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。
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反渗透,英文为ReverseOsmosis,它所描绘的是一个自然界中水分自然渗透过程的反向过程。早在1950年美国科学家DR∙S∙Sourirajan无意中发现海鸥在海上飞行时从海面啜起一大口海水,隔了几秒后吐出一小口的海水。他由此而产生疑问:陆地上由肺呼吸的动物是绝对无法饮用高盐份的海水,那为什么海鸥就可以饮用海水呢?这位科学家把海鸥带回了实验室,经过解剖发现在海鸥嗉囊位置有一层薄膜,该薄膜构造非常精密。海鸥正是利用了这层薄膜把海水过滤为可饮用的淡水,而含有杂质及高浓缩盐份的海水则被从口中吐出。这就是以后逆渗透法(ReverseOsmosis简称RO)的基本理论架构。对透过的物质具有选择性的薄膜称为半透膜,一般将只能透过溶剂而不能透过溶质的薄膜称之为理想半透膜。当把相同体积的稀溶液(例如淡水)和浓溶液(例如盐水)分别置于半透膜的两侧时,稀溶液中的溶剂将自然穿过半透膜而自发地向浓溶液一侧流动,这一现象称为渗透。当渗透达到平衡时,浓溶液一侧的液面会比稀溶液的液面高出一定高度,即形成一个压差,此压差即为渗透压。渗透压的大小取决于溶液的固有性质,即与浓溶液的种类、浓度和温度有关而与半透膜的性质无关。若在浓溶液一侧施加大于渗透压的压力时,溶剂的流动方向将与原来的渗透方向相反,开始从浓溶液向稀溶液一侧流动,这一过程称为反渗透。反渗透是渗透的一种反向迁移运动,是一种在压力驱动下,借助于半透膜的选择截留作用将溶液中的溶质与溶剂分开的分离方法,它已广泛应用于各种液体的提纯与浓缩,其中最普遍的应用实例便是在水处理工艺中。反渗透膜的孔径非常小,因此能够有效地去除水中比反渗透膜孔径大的溶解盐类、重金属离子、有机物、胶体、细菌、病毒等。利用反渗透原理进行水提纯系统具有水质好、耗能低、无污染、工艺简单、操作简便等优点。反渗透膜能截留直径大于0.0001微米的物质,是最精细的一种膜分离产品,其能有效截留所有溶解盐份及分子量大于100的有机物,同时允许水分子通过,以获得高质量的纯净水。
请根据上述材料,回答下列问题:
(1)要将自来水中的无机盐、重金属离子、有机物、胶体、细菌、病毒等杂质阻隔,并使之无法通过反渗透膜,从而使可以透过的纯水和无法透过的浓缩水严格区分开来,反渗透膜的孔径要达到
(2)图甲中容器两侧液面在自然状态下,液体的流动方向是:
(3)图乙中两侧液体静止达到液透平衡,如果左右容器横截面积均为100cm2,要实现反渗透,需要在图甲中
(4)RO反渗透是当前最先进的净水分离技术,请举出一个它在生产生活中的应用:
材料一:最近在温州瓯江某地出现了一种新的水利工程,见甲图;工程建拦河橡胶坝1座,坝长425米,分5跨.每只坝袋高5.25米,长为84米;坝袋的基本结构和横切面见乙图(坝袋可视作柱形容器).该工程以水电开发(年发电量6314万千瓦时)和改善城区水环境为主,兼顾航运和改善灌溉条件等综合开发利用.同时,水位的升高和两岸的建设,使城市的生活环境更加优越.
材料二:橡胶坝是随着高分子合成材料工业发展而出现的一种新型水上建筑物,有高强度帆布做强力骨架,形成一个筒状密封袋,锚固在坝基上,旱季橡胶坝袋内充水(或气),以满足工农业及生活用水需要,雨季泄出坝袋内的水(或气)而不影响河道泻洪.目前,橡胶坝已被广泛应用于灌溉、发电、防洪和城市美化环境.
