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9. 新素材 创新装置 无人机在拍摄调查方面具有广阔的前景。如图甲为某品牌无人机，该无人机携带的微型摄像机有自动拍摄功能。未出现火情时待机；若有火情，摄像机将感知特定强度的红外线而自动启动。其原理如图乙，该系统由“自启电路”“控制电路”组成。$ R $ 为定值电阻，$ R_{\mathrm{p}} $ 是红外探测器(视为可变电阻)，它的阻值与红外线强度变化的关系如表所示 [ $ E $ 为红外线的强度，其单位是坎德拉(cd)]。
(1) 当出现火情时，电路中的电流将
(2) 当红外线的强度为 $ 1 \, \mathrm{cd} $ 时，$ AB $ 两端的电压为 $ 6 \, \mathrm{V} $；当红外线的强度增大到 $ 2 \, \mathrm{cd} $ 时，$ AB $ 两端的电压为 $ 8 \, \mathrm{V} $。若红外线的强度增大到 $ 3 \, \mathrm{cd} $ 时，控制电路能启动摄像机进入工作状态，求此状态下的自启电路在 $ 10 \, \mathrm{s} $ 内消耗的电能。(请写出必要的文字说明和推导、计算过程)
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(1) 当出现火情时，电路中的电流将
变大
。(2) 当红外线的强度为 $ 1 \, \mathrm{cd} $ 时，$ AB $ 两端的电压为 $ 6 \, \mathrm{V} $；当红外线的强度增大到 $ 2 \, \mathrm{cd} $ 时，$ AB $ 两端的电压为 $ 8 \, \mathrm{V} $。若红外线的强度增大到 $ 3 \, \mathrm{cd} $ 时，控制电路能启动摄像机进入工作状态，求此状态下的自启电路在 $ 10 \, \mathrm{s} $ 内消耗的电能。(请写出必要的文字说明和推导、计算过程)
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答案
9.(1)变大 (2)60 J 计算过程见解析
解析：(1)当出现火情时,红外线强度增大,红外探测器R_p的阻值将减小,自启电路中的电流将变大,摄像机将感知特定强度的红外线而自动启动.
(2)当红外线强度为 1 cd 时,R_p = 18 Ω,电源电压$U = U_R + \frac{U_R}{R_p}R_p = 6 V + \frac{6 V}{R}×18 Ω······①$当红外线强度为 2 cd 时,R_p' = 9 Ω,电源电压$U = U_R' + \frac{U_R'}{R}R_p' = 8 V + \frac{8 V}{R}×9 Ω······②$联立①②得U = 12 V,R = 18 Ω,当红外线强度为 3 cd 时,R_p'' = 6 Ω,电路中的电流$I = \frac{U}{R + R_p''} = \frac{12 V}{18 Ω + 6 Ω} = 0.5 A,$此状态下的自启电路在 10 s 内消耗的电能W = UIt = 12 V×0.5 A×10 s = 60 J.
解析：(1)当出现火情时,红外线强度增大,红外探测器R_p的阻值将减小,自启电路中的电流将变大,摄像机将感知特定强度的红外线而自动启动.
(2)当红外线强度为 1 cd 时,R_p = 18 Ω,电源电压$U = U_R + \frac{U_R}{R_p}R_p = 6 V + \frac{6 V}{R}×18 Ω······①$当红外线强度为 2 cd 时,R_p' = 9 Ω,电源电压$U = U_R' + \frac{U_R'}{R}R_p' = 8 V + \frac{8 V}{R}×9 Ω······②$联立①②得U = 12 V,R = 18 Ω,当红外线强度为 3 cd 时,R_p'' = 6 Ω,电路中的电流$I = \frac{U}{R + R_p''} = \frac{12 V}{18 Ω + 6 Ω} = 0.5 A,$此状态下的自启电路在 10 s 内消耗的电能W = UIt = 12 V×0.5 A×10 s = 60 J.
