无翅飞奔——磁悬浮列车
磁悬浮列车(如图所示)是现代新型的轨道交通工具,是对传统轮轨铁路技术的一次革新.磁悬浮列车不使用机械力,主要靠电磁力使车体浮离轨道.由于轨道的磁力作用使列车悬浮在空中,行走时无需接触地面,因此我们叫它“会飞的列车”.因没有轨道摩擦,其阻力只有空气阻力,所以,磁悬浮列车车速有了较大的提升.轮轨普通列车的速度约为120 km/h,轮轨高速列车的速度约为300 km/h,而磁悬浮列车的最高速度可以达到500 km/h,比高铁还要快,是当今世界上最快的地面客运交通工具之一.
磁悬浮列车具有速度快、爬坡能力强、能耗低、噪声小、安全舒适、不燃油、污染少等优点;采用高架方式,占用的耕地很少;与普通的轮轨列车相比还具有性价比高、寿命长、维修费用低、节能环保等优点.在整个运行过程中,它是在无接触、无摩擦的状态下实现高速行驶的,因而具有“地面飞行器”及“超低空飞行”的美誉.
磁悬浮列车是一种采用无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统的磁悬浮高速列车系统.它是利用磁极相互作用,即“同名磁极相互排斥,异名磁极相互吸引”的原理,让磁铁对列车产生向上的磁力来抗拒地心引力,使车体完全脱离轨道,悬浮在轨道上方,腾空行驶.
由于磁铁有同性相斥和异性相吸两种不同的磁作用,因此磁悬浮列车也有两种相应的工作形式:一是利用磁铁同性相斥原理设计的电磁运行的磁悬浮列车,它利用车上超导体电磁铁形成的磁场与轨道上线圈形成的磁场之间所产生的相互斥力,使车体在悬浮的铁路上运动.二是利用磁铁异性相吸原理而设计的电动力运行系统的磁悬浮列车,它是在车体底部及两侧倒转向上的顶部安装磁铁,在T形轨道的上方和伸臂部分下方分别设反作用板和感应钢板,控制电磁铁的电流,使电磁铁和导轨间保持10 mm左右的间隙,并使导轨钢板的吸引力与车辆的重力平衡,从而使车体悬浮于导轨面上运行.
磁悬浮列车上装有电磁体,铁路底部则安装线圈.通电后,地面线圈产生的磁场极性与列车上的电磁体极性总保持相同,两者“同性相斥”,排斥力使列车悬浮起来.铁轨两侧也装有线圈,交流电使线圈变为电磁体.它与列车上的电磁体相互作用,使列车前进,列车上某点的电磁体(N极)被轨道上靠前一点的电磁体(S极)所吸引,同时被轨道上稍后一点的电磁体(N级)所排斥,结果一“拉”一“推”,这样,列车由于电磁极性的转换而得以持续向前奔驰.
请根据上述材料,回答下列问题:
(1)磁悬浮列车是利用
(2)利用磁铁异性相吸原理而设计的电动力运行系统的磁悬浮列车,其高速运行时,导轨钢板对列车的吸引力和列车
(3)简述磁悬浮列车在设计时,为提高运行速度,采取了哪些措施.