(1)①若每只坝袋的自重为20吨,坝袋内部的横截面积为40米2,坝袋与坝基接触宽度为10米(如图乙),那么充满水的坝袋对坝基的压强为多少?
②水坝建成后,瓯江的蓄水量大增,生物种类和数量更多.水体中能固定太阳光能的藻类等各种绿色植物属于该生态系统成分中的
③从环境保护和资源利用角度分析,建设水坝的意义是
(2)修建山区水库既可以防洪水,还能发电和灌溉,其发电过程简化如图丙.
①水库大坝修建时,下部B比上部A宽的原因是
②汛期时,开闸排水,水的流量是60米3/秒,每小时排水
③汛期时,开闸排出的水冲击水轮机,使发电机组发电,若此时每秒钟水释放的机械能为1.2×106焦,能量利用的效率为25%,该水库发电机组的发电功率多大?
“更立西江石壁,截断巫山云雨,高峡出平湖”,这是毛泽东在《水调歌头·游泳》中对于三峡大坝的宏伟设想,而今这一愿望得以实现。三峡大坝位于中国湖北省宜昌市三斗坪镇境内,工程包括主体建筑物及导流工程两部分,全长约3335m,坝顶高程185m。工程于1994年12月14日正式动工修建,2006年5月20日全线修建成功。兴建三峡工程的首要目标是防洪,同时还有发电、通航、枯水期补水、调节生态等多方面的功能。
2020年6月8日在长江主汛期来临前夕,三峡大坝上游水位已消落至防洪限制水位145m,提前腾出全部防洪库容。入汛以来,通过长江流域的控制型水库群发挥联合调度的拦蓄调控,在7月第3号洪水来临时,三峡水库水位从7月25日的约158.5m持续上涨,至7月29日,最高涨至将近163.5m。三峡水库避免了上游洪水与洞庭湖洪水叠加,有效缓解了长江中下游防洪压力,对长江2020年第3号洪峰产生有效拦截。
在大坝的左、右两侧有水电站厂房,机组单机额定容量70万千瓦。左岸山体内还有永久船闸和升船机。永久船闸为双线五级连续梯级船闸,可通过万吨级船队。爬升式垂直升船机,一次过船规模为3000吨级,最大垂直升降高度113m,上升速度约为0.1m/s,是世界上规模最大、技术难度最高的升船机项目。吨级的大型客轮过坝时间由通过永久船闸的3.5h缩短为约40min,使长江黄金水道通航效益及社会经济效益得以充分发挥。
三峡工程是中华民族在三峡谱写的一首新的民族之歌,世界第一的三峡大坝和世界上最大的水电站以及通航建筑物,成为新的世界奇观。
请根据上述材料回答下列问题;
(1)三峡工程包括主体建筑物及
(2)从2020年6月8日到7月29日,水对三峡大坝底部的压强
(3)升船机提升船只时对船做功的最大功率约为
高速发展的国防科技助力中国梦。保卫着祖国大海的国产新一代核潜艇,它的外壳采用高强度合金钢焊接,排水量约万吨,下潜深度约600米;守护着祖国大地的新一代洲际战略弹道导弹,它采用三级固态燃料火箭进行助推,射程远,能搭载更多的核弹头作战,承载着飞天梦想的“嫦娥四号”探测器成功着陆月球背面,拍摄了人类第一张月球背面的照片,它的太阳能储存板在夜间也可供电,开启了月球探测的新篇章。
(1)排水量约万吨的核潜艇,排水量指的是潜艇满载时排开水的
(2)请从文字中找两个物理信息,并指出对应的物理知识
例如:物理信息:“高强度合金”,物理知识:承受较大的压强。
挺进深海
2020年11月10日,我国全海深载人潜水器“奋斗者”号在马里亚纳海沟深度10909m处成功坐底,刷新中国载人深潜的纪录,并在水下停留6小时。“奋斗者”号不仅在深度上达到了目前全海深载人潜水器的最高标准,还大幅度提高了部件的国产率。马里亚纳海沟是世界上最深的海沟,海沟底部有着巨大水压,同时完全黑暗、温度低,可谓是地球上环境最恶劣的区域之一、由于不同海域、不同深度的海水密度不同,“奋斗者”号在海水中受到的浮力是变化的。“奋斗者”号的外壳坚固,其在下潜过程中体积保持不变,浮力的变化要靠压载铁来平衡。所谓“压载铁”,就是给“奋斗者”号增加总重的铁块。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。“奋斗者”号装配所需的压载铁下潜,当下潜至预定深度时,通过适时抛掉一定数量的压载铁,并利用相关技术实现悬停。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”!
