
(3)一辆列车长度为500米,当列车以设定的速度通过主桥时,约用
无砟(zhǎ)轨道的高速列车
无砟轨道(如图甲)的路基不用碎石,铁轨和轨枕直接铺在混凝土上。这可减少维护、降低粉尘等。沪宁城际高速铁路已建成投入运营,标志着我国进入了高速铁路时代。高速列车在无砟轨道上运行时如子弹头般穿梭而过,时速可达350千米(如图乙)。传统铁路的钢轨是固定在枕木上,之下为小碎石铺成的路砟(如图丙)。(1)列车设计为子弹头型,目的是为了在运行过程中
(2)列车在匀速行驶过程中,列车的动力
(3)传统的铁路轨道路砟和枕木的作用是
①增大受力面,防止铁轨因压力太大而下陷到泥土里
②可以减少噪声和列车振动
③可以减少维护、降低粉尘
④可以吸热、增加透水性
A.①②③ B.①②④ C.①③④ D.②③④
无砟(zhǎ)轨道的高速列车
无砟轨道(如图甲)的路基不用碎石,铁轨和轨枕直接铺在混凝土上,这样可减少维护、降低粉尘等。高速列车在无砟轨道上运行时如子弹头般穿梭而过,时速可达350km/h(如图乙),传统铁路的铁轨是固定在枕木上,之下为小碎石铺成的路砟(如图丙)。(1)列车设计成子弹头型,目的是(2)启动时,列车由静止变为运动,其惯性
(3)在高速行驶的动车上,相对于座椅来说,桌子是
(4)动车的车窗旁配备“逃生锤”,遇到紧急情况时,乘客可以用“逃生锤”砸破玻璃逃生,为了更容易砸破玻璃,“逃生锤”外形应该选择
A、 B、 C、 D、
(5)传统的铁路轨道路砟和枕木的作用是①增大受力面,防止铁轨因压力太大而下陷到泥土里
②可以减少噪声和列车振动
③可以减少维护、降低粉尘
④可以吸热、增加透水性
A.①②③ B.①②④ C.①③④ D.②③④
三峡工程是一项伟大的工程,主要由大坝、电站厂房和通航建筑物三部分组成.三峡大坝上窄下宽.蓄水位高达175m,水从高处落下,冲击涡轮进行发电,年平均发电量880亿千瓦时,三峡大坝正常蓄水后,上下游水位落差达113m,为方便船只在上、下游之间往返,三峡船闸设有5个闸室.三峡大坝蓄水后,水域面积扩大使附近地区昼夜温差缩小,改变了库区的气候环境.
请在上面的材料中找出与物理相关的描述,并说明所涉及的物理知识,填写下表.(不能与示例相同,物理知识不能重复.)
相关的描述 | 物理知识 | |
示例 | 三峡大坝上窄下宽 | 液体压强随深度的增加而增大 |
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2 |
研究物理问题常用的方法
在学习物理过程中,我们不仅学习到了具体的物理知识,还接触到了许多物理研究方法,其中控制变量法、模型法、类比法、等效替代法和转换法等是研究物理问题时常见的方法。比如在研究电流与电压的关系时,需要控制电阻不变,这是用了控制变量法;在研究杠杆的平衡条件时,需要将实际的硬棒抽象为没有质量的杠杆模型,这是用了模型法;学习电流的概念时将电流与水流类比,这是用了类比法:耳熟能详的“曹冲称象”,使大量石块对船的作用效果与大象对船的作用效果相同,从而通过称量石块的质量得出了大象的质量,这是用了等效替代法。转换法在很多地方也有运用。将不可见、不易见的现象转换成可见、易见的现象,或者将难以测量或测准的物理量转换为能够测量或测准的物理量,都是用了转换法。比如通过微小压强计U形管两侧液面的高度差反映液体内部的压强的大小;通过电流的热效应和磁效应判断电流的存在:根据磁体吸引大头针数量的多少判断磁体磁性的强弱:在电热丝加热煤油的实验中用煤油温度的变化反映电流通过电热丝产生热量的多少等等,都用到了转换法。
此外,很多测量仪器也利用了转换法。比如用实验室常见的液体温度计测温度时,我们是根据温度计中液柱的长短来识别温度高低的,这就是将温度的测量转化为长度的测量。同理,利用电流表测电流时,我们是在量程确定的情况下根据电流表指针偏转的角度来识别电流大小的,这就是将电流的测量转化为角度的测量。