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会移动的石头
在死亡谷泥浆戈壁上有着许多会自行移动的石头;这些会移动的石头大小不一,移动的路线有的笔直,有的曲折,有的甚至能转弯;为什么石头会自己移动?有人提出石头移动是因为冰熔化后造成的滑动现象;但根据相关知识可知,石头的移动不是因为冰熔化而造成的;因为如果是冰熔化后使石头移动的话,那就应该会有两块以上的石头向同一个方向做平行的移动,然而在死亡谷却找不到平行的石头轨迹;又有科学家认定石头的移动是风雨的作用;但经过实地测量,结果推翻了这个结论;因为发现要移动任何一颗不怎么大的石头都需要至少时速是500英里的风速,但是在地球上根本就没有任何地方能产生这么大的风速;因此,为什么石头会自己移动?有科学家将GPS设备安置在了石头上并进行观测,他们经过观测60块石头的移动轨迹后发现,在严寒的冬季里,岩石被薄冰包裹,而在正午的太阳照射下,寒冰开始融化,在风的吹动下,浮在冰水之上的岩石就会缓缓前进,如同自己“行走”一样;
(1)石头移动不是因为冰熔化后造成的滑动现象,原因是:
(2)风速慢时不能推动石头,风对石头的推力
(3)石头“行走”是由于在正午太阳下,寒冰熔化成水,
现代社会汽车大量增加,发生交通事故的一个重要原因是遇到意外情况时车不能立即停止。司机从看到情况到肌肉动作操纵制动器来刹车需要一段时间,这段时间叫反应时间;在这段时间内汽车要保持原速前进一段距离,叫反应距离,从操纵制动器刹车,到车停下来,汽车又要前进一段距离,这段距离叫制动距离。下面是一个机警的司机驾驶一辆保养很好的汽车在干燥的水平公路是以不同速度行驶时,测得的反应距离和制动距离。
速度(km/h) | 40 | 50 | 60 | 80 | 100 |
反应距离(m) | 7 | 9 | 11 | 15 | 19 |
制动距离(m) | 8 | 13 | 20 | 34 | 54 |
(2)根据上表数据,当车速为40km/h时,该司机的反应时间大约是
(3)分析上表数据,可知影响汽车制动距离的主要因素是
(4)为了提醒司机朋友在雨雪天气里注意行车安全,在高速公路旁设置了“雨雪路滑,减速慢行”的警示牌,请简要说明这句话的物理道理
登陆火星
仰望星空,我们追梦不止……
2021年5月15日,我国发射的“祝融号”火星车登陆火星表面。
登陆一颗陌生的星球,大体分为“绕”、“着”、“巡”三步。
“绕”:探测器经过漫长的旅程,实现对登陆星球的环绕飞行。
“着”:探测器着陆星球表面的过程。
“巡”:探测器到达星球表面后,放出巡视车,完成对星球表面的拍摄及土壤分析等工作。
其中最困难的一步就是“着”,这个过程中要使探测器的速度在短短的几分钟内降至零,通常要先后经历“气动减速”、“降落伞减速”、“动力减速”三个阶段。
火星是太阳系中与地球最相似的行星,表面有大气层,温度适宜,火星表面引力为地球表面引力的38%。
(1)探测器环绕火星运动的轨道是一个椭圆,如图所示。当探测器运行到“近火点”时,它的势能
(2)若着陆过程中只利用火星大气的阻力对探测器进行气动减速,探测器受到的大气阻力大小随探测器速度的增大而增大,探测器沿直线下落,且它距离火星表面足够高,可以推断:火星探测器着陆火星前的运动状态一定是
(3)利用降落伞减速时,若开伞的瞬间,探测器受到的向上的力大于它的重力,可以推断:开伞的瞬间探测器会
(4)“祝融号”火星车的太阳能电池板表面有一层钛、硅材料微结构膜,这层膜表面的微观结构与莲叶表面的结构类似,能够令火星的沙尘与太阳能电池板表面之间存在一层空气,可以极大减小火星尘埃与太阳能电池板表面的摩擦力,从而大大减少火星沙尘附着的可能性。请列举一个与上述减小摩擦力方法相同的实例:
(5)小明在地球上最多可以举起质量为38kg的杠铃,可以推断:若在火星表面,他最多可以举起
无链条电动自行车