(1)“奋斗者”号在马里亚纳海沟下潜时承受的海水对它产生的最大压强约为
(2)“奋斗者”号在深海中通过抛卸压载铁由静止开始上浮时,其所受的浮力
(3)如果在一次测试中测得的马里亚纳海沟某海域海水密度ρ和深度h的关系如图所示,请分析说明“奋斗者”号这样的深潜器在此海域加速下潜过程中随着下潜深度的增加,所受的浮力如何变化
深海勇士-—挺进深海
深海勇士号载人潜水器是我国自主设计的第二台深海载人潜水器,如图所示。其主要技术参数如下表(部分数据作近似处理),深海勇士号挂有适当数量的压载铁(载荷),可通过改变压载铁的数量,来控制其下沉或上浮。2023年5月20日,国家文物局利用深海勇士号载人潜水器对南海西北陆坡一号沉船进行了第一次考古调查。体积/m3 | 100 | 质量/kg | 2×10⁴ |
最大载荷(不包括乘员质量)/kg | 220 | 最大下潜深度/m | 4500 |
乘员/人 | 3 | 最大速度/节 | 2.5 |
(2)加速下沉的深海勇士号,若在经过某一密度均匀的海水区域时,迅速抛掉部分压载铁,使其所受浮力的大小等于所受重力的大小,不计水的阻力,则深海勇士号将
A.继续加速下沉 B.减速直线下沉 C.匀速直线下沉 D.立即静止
(3)当深海勇士号处于1000m深的工作区时,所受的浮力为
(4)深海勇士号深潜器采用无动力下潜上浮技术,是靠改变压载铁的数量来实现浮沉的。为什么深海勇士号在深海中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
2024年5月21日,我国第三艘航母福建舰(图甲)出海开展首次航行试验。福建舰是中国首艘平直甲板的电磁弹射航母,纯国产设计和制造而成,满载时排水量8万余吨。正常情况下,可搭载超过70架各式舰载机。
福建舰电磁弹射系统为舰载战机提供了稳定和强大的起飞能力,可以使飞机实现瞬间起飞,保证100%的起飞成功率。电磁系统的弹射车与舰载机的前轮连接,并处于强磁场中,当弹射车内的导体通入强电流时,立即产生强大的推力,使舰载机快速起飞。(1)福建舰满载航行时排水量为8万吨,此时它受到的浮力为
(2)舰载机机翼的横截面设计成如图乙所示的形状,飞行时机翼上表面附近的空气流速
(3)如图丙是一架歼-20停在航母的甲板上,歼-20是我国自主研发的。具有隐形功能的第五代战机,它的机身材料和涂层对雷达发射的电磁波有良好的
深海勇士
深海勇士号载人潜水器简称“深海勇士”,是中国第二台深海载人潜水器(如图所示),它的作业能力达到水下4500米。潜水器取名深海勇士,寓意是希望凭借它的出色发挥,像勇士一样探索深海的奥秘。
深海下潜,水下压强会随着深度增加而增大,而载人舱是潜水器的心脏,一般会做成球形(如图所示)。要保证舱里潜航员的安全,球舱的薄厚、尺寸、性能、甚至圆度都有严苛的要求,容不得半点的马虎和疏漏。深海勇士的载人舱由钛合金制成,而钛合金焊接工艺难度极高,此前只有俄罗斯掌握,现在,我国也独立掌握了此项技术。深海装备所用固体浮力材料是海洋勘察及深海工程中极为关键的核心材料,固体浮力材料实质上是一种低密度、高强度的多孔结构材料,属复合材料。