(1)根据电路中的小灯泡正在发光,可判断出此时电路中有电流,这一判断采用的研究方法是
A.控制变量法 B.等效替代法 C.转换法 D.模型法
(2)如图所示的测量仪器中,将所测量的物理量转化为长度测量的是
A.停表 B.弹簧测力计
C.电压表 D.电能表
澡精灵
澡精灵简易热水器由于易于安装,价格低廉,实用性强,被网友评为没有热水器的宿舍必备“神器”之一。如图为它的产品实拍图(图1)和原理图(图2),它是利用自来水的水流通过混合器流速变快压强变小而在大气压的作用下将开水“吸”上来混合成温水淋浴的一种简易淋浴器。使用时将接头套在自来水龙头上,花洒喷头持钩安装在不高于1.8m位置,把“吸热管”插入准备好的热水容器里,打开自来水龙头,喷头就会流出混合好的温水,安装时最好将盛热水的容器放置在50cm以上的凳子上并加固,以提高出水温度。
水温可以通过温度调节阀(如图3)进行调节,它的滚轮向下调节时热水吸管的横截面积会变小,另外对水温影响还有几个要素:第一,自来水流速越大,出水温度越高;第二,热水与喷头的高度差越小,出水温度越高;第三,热水温度越高,出水温度越高。(1)如果觉得喷头出来温度偏高,则可以将水龙头开
(2)下列与该热水器的工作原理相同的是
A.图钉做得帽大头尖B.水坝做得上窄下宽
C.飞机机翼上凸下平D.摩擦过的塑料梳子可以吸引细小水流
(3)为了提高“吸”热能力,混合器的结构示意图最好设成下列中的
A.B.
C.D.
(4)热水在吸管上升,是由于(5)如果洗澡过程中未作任何调节,且不考虑冷热水以及环境温度的变化,则洗澡过程中喷头出水温度将
雪龙2号
2022年10月26日,中国第39次南极考察队队员搭乘雪龙2号极地考察船(如图1所示),从上海出发,执行南极科学考察任务。雪龙2号极地考察船船长122.5米,船宽22.3米,排水量13996吨,是全球第一艘具有船首、船尾双向破冰技术的极地科考船。它具备全回转电力推进功能和冲撞破冰能力,可以在冰厚1.5米的条件下以3节(1节=1.852千米/时)的航速连续破冰航行,可实现原地360°自由转动。该船装备有国际先进的海洋调查和观测设备,能在极地冰区海洋开展海洋化学、生物多样性调查等科学考察。
雪龙2号船首的下部前沿凸起的部分叫做破冰艏(shǒu)柱(如图2所示),它是用特殊的耐低温高强钢打造,厚度达100mm,可以在零下40℃的低温环境中保持足够的强度和韧性。雪龙2号在极地破冰时,4台主发电机满负荷的运行,源源不断的动力推动巨大的船身前进。遇到厚度1.5米以下的冰层,雪龙2号以3节的航速冲上去,碰到冰层以后,冰层会把船头往上抬,船因为比较重又压下去,这样不断反复,破冰艏柱犹如一把利刃切开厚重的冰层,船首重压连续破冰。当冰层厚度增加到2米,雪龙2号连续向前破冰受阻时,会采用冲撞式破冰。在厚冰海域,雪龙2号还可以采取艉(wěi)向破冰,即利用船尾从上方重压冰层,下方螺旋桨同时将水流和碎冰掏空,使得冰层在上下的压力下塌陷,以后退状态掏冰航行,实现双向破冰。
雪龙2号是一艘智能型船舶,它是将现代信息技术、智能技术等新技术与传统船舶技术进行融合,以使船舶在使用时更加安全、更加环保、更加经济和更加可靠。雪龙2号在船体和设备上一共分布着七千多个传感器,对整船的性能、设备、系统和运行状态进行监控。这些传感器为雪龙2号编织了一张安全网,使雪龙2号成为了最安全的船舶之一、雪龙2号极地考察船是中国第一艘自主建造的极地科学考察破冰船,填补了中国在极地科考重大装备领域的空白。根据上述材料,回答下列问题:
(1)估算雪龙2号极地考察船满载时受到的浮力大约是
(2)列举雪龙2号极地考察船破冰的方法
探海神器——“蛟龙”号
2012年6月24日是个伟大的日子!“蛟龙”号载人潜水器深潜7020米新纪录诞生,“神舟九号”宇宙飞船与“天宫一号”手动交会对接成功,“蛟龙”与“神九”互致祝福,进行了穿越海天的对话,实现了“可上九天揽月,可下五洋捉鳖”的伟大梦想!