如图所示为一种在售的无链条电动自行车,又被称为“没有链条的混合动力电动自行车”。它相比传统自行车具有很多优点如:省力、耐用、安静、灵便、结构简单等,因此,是城市中一种理想的交通工具。车身是由航空铝合金制造,确保高强度,轻量化和抗氧化,确保长期使用也能坚固如新,它结合了电子动力和人体动力,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为动能,以此驱动自行车前进,因此使骑行者骑得更省力,同时能减少对环境的污染。
为保证电动车续航能力,该车采用了能量密度大的锂电池,其能量密度达180W•h/kg,能量密度为存储能量与电池质量的比值。
整车 | 整车质量 | 40kg |
最大车速 | 36km/h | |
最大噪声 | <30dB | |
锂电池 | 电压 | 36V |
容量 | ※※A·h |
(2)若锂电池的质量为2kg,电池充满电时电能为
(3)测试时若质量为50kg的骑行者不踩脚踏板,仅靠锂电池驱动,在平直路面上以最大速度可连续匀速行驶2.7×104m,已知行驶时的阻力为车对地面压力的0.04倍,电动车行驶时的功率是
无砟(zǎ)轨道的高速列车
无砟轨道(如图甲所示)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。沪宁城际高速铁路将建成投入运营,标志着我省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(如图乙所示),时速可达350km。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(如图丙所示)。(1)列车设计为子弹头型,目的是
(2)列车在匀速行驶过程中,列车的动力
(3)放在桌面上的书能够静止不动,原因是它受到
(4)高速行驶的动车进站前关闭电源,动车由于
(5)传统的铁路轨道路砟和枕木的作用是
①增大受力面积,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
火星探测器“天问一号”
火星是太阳系中与地球最相似的行星,有大气,温度适宜,自转周期和地球相近,物体在火星表面受到的重力约为在地球表面重力的二分之一,人类对火星的探测具有重大的科学意义。
2020年4月24日,国家航天局宣布将我国火星探测任务命名“天问”,并将首个探测器命名“天问一号”;天问一号将一次性完成“绕、落、巡”三大任务,这在世界航天史上还没有先例。
“绕”,探测器经过7个月的长途飞行,预计明年2月抵达火星附近,之后沿椭圆轨道绕火星运动,实现火星的远、近火点环绕探测;离火星最近的点叫近火点,离火星最远的点叫远火点。
“落”,使探测器着陆火星表面将是一个更艰巨的挑战,需在7分钟内,使探测器的时速降至0;我国利用探月的技术积累,通过四个阶段来减速;第一阶段气动减速,给探测器来个急刹车;第二阶段降落伞减速,速度减至342km/h;第三阶段动力减速,探测器反推发动机点火工作,速度减至3.6m/s;第四阶段着陆缓冲,将探测器悬停在空中,对火星表面观察,寻找合适的位置着陆。
“巡”,当探测器到达火星后,放出巡视车,完成对火星表面的拍摄及土壤分析等工作,为下一步探测打好基础。
人类对于未知世界的好奇与探索从没有停息过,仰望璀璨星空,我们追梦不止!
(1)探测器沿椭圆轨道绕火星运动时,不受空气阻力,只发生动能和势能的相互转化;由近火点向远火点运动时,探测器的动能
(2)巡视器降落到火星表面后,巡视器对火星表面的压力和火星对巡视器的支持力
磁体位置 | 竖直放置并靠近 | 水平放置并靠近 | ||
① | ② | ③ | ④ | |
触电状态 | 闭合 | 断开 | ? | ? |
软铁片的 极性情况 |
(1)当条形磁体在图乙①位置竖直靠近干簧管时,铁片被磁化,铁片与条形磁体相邻端的磁极是
(2)当条形磁体在图乙②位置竖直靠近干簧管时,干簧管触点断开,是因为干簧管上下触电均为
(3)当条形磁体在图乙③位置竖直靠近干簧管时,干簧管触点状态为