为提供尽可能大的浮力,固体浮力材料密度达到了0.4~0.6 g/cm3,耐压强度则在40M~100MPa。潜水器里有比水重的钛合金材料,也有比水轻的浮力材料,这样,就能够达到一个“平衡”的状态,进行比较自如的航行操作,并且非常节约能源。深海勇士是通过压载水箱和部分压载来实现在海中的无动力下潜和上浮的。它开始是浮在水面上的,通过对内部的压载水箱注水,使得其自身重量增加从而开始下潜。深海勇士的压载水箱大约可以注入1m3海水,注满后就开始以每分钟50m左右的速度下潜。当深海勇士接近指定的作业深度时,它就会抛弃携带的下潜压载,从而悬浮在水中。完成作业后,它抛弃上浮压载,实现无动力上浮。
在拥有7000米级作业深潜器之后,为何还要研制4500米级作业潜水器?这是出于海洋科学考察、勘探和开发海洋资源的需要。海底蕴藏着丰富的资源,已探明的锰结核、热液硫化物、天然气水合物等的储量远远超过陆地,有数不清的秘密和宝藏等待人类去发现。当前国际深海科学前沿的热液硫化物一般分布于2000米到3000米之间,而4500米的设计深度就可以满足大部分深海科学研究,这是一个更为经济实用的选择;另外,我国4500米载人作业潜水器国产化率已达到92%至95%,这不但极大降低了运行成本,也提升了其可靠性。
同时,中国万米级载人潜水器的研制也正有条不紊地进行着,预计将在2020年完成研制。万米级载人潜水器建成投入使用后,将会创造新的“中国深度”!
根据上述材料,回答下列问题。
(1)固体浮力材料的特点是
(2)深海勇士的无动力下潜和上浮过程是通过改变
(3)请你预测一下深海勇士无动力下潜60分钟时,它距离海平面的深度大约为
模拟微重力环境的装置——中性浮力水槽
为了在地面模拟航天员在太空受到的失重环境,我国建设了特殊的“潜水池”——中性浮力水槽(图甲)。在训练时,航天员需下沉至水下9米左右的深度,为获得与太空中相似的失重环境与失重感,需要在下水前通过增减配重的方法使自身的重力与浮力基本相等。为了充分模拟出舱任务,在水槽中需要穿着水下训练服(图乙),它也是密闭设备,结构与舱外航天服基本一致,整体柔软,内部充有气体,重达130kg。为了协助身着厚重水下训练服的航天员安全下水,水槽边配备有可伸缩的长臂吊车。
为了进行训练,水下训练服与地面设备之间配备了一条脐带,可用于输送新鲜空气、提供用于调节体温的冷却水等,脐带中还有电缆,用于岸上指挥员与水下航天员之间的语音交互。因为水具有导电性,为了航天员的安全,相关设备的功率比较小。
完成训练后,潮湿的训练服在储存前需要干燥处理,防止霉变及锈蚀。
请回答以下问题:(已知)
(1)为了水中航天员的人身安全,与水下训练服连接的设备电压不超过
(2)长臂吊车将航天员匀速向下送入水槽的过程中,航天员的动能
(3)航天员在训练时,受到水的压强约为
(4)某航天员质量为70kg,身着训练服在水槽中进行模拟训练时(训练服与配重的总体积约为),其所受浮力大小为
(5)航天员如果移到稍高的位置继续练习时,应给训练服
(6)潮湿的训练服进行干燥处理时,发生的物态变化是
电熨斗
生活中常用电熨斗来熨烫衣服.甲图为常见的电熨斗图乙是电熨斗结构图.
