人体永动机——靠体温发电能亮的手电筒
备用手电筒一般都是放在家里某个角落里,停电了找东西时才用到,但放置时间久了又没有充电的话,使用起来会发现没电了,那是很气人的 。 但是,今天介绍的这款手电筒就可以避免这种尴尬,它是一款既不需要电池,也不需要太阳能,更不利用风力,而是靠人体体温发电的手电筒-----Lumen手电筒 。 它外形并没有什么特别,就像一张电话卡,如左图所示,其内置一颗温差电池,只要外部环境温度低于体温,将手指放在上面就能利用温差来为小电筒供电,如右图所示 。 这就是体温发电 。 体温发电是通过半导体,利用温差来获取电能 。 温差发电的基本原理是“泽贝克”效应,即两种不同的金属连接起来构成一个闭合回路时,如果两个连接点的温度不一样,就能产生微小的电压,且温差越大,产生的电压越大 。
Lumen就是利用了这一原理,其上配备一个热电发电机( TEG )的陶瓷部件,它的上部可以感受你手指的温度,下部感受环境温度,再通过两者的温度差进行发电,进而让手电筒工作 。
如果环境温度为 28 摄氏度,Lumen 就相当于在 3V 电压下产生 15mA 的电流,过多的电能将被储存在内置的电容器里 。
Lumen手电筒比起传统手电筒来说,照明功率偏小,但光通量更大,更方便在照明不良情况下找寻物体,安全导航以及在黑暗中阅读 。
请根据上述材料,回答下列问题:
(1)体温发电的根本原理是人体和周围环境间存在
(2)除了文中所讲利用体温发电比用电池供电的优点外,你觉得还有哪些?说一点即可
(3)实际使用中利用体温发电能获得大范围的电压值吗?为什么?
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材料一:从超高压走向特高压
高压线是一种输送电能的基础设施。按照不同的电压等级,高压输电一般可分为高压、超高压和特高压。
中国的电力系统中,常见的110千伏和220千伏输电属于高压输电。
超高压输电指电压等级为交流330~750千伏和直流千伏~千伏的输电,是跨省输电的“神兵利器”。为何远距离输电需采用如此高的电压?因为功率输送极限与电压的平方成正比,提高电压等级能大幅提高功率极限,并降低远距离输电的电阻损耗,“送电多,损耗少”。
要把我国西部、华北地区丰富的水力、风力、太阳能和煤炭资源转化为清洁电能并输送到数千里之外的中东部负荷中心,还需要采用电压等级更高、技术更先进的输电技术,那便是特高压。特高压是指电压等级为交流1000千伏及以上和直流千伏及以上的输电技术。
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材料二:“昆柳龙直流工程”
“昆柳龙直流工程”是国家“十三五”规划明确的跨省区输电重点示范工程。工程采用kV三端混合直流输电技术,满负荷最大输送功率千瓦,从云南出发,跨过1452公里的高山河湖,把电站丰沛的水电分别送往广东和广西的用电负荷中心。该工程预计每年送电330亿度,为粤港澳大湾区经济发展用电需求奠定坚实基础。
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回答以下问题:
(1)水力发电厂和风力发电厂是把水和风的
(2)远距离输电需要采用高电压的原因是功率输送极限与
(3)“昆柳龙直流工程”的电压等级属于
(4)高压输电线的电压远远超出安全电压,以下行为中会导致触电的有:
①触碰高压输电线;
②和高压输电线靠得很近;
③当高压输电线掉落地上后经过该区域
(5)迎峰度夏期间,昆柳龙直流工程多次达满负荷运行,则单日送电量最高可达
隔电墙与水电阻
家庭电热水器(如图甲)工作时,加热器内胆里的水有时也会通电。为保证人的洗浴安全,几乎所有电热水器都要求安装“隔电墙”(如图乙)。隔电墙(Safe Care)是一种简称,它确切的表述法是“水电阻衰减隔离法”。它是利用了水本身所具有的电阻的特性,通过对管径和距离的的调整,形成“隔电”的效果。干燥时人体电阻的平均值约1000~2000Ω,皮肤潮湿时,阻值降为300Ω左右。隔电墙中每1cm水电阻约200Ω。为保证人体安全,只要控制通过人体的电流不超过一个阈值即可。因此在设计隔电墙时,一般会尽量增加水流的长度,以达到增大电阻,减小电流的目的。如图丙,将水流路径设计成螺旋线结构来增加水流的长度。虽然隔电墙有一定的保护作用,但为了保护自己生命安全,最有效的措施,还是淋浴的时候把电热水器插头拔掉。
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(1)家庭电路电压为
(2)淋浴时,水电阻与人体呈
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。
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请回答以下问题:(已知ρ水=1×103kg/m3,g=10N/kg)
(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0.22m3),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,水发生的物态变化是
压敏电阻
压敏电阻是阻值一种对电压敏感、具有非线性伏安特性的电阻器件,随着加在它上面的电压改变,它的电阻值可以从MΩ(兆欧)级变到mΩ(毫欧)级。
图给出了压敏电阻的伏安特性曲线。当外加电压较低时,流过压敏电阻的电流极小,此时它相当于电路中一个处于断开状态的开关。当外加电压达到或超过压敏电阻敏感电压时,压敏电阻器迅速导通,其工作电流会激增几个数量级,此时它相当于一个闭合状态的开关。人们利用压敏电阻的这一功能,可以有效地保护复杂电路中的某些精密元件不会因电压过大而损坏,抑制电路中经常出现的异常电压。
![](https://img.xkw.com/dksih/QBM/2022/1/14/2894483013754880/2895896967479296/STEM/804649ea-d173-45c2-b3d3-4965600c71b5.png?resizew=170)
请根据上述材料,回答下列问题:
(1)压敏电阻的阻值随
(2)当外加电压较低时,压敏电阻阻值
(3)为了保护电路中某些精密元件不会因电压过大而损坏,压敏电阻应与该元件
(4)小红认为压敏电阻的敏感电压值越大越好。你觉得小红的想法对吗?请说出你的判断并做出解释
珀尔贴效应和半导体冰箱
图甲是由X及Y两种不同的金属导体所组成的封闭线路,接通电源之后,连接点A处和B处,会有一处温度降低,吸收热量,另一处温度升高,放出热量,这就是珀尔贴效应。此效应还是可逆的,即当电流方向改变时,原来的吸热端变为放热端,而原来的放热端变为吸热端。对珀尔帖效应的物理解释是:电荷载体(即自由电荷,如金属中的自由电子)在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能量状态,即处于不同的能级,从低能级向向高能级运动时,从外界吸收能量,这类似于人行走在不同高度的台阶上具有不同的能量,从低处走到高处时需要消耗其他形式的能量。相反,从高能级向低能级运动时,向外放出能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。科学家发现:两接头的温度高低和吸放热的快慢与两种材料有关,通常两种金属的珀尔贴效应并不明显,P型半导体和N型半导体在应用中吸放热效果更明显。半导体冰箱的简单结构如图乙,将P型半导体、N型半导体铜片及铜导线连成一个回路,回路由12V电源供电(如图乙),通电后,连接P型和N型半导体上端的铜片变冷(置于冰箱内部),下端的变热(连接冰箱后面散热器)。为了取得更大的制冷效果,实际的电子冰箱是把多对PN型半导体按图丙连接起来的。1837年,俄国物理学家楞次发现,电流的方向决定了吸收还是产生热量,发热(制冷)量的多少与电流的大小成正比,比例系数称为“珀尔贴系数”。
![](https://img.xkw.com/dksih/QBM/editorImg/2022/11/4/3501b1e8-10cd-4bc3-9557-fbc62b3a1102.png?resizew=567)
(1)图甲中若将金属Y也换成金属X,通电时A处
(2)如果电荷载体从N型半导体通过连接点至P型半导体时需要从外界吸收能量,则
A.电荷载体能级变高连接点温度升高
B.电荷载体能级变高连接点温度降低
C.电荷载体能级变低连接点温度升高
D.电荷载体能级变低连接点温度降低
(3)如图丙所示,多对PN型半导体对的连接方式是
A.串联
B.并联
C.既有串联又有并联
D.无法确定
(4)如图丙所示,应该将
(5)以甲图为例,设想金属导体X和Y的电阻不变,A处放热,若电路中的电流变为原来的2倍时,则金属导体X内部的发热功率变为原来的
神奇的二极管
二极管是一种重要的半导体电子元件,具有特殊的导电性,当电流从“+”极流进二极管时,二极管导通,相当于一根导线;而电流从“-”极流入时,二极管断路,实际上不会有电流通过。
(1)二极管是由
(2)为了探究二极管的特殊导电性,连接了图甲和图乙两个电路,电源电压为3V,闭合开关S,甲图中的灯泡不亮,电压表示数为
(3)二极管的特殊导电性源自于构成材料P型半导体和N型半导体组成的晶片,受此启发,科研人员利用P型半导体元件和N型半导体元件串联,接上直流电源后,半导体材料的两端会产生温度差(珀尔帖效应),制成了电脑的散热器,如图丙所示,二对PN型半导体对是
![](https://img.xkw.com/dksih/QBM/2022/11/16/3110907426390016/3112418078785536/STEM/2e62c8a27eb641b0a0bb7d4abf4fc17f.png?resizew=25)
![](https://img.xkw.com/dksih/QBM/2022/11/16/3110907426390016/3112418078785536/STEM/2e62c8a27eb641b0a0bb7d4abf4fc17f.png?resizew=25)
![](https://img.xkw.com/dksih/QBM/editorImg/2022/11/19/afe035bf-f3b5-4b9c-840b-b0c1b363a2b1.png?resizew=393)