(4)当条形磁体在图乙④位置竖直靠近干簧管时,干簧管触点状态为
(5)如图丙,门框上安装磁铁,而门上安装门磁报警装置,其内部简化电路如图丁,闭合开关 S 启动报警器后,关门电铃不响;而开门时电铃响起。磁铁应该按照图乙中
超导磁悬浮列车
在中国科技馆“挑战与未来”A厅有一个展品——超导磁悬浮列车,如图甲所示。当工作人员给装置通电时,超导磁悬浮列车处于悬浮状态。超导磁悬浮列车的轨道由一组永久磁铁材料构成,车体内放置了一组超导体和一个液氮储藏箱。在行驶过程中,车内超导体通过液态氮降温从正常态转为超导状态,电阻降为零,可以通过很大的电流产生极强的磁场而导体中不会产生热量损失。当车体内的导体与轨道磁铁间产生的排斥力大于车重力时,列车就会悬浮起来,这时只要沿轨道方向给车体一个很小的推力,列车就将沿轨道方向运动。图乙为超导磁悬浮列车的原理图。目前的磁悬浮列车有利用同名磁极相排斥的电力悬浮系统和利用异名磁极相吸引的电磁悬浮系统两种,超导磁悬浮属于电力悬浮系统。另一种电磁悬浮系统的原理如图丙所示,它是在车体底部及两侧倒转向上的顶部安装磁铁,在T形导轨的上方和伸臂部分下方分别设反作用板和感应钢板,控制电磁铁的电流,使电磁铁和导轨间保持10~15毫米的间隙,并使导轨和钢板之间的磁力与车辆的重力平衡,从而使车体悬浮于车道的导轨面上运行。我国上海磁悬浮列车属于电磁悬浮系统如图丁所示,专线西起上海轨道交通2号线的龙阳路站,东至上海浦东国际机场,专线全长29.863公里,是中德合作开发的世界第一条磁悬浮商运线,于2003年1月4日正式开始商业运营,单线运行全程只需8分钟。设计运行时速为430km/h,转弯处半径达8000米,肉眼观察几乎是一条直线,是世界第一条商业运营的高架磁悬浮专线。
请根据上述材料回答下列问题:
(1)超导磁悬浮列车中的超导体在低温液氮中转为超导状态时电阻变为
(2)超导磁悬浮列车中的电磁铁是利用电流的
(3)上海磁悬浮列车运行时悬浮电磁铁与轨道电磁铁间的相互作用为
A.异名磁极相互吸引
B.同名磁极相互吸引
C.异名磁极相互排斥
D.同名磁极相互排斥
(4)超导体的应用具有十分诱人的前景,超导体
A.家用保险丝 B.白炽灯泡的灯丝
C.电炉的电阻丝 D.远距离输电中的输电导线
S1线﹣﹣连接门头沟与城区的新通道北京轨道交通S1线采用中国北车唐车公司生产的“玲龙号”磁悬浮列车,如图所示.车体涂装颜色红白相间,车窗车门以灰色点缀.采用铝合金车体,宽幅车身,具有转弯半径小、爬坡能力强、噪音低等特点.最高时速超100公里,计划配10列,2017年底通车后S1线将成为国内第一个实现商业运营的中低速磁悬浮线路.规划阶段曾称门头沟线,是北京市建设的一条中低速磁悬浮轨道线.该线路沿线共有8个站点,分别为苹果园站、金安桥站、四道桥站、曹各庄站、上岸站、栗园庄站、小园站及石门营站.其中石门营站﹣﹣金安桥站区间于2017年12月底开通试运营.有相关西延规划,将设站南村,鲁家滩,戒台寺,潭柘寺4站.磁悬浮列车是一种现代高科技轨道交通工具,它通过电磁力实现列车与轨道之间的无接触的悬浮和导向,再利用直线电机产生的电磁力牵引列车运行.列车通过磁体之间的相互作用,悬浮在轨道上方,大大减小了运行中的阻力,最高运行时速可达100km/h以上.如图为磁悬浮列车S1线悬浮原理的示意图.S1线采用的“常导型”磁悬浮列车及轨道和电动机的工作原理完全相同.只是把电动机的“转子”布置在列车上,将电动机的“定子”铺设在轨道上.通过“转子”,“定子”间的相互作用,将电能转化为前进的动能.电动机的“定子”通电时,通过电流对磁场的作用就可以推动“转子”转动.磁悬浮列车轨道就像被一个个电动机铺满,当向轨道这个“定子”输电时,通过电流对磁场的作用,列车就像电动机的“转子”一样被推动着做直线运动了.
(1)如图中的列车是通过
A.异名磁极相互吸引 B.同名磁极相互吸引 C.异名磁极相互排斥 D.同名磁极相互排斥
(2)磁悬浮列车获得动力的原理是: