“奋斗者”号潜水器——下潜和上浮的奥秘
2020年我国全海深载人潜水器“奋斗者”号(如图甲所示)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。普通潜艇是通过向水舱中充水或从水舱中向外排水来改变自重,从而控制其下潜或上浮的。但万米深度,水压非常大,潜水器无法产生这么大的高压,不能将舱室内的海水排出。“奋斗者”号潜水器是如何实现下潜和上浮的呢?
第一,改变自重
为了实现下潜和上浮,“奋斗者”号底部外挂了压载铁如图乙所示,下潜开始时,压载水箱开始注水并调整姿态,达到“最舒服的状态”后,开始下潜,在临近海底时,潜水器会抛掉第一组压载铁使自己悬浮在水中,并按照作业计划进行海底作业。完成作业后,潜水器会抛掉第二组压载铁,使潜水器所受的浮力大于自身的重力,加速上浮返航。
第二,穿件“救生衣”
为帮助上浮,奋斗者号还穿有一件“救生衣”——浮力块,浮力块的材料为微米级大小的空心玻璃微珠。空心玻璃微珠具有密度小、耐磨耐高温、隔音隔热、电绝缘等优点,抗压能力超过110MPa。
除此之外潜水器还需要尽可能降低它的重心,以提高其稳定性,也要使自身重力分布均匀,如果重力分布不均匀,在下潜或上浮过程中,平衡就会受影响,所以要合理放置压载铁、浮力块等物体。
请根据上述材料回答下列问题。
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(1)“奋斗者”号在马里亚纳海沟坐底深度10909m时,海水对它的压强约为
(2)“奋斗者”号下潜时采用水箱注水,上浮时不用水箱排水而用抛掉压载铁的方式减重,原因是
(3)若每块压载铁的重力和体积均相同,每块压载铁的重力为5000N,在海水中所受浮力为625N,则当潜水器完成作业后抛掉第二组(2块压载铁)时,潜水器所受的浮力比自身的重力大
请你根据空心玻璃微珠的优点,想一想在日常生活中空心玻璃微珠可以应用在哪些方面,举一例。
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背负式机动喷雾喷粉机
背负或机动喷雾喷粉机(以下简称背负机)主要由机架、离心风机、汽油机、油箱、药箱和喷洒装置等部件组成,如图甲所示。图乙为工作原理图,离心风机与汽油机输出轴直连,汽油机带动风机叶轮旋转,产生高速气流,并在风机出口处形成一定压力,其中大部分高速气流经风机出口流经喷管,而少量气流流进药箱内,使药箱中形成一定的气压,消毒液在压力的作用下流到喷头,从喷嘴周围的小孔以一定的流量流出,先与喷嘴叶片相撞,初步雾化,再与高速气流在喷口中冲击相遇,进一步雾化,弥散成细小雾粒,并随气流吹到很远的前方。
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表一:背负机部分参数 | |
净重(kg) | 12 |
药箱容积(L) | 15 |
油箱容积(L) | 1 |
表二:公共场合消杀标准 | |
消毒液配比用量参照表 | |
浓度(药液和水质量比) | 1∶100 |
混合液喷洒浓度 | 100mL/m2 |
(2)关于喷雾喷粉机,以下说法正确的是
A.汽油机带动风机叶轮旋转时,叶轮惯性越来越大
B.气流在流动过程中,流速越大,压强越大
C.喷洒管选用塑料的原因是利用了塑料的隔热性好
D.在喷洒过程中,消毒液对容器底部压强越来越小
(3)下表为喷头流量的性能测试参数,流量指单位时间内喷头送出消毒液的体积。由表中数据可知,流量随喷头面积的增大而
喷头面积S/mm2 | 0.5 | 0.6 | 0.8 | 1.0 | 1.2 |
流量Q/(mm3/s) | 12.5 | 18.0 | 32.0 | 72.0 |
②使用该型号背负机给场地面积为500m²的体育馆进行标准消杀,至少需要装满多少桶消毒液
水下滑翔机
水下滑翔机是一种新型的水下机器人。我国具有自主知识产权的2台万米级“海燕一X”水下滑翔机,最大下潜深度达10619m,刷新了水下滑翔机下潜深度的最新世界纪录。图甲所示为一种水下滑翔机,图乙是其部分结构示意图。(g取10N/kg)
(2)已知海水密度随深度变化的情况如图丙所示,当该滑翔机在海面下200m深时,该滑翔机所受的液体压强是
(3)该滑翔机总重515N,当外油囊内无油时,滑翔机排开水的体积为
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半潜船
如图甲所示半潜船,是通过改变自身重量实现上浮和下沉的。半潜船淹没在水中的体积比例高,因此半潜船受到水面上的波浪影响相对较小,能够保持较佳的稳定性而适合当作水上的工作平台使用。如图乙所示,半潜船通过调整水舱内的压载水质量,把装货甲板潜入水中,等待货物装载,当货物拖至甲板上方后,再次调整水舱内的压载水,船体上浮,即完成装载。