目前,“蛟龙”号具备了在全球99.8%的海洋深处开展科学研究、资源勘探的能力。“蛟龙”号的形状外观如图所示,部分参数见下方表格:
“蛟龙”号部分参数 | |
长×宽×高 | 8.2米×3.0 ×米× 3.4米 |
自身质量 | 22吨 |
最大荷载 | 240公斤 |
载人 | 限3人 |
最大速度 | 25海里/小时 |
巡航速度 | 1海里/小时 |
最大工作设计深度 | 7000米 |
正常在水下工作时间 | 12小时 |
这次深潜纪录的创造反映了“蛟龙”号高端技术的创新与突破。
新技术突破——高速水声通信技术电磁波在海水中传播的距离很有限,而普通水声传输又有延时长、复杂环境中有效提取信号难等严重缺陷,“蛟龙”号潜入深海数千米,如何实现实时通讯是个重要难题.中国科学院研发了具有世界先进水平的高速水声通信技术——利用通信声呐进行水下通信联络,成功解决了这一难题。通信声呐是由发射基阵和接收基阵组成,基阵又由换能器基元组成。换能器一般用压电陶瓷材料制成,可将发射机产生的电信号转换为声信号,也可以将接收机接收的声信号转换为电信号。此次“蛟龙”与“神九”成功实现穿越海天对话,高速水声通信技术功不可没。
新技术突破二——大容量充油银锌蓄电池“蛟龙”号搭载的是我国自主研发的、储存电能超过110千瓦时的大容量充油银锌蓄电池,该电池的蓄电能力为美国同类潜水器蓄电池的2倍,成功解决了“蛟龙”号正常水下工作时间长,但又不能携带太重蓄电池的困难。
新技术突破三——悬停定位和自动航行由于不同海域、不同深度的海水密度不同,“蛟龙”号在水中受到的浮力是变化的。按潜航员叶聪的说法,“这次7000米级海试的试验海域,根据测量,海面海水的密度是每立方米1021公斤,而7000米深的海水密度变成每立方米1059公斤。‘蛟龙’号自重22吨,算下来在7000米深度时受到的浮力大概比在海面时要大800多公斤力”(公斤力是工程中常用的力的单位,1公斤力大约等于10牛)。
浮力的变化要靠压载铁来平衡,所谓“压载铁”,就是给“蛟龙”号增加重量的铁块。“蛟龙”号海试团队用周密的数学模型,能根据在不同海域测得的海水温度、盐度和深度等参数精确地计算下潜时所需要的“压载铁”重量。
“蛟龙”号挂好所需压载铁,注水下潜,当下潜至预定深度时,“蛟龙”号能克服自身晃动、海底洋流等内外干扰,通过适时抛掉一定数量的压载铁,利用相关技术实现悬停.此外,“蛟龙”号还具备自动定向、定高、定深三大功能,能够在复杂环境中自动航行,在已公开的消息中,尚未有国外深潜器具备类似功能,当完成工作后,潜航员再抛掉适量的压载铁,实现上浮,可见,无论是下潜,悬停,还是上浮,压载铁的作用都是巨大的。
“祝愿中国载人深潜事业取得新的更大成就!祝愿我们的祖国繁荣昌盛!”,“神九”航天员景海鹏在太空向“蛟龙”号的祝贺,送出了全体中华儿女的心声!