电熨斗中有一个双金属片制成的自动开关.双金属片是由长和宽相同的铜片和铁片组成,且两金属片被紧紧地铆在一起,受热时铜片膨胀得比铁片大,双金属片便向铁片那边弯曲,温度越高,弯曲得越显著.常温时,双金属片端点的触点与弹性铜片上的触点相接触.当电熨斗与电源接通时,电热丝发热,双金属片受热弯曲,当温度升高到设定温度时,双金属片顶端的触点与弹性铜片上的触点分离,电路断开.金属底板散热,温度降低,双金属片恢复原状,电路接通.
电熨斗工作时的温度可以调节,将调温旋钮上的升降螺丝上下调节,双金属片和弹性铜片上的触点随之上下移动.双金属片弯曲程度不同,金属底板温度也就不同.由于衣服的质料不同,熨烫时所需的温度也各不相同.一般来说,棉织品比化纤衣物耐高温.
(1)电熨斗通电工作时,是把电能转化为
(2)下图四种双金属片中符合图乙中电熨斗安装要求的是
(3)电熨斗通电工作时,若突然断开电源,两触点
(4)将调温旋钮上的升降螺丝下调时,弹簧铜片的弹性势能
A.增大 B.减小 C.不变 D.以上都有可能
(5)熨烫完棉织品衣服再熨烫化纤衣服,调温旋钮上的升降螺丝
LED节能灯
LED节能灯是用高亮度发光二极管作光源.LED作为一种新型的节能、环保的绿色光源产品,具有很多诱人的特性.例如:
a.高效节能:1 000小时仅耗几度电(普通60 W白炽灯17小时耗1度电,普通10 W节能灯100小时耗1度电);
b.超长寿命:半导体二极管发光,无灯丝,无玻璃泡,不怕震动,不易破碎,使用寿命可达五万小时(普通白炽灯使用寿命仅有一千小时,普通节能灯使用寿命也只有八千小时);
c.健康:光线健康.光线中不含紫外线和红外线(普通灯光中含有紫外线和红外线);
d.绿色环保:不含汞和氙等有害元素,利于回收,而且不会产生电磁干扰(普通灯管中含有汞和铅等元素,节能灯中的电子镇流器会产生电磁干扰);
e.保护视力:直流驱动,无频闪(普通灯都是交流驱动,就必然产生频闪);
f.光效率高:发热小,90%的电能转化为可见光(普通白炽灯80%的电能转化为热能,仅有20%电能转化为光能).
LED节能灯必将会得到推广,在节能减排的浪潮中大放光彩.
请回答下列问题:
(1)LED节能灯工作时把
(2)若一盏LED节能灯工作1 000小时消耗了3度电,则此灯的电功率是
(3)我们
无链条电动自行车如图所示,无链条电动自行车被称为“没有链条的混合动力电动自行车”。它结合了电驱动力和人体动力,此车既可以通过给锂电池充电获得能量;也可以通过骑行者踩脚踏板获得能量。骑行者踩脚踏板的动能,可通过车上的发电机转化为电能,存储在自行车框架中的锂电池内,之后通过电动机驱动后轮转化成动能,以此驱动自行车前进。因此使骑行者更省力,同时减少了对环境的污染。
图中所示这款无链条电动自行车,其锂电池容量为10Ah(电池容量是指放电电流与放电时间的乘积)、电压为30V。若骑行者不踩脚踏板,仅靠锂电池驱动,即仅靠“电力驱动”可正常行驶18km;若骑行者踩脚踏板辅助锂电池给车提供能量,即“混合动力驱动”可连续行驶32km。
(1)骑行者踩脚踏板的目的是把
(2)无链条电动自行车的车把龙头是
(3)如图中这款车的锂电池最多所储存的电能约为多少