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(1)半潜船是通过改变
(2)当半潜船依次处于图乙中三种状态时,从左至右船底受到水的压强分别为p1、p2、p3,则压强由小到大的顺序是
(3)甲板面积为6000m2,当甲板下潜至水下2m时,受到水的压力为
(4)半潜船上安装的船舶驱动系统功率为6000kW,效率为90%,当它以6m/s的速度匀速航行时,半潜船所受的阻力是
地效翼船
如图甲,地效翼船停在水面像船,起飞后更像飞机,既可以在水中航行,又可以贴近水面飞行。这种海上飞船除了能借助机翼获得升力外,还巧妙地利用了翼地效应。翼地效应即当运动的飞行器掉到距地面(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。如图是我国研制成功的某型号地效翼船H,它的参数如下表一所示。(升阻比是指飞行器在飞行过程中,升力与飞行阻力的比值,当飞行器受到的升力大于或等于总重时才能飞行)
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表一:
自重/kg | 2500 | 最大载重/kg | 1250 |
升阻比 | 20~40 | 单次最大飞行距离/km | 600 |
表二:
速度v(m/s) | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 |
阻力f(×104N) | 1.0 | 4.0 | 9.0 | 16 | 25 |
(2)下列有关地效翼船的说法中正确的是
A.地效翼船外壳的特种钢板硬度小
B.翼地效应使船获得升力的施力物体是空气
C.地效翼船升空时受到大气压变小
D.地效翼船从长江驶入东海所受浮力变大
(3)地效翼船H满载后停在海面时,受到的浮力为
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(4)请在图乙中描点作出地效翼船H在海面航行时受到阻力f与速度v的关系图线
(5)当地效翼船H以55m/s的水平速度飞行时,载重为500kg,升阻比为25,则它受到的飞行阻力为
(6)若有6位中学生从岸上登上地效翼船H参观,则地效翼船H排开海水的体积约增加
神奇的天宫课堂
2022年3月23日下午,“天宫课堂”第二课在中国空间站正式开讲并直播,神舟十三号乘组航天员翟志刚、王亚平、叶光富进行授课。这是中国空间站第二次太空授课。在约45分钟的授课时间内,航天员相互配合,生动演示了微重力环境下太空冰雪实验、液桥演示实验、水油分离实验,太空抛物实验,这些实验现象跟在地面上的实验现象有非常明显的差别,使无数中学生感受到了太空环境下科学实验的魅力。
王亚平在太空舱中演示了这样一个实验:把一枚“冰墩墩”沿水平方向抛出,“冰墩墩”并没有像在地面上抛出的物体一样落回地面,而是做近乎完美的匀速直线运动。科学计算表明,在太空舱中的物体受到的地球引力大约是在地面附近的88. 5%,如果地球对物体的吸引力恰好能使物体绕地球做圆周运动,在太空舱中的物体就好像重力完全消失了一样,物体将处于“完全失重”状态。但是由于地球并非是个完美的球体且密度分布不均匀,并且太空舱在运动中受高空稀薄空气阻力的影响,使得太空舱的运动轨道不是完美的圆形且速度大小会有波动,因此太空舱中的物体也并非处于严格的“完全失重”状态。
(1)王亚平在太空舱中时,相比起在地球,她的质量
(2)“冰墩墩”在太空舱中被抛出后做近似匀速直线运动,主要原因是
A. “冰墩墩”受到跟运动方向相同的推力作用
B. 地球对“冰墩墩”没有吸引力
C. 地球对“冰墩墩”的吸引力很小
D. 地球对“冰墩墩”的吸引力绝大部分使它绕地球做圆周运动
(3)地面课堂的同学也同步尝试完成水油分离实验。将瓶子里的水和油摇晃均匀后静置于水平桌面上,水和油会逐渐分离,因为油的密度比水
(4)航天员长时间驻留在太空舱内,需要进行体育锻炼以保证身体健康,防止身体各部分机能退化。下列可以在太空舱内进行的体育活动有
A. 跳绳 B. 拉弹力带 C. 打篮球 D. 举重
(5)“天宫课堂”上,航天员叶光富在太空中表演转身,却怎么也转不过去,此时叶光富
漏刻刻漏,又称水钟,是中国古代的一种比较精确的计时工具,主要由几个铜水壶组成,又叫“漏壶”,如图甲所示,从上往下分别是日壶、月壶、星壶、箭壶;上面的三个壶的底部都有一个小眼。箭壶的结构图如图乙所示,里面有一个由箭杆和木块组成的箭舟,随着箭壶内的水逐渐增多,箭舟也慢慢上浮,在箭杆上面刻有精确的刻度,根据箭杆露出的刻度,就可以准确的读出时间。每隔一天,向日壶中装满水,将箭壶里的水倒空,根据白天日晷上指示的时间,向箭壶中倒入适量的水进行校准,相当于“调零”。如果仅用一个壶进行滴漏计时,滴漏的速度会随着壶中水量的减少而降低,计时的误差较大,而决定漏壶计时的准确性,最重要的是调整好日壶、月壶的滴漏速度,确保星壶中的水面高度在一天内几乎不变。