10. 核心素养 科学思维 氢燃料电池汽车的工作原理是使氢或含氢物质与空气中的氧在燃料电池中反应以产生电力，再以电力推动电动机，由电动机推动车辆行驶。如图是国产“氢能源”汽车，加氢 3 分钟续航可达一千公里，其部分参数如下表。当汽车启动或者低速行驶时由蓄电池组向驱动电机供电；当中速行驶或者蓄电池组电量过低时，氢燃料电池开始工作，既向驱动电机供电，同时又给蓄电池组进行充电；当汽车高速行驶时，氢燃料电池和蓄电池组同时向驱动电机供电。
(1) 蓄电池在充电时相当于一个
(2) 某次测试中，核载质量的汽车以 $ 30 \, \mathrm{km/h} $ 的速度匀速行驶了 $ 2.28 \, \mathrm{h} $，消耗氢气 $ 1.6 \, \mathrm{kg} $。假设氢能源发电时消耗的化学能与等质量氢气完全燃烧放出的热量相同。已知汽车测试过程中的平均阻力为 $ 1000 \, \mathrm{N} $，蓄电池储电量由最大容量的 $ 40\% $ 增加到 $ 80\% $。( $ q_{\mathrm{氢}} = 1.4 × 10^8 \, \mathrm{J/kg} $ )
① 汽车在测试阶段行驶的路程是多少？
② 为了给蓄电池充电，氢燃料电池向蓄电池提供的电能是多少？
③ 驱动电机的效率是多少？
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(1) 蓄电池在充电时相当于一个
用电器
(填“电源”或“用电器”)。(2) 某次测试中，核载质量的汽车以 $ 30 \, \mathrm{km/h} $ 的速度匀速行驶了 $ 2.28 \, \mathrm{h} $，消耗氢气 $ 1.6 \, \mathrm{kg} $。假设氢能源发电时消耗的化学能与等质量氢气完全燃烧放出的热量相同。已知汽车测试过程中的平均阻力为 $ 1000 \, \mathrm{N} $，蓄电池储电量由最大容量的 $ 40\% $ 增加到 $ 80\% $。( $ q_{\mathrm{氢}} = 1.4 × 10^8 \, \mathrm{J/kg} $ )
① 汽车在测试阶段行驶的路程是多少？
② 为了给蓄电池充电，氢燃料电池向蓄电池提供的电能是多少？
③ 驱动电机的效率是多少？
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答案
10.(1)用电器$ (2)①68 400 m ②5.4×10^7 J ③60%$
解析：(1)蓄电池在充电时,消耗电能,转化为化学能,相当于一个用电器.
(2)①由$v = \frac{s}{t}$可得,汽车在测试阶段行驶的路程s = vt = 30 km/h×2.28 h = 68.4 km = 68 400 m;
②蓄电池增加的电能$W = 30×3.6×10^6 J×(80\% - 40\%) = 4.32×10^7 J,$已知蓄电池充放电效率为 80%,则为了给蓄电池充电,氢燃料电池消耗的电能W_电$ = \frac{4.32×10^7 J}{80\%} = 5.4×10^7 J;$
③因为汽车匀速运动,所以汽车的牵引力和汽车受到的阻力是一对平衡力,即F = f = 1 000 N,牵引力做的功$W_{机械} = Fs = 1 000 N×68 400 m = 6.84×10^7 J,$该次测试中,汽车消耗氢气 1.6 kg,假设氢能源发电时消耗的化学能与等质量氢气完全燃烧放出的热量相同,则消耗的化学能$E = Q_{放} = mq_{氢} = 1.6 kg×1.4×10^8 J/kg = 2.24×10^8 J,$氢燃料电池效率为 75%,则氢燃料电池产生的电能$W_{电总} = 75\%E = 75\%×2.24×10^8 J = 1.68×10^8 J,$根据题意可知,驱动电机获得的电能$W_电' = W_{电总} - W_电= 1.68×10^8 J - 5.4×10^7 J = 1.14×10^8 J,$驱动电机的效率$\eta' = \frac{W_{机械}}{W_电'}×100\% = \frac{6.84×10^7 J}{1.14×10^8 J}×100\% = 60\%.$
解析：(1)蓄电池在充电时,消耗电能,转化为化学能,相当于一个用电器.
(2)①由$v = \frac{s}{t}$可得,汽车在测试阶段行驶的路程s = vt = 30 km/h×2.28 h = 68.4 km = 68 400 m;
②蓄电池增加的电能$W = 30×3.6×10^6 J×(80\% - 40\%) = 4.32×10^7 J,$已知蓄电池充放电效率为 80%,则为了给蓄电池充电,氢燃料电池消耗的电能W_电$ = \frac{4.32×10^7 J}{80\%} = 5.4×10^7 J;$
③因为汽车匀速运动,所以汽车的牵引力和汽车受到的阻力是一对平衡力,即F = f = 1 000 N,牵引力做的功$W_{机械} = Fs = 1 000 N×68 400 m = 6.84×10^7 J,$该次测试中,汽车消耗氢气 1.6 kg,假设氢能源发电时消耗的化学能与等质量氢气完全燃烧放出的热量相同,则消耗的化学能$E = Q_{放} = mq_{氢} = 1.6 kg×1.4×10^8 J/kg = 2.24×10^8 J,$氢燃料电池效率为 75%,则氢燃料电池产生的电能$W_{电总} = 75\%E = 75\%×2.24×10^8 J = 1.68×10^8 J,$根据题意可知,驱动电机获得的电能$W_电' = W_{电总} - W_电= 1.68×10^8 J - 5.4×10^7 J = 1.14×10^8 J,$驱动电机的效率$\eta' = \frac{W_{机械}}{W_电'}×100\% = \frac{6.84×10^7 J}{1.14×10^8 J}×100\% = 60\%.$