(1)换能器可实现(2)潜艇下潜深度一般是几百米,而“蛟龙”号下潜深度一般是几千米,“蛟龙”号在深海中必须通过抛掉压载铁实现上浮,而不是像潜艇那样采用排水的方法实现上浮,请写出可能的原因及你的理由:
(3)请估算“蛟龙”号的体积大小,并写出估算过程。
潜水有很多种,潜水员要随身携带气罐的方式叫水肺潜水。金属气罐是潜水员携带的最重物品,能够让潜水员呼吸一小时左右,但是除了气罐,根据不同使用需求,潜水时还要配备许多其他装备。
人在呼吸时肺部大小会随之发生变化,吸气时胸部扩张、呼气时胸部收缩,导致人的体积也会随呼吸而增大和减小,因此潜水员主要通过调整呼吸实现上浮和下潜,但是无论上浮还是下潜都不能太快,避免水压剧烈变化对身体造成不良影响,但是上浮下潜过程中,水压会随深度变化而发生变化,所以人的体积也会随之而变,浮力大小难以维持稳定不变,因此潜水员在调整呼吸的同时,还要使用一个被称为浮力控制装置(BCD)对浮力进行微调,帮助潜水员实现在某一深度处悬浮、缓慢下潜或上浮。
BCD是什么呢?如果在没有装备的情况下在水中保持不动,人的身体很难保持长时间稳定,这是因为身体不同部位的密度不同造成的,这时BCD就能发挥作用,它能帮助身体保持稳定。其结构如图所示,如果潜水员打开充气阀,充排气管可以将气罐内空气传输至气囊中;如果打开排气阀,气囊中的空气可以从排气口直接排出。当自水中上升时,由于深度减小,水的压强下降,BCD内空气会膨胀,所以BCD都配备有一个防爆泄压阀来减少BCD破裂的可能性,它通常会在气囊内部压强过大时自动打开。(1)身体不同部位的密度不同,例如人体组织中肌肉的密度较大,而脂肪密度较小,因此在水中,
(2)当潜水员在水下准备进一步下潜时,应当
(3)当潜水员从水下上浮过程中(未露出水面前),为了保持上浮速度缓慢而稳定,应对BCD气囊适当
(4)请你推测制作BCD气囊的材料需要具备哪些特点?
如图甲是我国首艘“海上飞船”——“翔州1”。它的最大起飞质量为2.5t,巡航速度140~160km/h,最大航速可达210km/h,最高能爬升至150m,可乘坐7人。它既可以在水中航行,又可以贴近水面飞行。该设计利用了“翼地效应”,即当运动的飞行器距离地面(或水面)很近时,气流流过机翼后会向后下方流动,这时地面(或水面)将产生一股向上的反推力,使整个机体的上下压力差增大,升力会陡然增加,阻力减小。(1)“翔州1”在水面上飞行时,机翼
(2)“翔州1”在平静的水面上由静止开始运动,若运动过程中受到的阻力不变,水平方向获得的动力F随运动时间t的变化关系如图乙所示。t=50s后,“翔州1”以20m/s的速度做匀速直线运动。则在0~50s内,“翔州1”的运动状态是
(3)“翔州1”靠岸后,有5名乘客登岸,则船排开海水的体积约减少
海燕10619米,是水下深潜滑翔机“海燕”在2020年7月16日对外公布的最大潜深,这一数字再次刷新了此前由其自己保持的水下滑翔机下潜深度的世界纪录。“海燕”在2018年曾创下8213米的潜深世界纪录。此次再创纪录的是“海燕”谱系中的“海燕”万米级水下滑翔机,是国家重点研发计划“深海关键技术与装备”专项支持下开发的新型万米级轻型水下观测系统。
(1)中国水下滑翔机为了减轻滑翔机的质量,采用了一种碳纤维材料制成外壳,这种材料具有
(2)如图所示,当“海燕”在海面下10000m处时,受到海水的压强为
(3)“海燕”配备油囊装置,需要上浮时,油羹会鼓起来,从而使得排开水的体积
大国重器:世界最大起重船
起重船是一种用于水上起重作业的工程船舶,广泛应用于海上大件吊装、桥梁工程建设和港口码头施工等领域,起重船“振华30”,是中国制造的世界最大起重船,被誉为“大国重器”,排水量约25万吨,具备单臂固定起吊12000吨、单臂全回转起吊7000吨的能力,世纪工程——港珠澳大桥沉管的安放安装就是由“振华30”完成.安装沉管过程中,“振华30”将6000吨的沉管从另一艘船上吊起,然后在空中水平旋转了90°,最后将沉管放入水中,实现双向对接,“振华30”依靠两侧的“侧推器”确保在洋流中保持平稳,使沉管能精准对接,“振华30”每侧均有一个输出功率为825kW的“侧推器”,“侧推器”工作时,向一侧喷出水流水,从而产生与喷水方向相反的侧推力,从而实现船体的平稳。(1)在起重船顶端安装有定滑轮,其作用是(2)如图乙所示,吊起沉管后,“振华30”主船体浸入水中的体积增加了
(3)“振华30”在沉管安装过程中,若因为流向原因,造成洋流仅对船左侧产生F=5.5×104N的冲击力,如图丙所示,为了保持船体平稳,需开启