(2)用漏刻计量时间,保持星壶水位的稳定是提高计时精确度的关键。若水位降低,会导致滴水速度
(3)科技小组分别自制了简易沉箭漏和浮箭漏,如图
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(5)若要增加此装置的计时总时长,可以采取的措施是
半潜船
如图甲所示半潜船,是通过改变自身重量实现上浮和下沉的。半潜船淹没在水中的体积比例高,因此半潜船受到水面上的波浪影响相对较小,能够保持较佳的稳定性而适合当作水上的工作平台使用。如图乙所示,半潜船通过调整水舱内的压载水质量,把装货甲板潜入水中,等待货物装载,当货物拖至甲板上方后,再次调整水舱内的压载水,船体上浮,即完成装载。
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(1)半潜船是通过改变
(2)当半潜船依次处于图乙中三种状态时,从左至右船底受到水的压强分别为p1、p2、p3,则压强由小到大的顺序是
(3)甲板面积为6000m2,当甲板下潜至水下2m时,受到水的压力为
(4)半潜船上安装的船舶驱动系统功率为6000kW,效率为90%,当它以6m/s的速度匀速航行时,半潜船所受的阻力是
惊心动魄的3分钟
海水跃层也称“跃变层”,它是指海水中某水文要素在竖直方向上出现突变或不连续剧变的水层。如果海水跃层是上层密度大、下层密度小的状态,形成负密度梯度跃变层,被称为“海中断崖”。潜艇在水下航行中,若突遭“海中断崖”,会急剧掉向海底,称为“掉深”,大多数常规潜艇的安全潜深为300m,潜艇不受控制地掉到安全潜深以下时,会被巨大的海水压力破坏,造成失事。
中国海军372潜艇一次远航战备巡逻中,就碰见“掉深”的情况。“掉深”的372潜艇的主机舱管路发生破损,艇长立即发出命令:“损管警报!向所有水柜供气!”。不到10秒钟,应急供气阀门打开,所有水柜开始供气:1分钟内,上百个阀门关闭,数十种电气设备关闭;2分钟后,全艇各舱室封舱完毕,但“掉深”依然继续。3分钟后,“掉深”终于停止,深度计开始缓慢回升。372潜艇闯过鬼门关,化险为夷,创造了我军乃至世界潜艇史上的奇迹。(取海水的密度为1×103kg/m3,g取10N/kg)
(1)潜艇遇到“海中断崖”时,潜艇会失去平衡而急剧下沉的原因是
A.海水密度变大 浮力变大 重力不变
B.海水密度变小 浮力变小 重力变大
C.海水密度变大 浮力不变 重力变小
D.海水密度变小 浮力变小 重力不变
(2)潜艇下潜至300m深度时受到海水的压强等于标准大气压的
(3)“向所有的水柜供气”的目的是
(4)潜艇“掉深”有所减缓,但不会立即停止,这是因为潜艇具有
(5)某潜水艇总质量为2.6×103t,体积为3×103m3,要使它从海面潜入海水中,至少要向水柜充入
仿生学—潜水艇
自古以来,自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。
鱼儿在水中有自由来去的本领,人们就模仿鱼类的形体造船,以木桨仿鳍。我国古代劳动人民观察鱼在水中用尾巴的摇摆而游动、转弯,他们就在船尾上架置木桨。通过反复的观察、模仿和实践,逐渐改成橹和舵,增加了船的动力,掌握了使船转弯的手段。
鱼儿还能在水中自由自在的上浮和下潜,你们知道是为什么吗?在鱼的肚腔的软腹部位有鱼鳔,鱼鳔里面全是气体,可以收缩或膨胀,如图所示。鱼鳔是鱼游泳时在水中深浅位置的调节器,当鱼在栖息的水层用尾鳍使鱼体稍向下沉时,随着水深增加,水对鱼体的压强增大,鱼体对鱼鳔的压强增大,鱼鳔收缩,鱼肚变小,减少鱼体排水量,所受浮力变小,鱼便自然下潜。反之,鱼从较深处向原栖息水层(上层)游动时,水压减小,鱼鳔膨胀使鱼肚变大,鱼体排水量增加,鱼所受浮力加大,自然上浮。人们发明潜水艇的灵感就来自可以在水中任意上下游动的鱼。
![](https://img.xkw.com/dksih/QBM/editorImg/2023/1/4/83e8c13d-4f48-4c6c-a6cf-6ff74d78d3a2.png?resizew=194)
在人类的历史中,人类从动物身上得到许许多多宝贵的启示,根据动物的体型结构和特殊功能,发明了各种先进的设备应用于生活中,这就是仿生学。同学们,神奇的大自然,等待着你们去观察、去学习。希望你们通过学习物理,能以物理学视角去认识自然、理解自然,从自然界获得更多的启示。
请根据上述材料,回答下列问题
(1)当鱼上浮时,鱼鳔会
(2)请你简述鱼类下潜和潜艇下潜的原理;
(3)请你再列举一个仿生学应用的实例。