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13.【实验名称】设计小型电动感应系统。
【进行实验】
(1)制作小型电动机
①经过课堂学习，我们了解到电动机中有线圈和，图4甲是小组同学自制的简易电动机模型电路。闭合开关，发现线圈不转，小明用手轻轻转了一下线圈，电动机模型开始正常转动，这是因为（填字母）。
A.轴与金属支架接触不良
B.线圈内部断路
C.线圈正好处于平衡位置
②如果仅将图4甲中的永磁体上下磁极调换一下，线圈转动方向与原来转动方向（选填“相同”或“相反”）。
③如图4甲所示，小明换用三节干电池供电，发现线圈转速变快了。为了便于改变线圈转动速度，在不改变电源电压的情况下，他可以在电路中（选填“串联”或“并联”）一个。
(2)设计电动感应电路
同学们观察商场的电动感应门后发现，当有人走近时，感应器会发出信息，电路接通，电动门开始工作，门自动打开。图4乙是小组同学设计的电动感应电路，左边电路的感应器相当于一个（填元件名称），当有人走近时，左边电路就会接通，电磁继电器（选填“有”或“没有”）磁性，吸引衔铁，把右边电路接通，电动机开始工作，门自动打开。
【进行实验】
(1)制作小型电动机
①经过课堂学习，我们了解到电动机中有线圈和，图4甲是小组同学自制的简易电动机模型电路。闭合开关，发现线圈不转，小明用手轻轻转了一下线圈，电动机模型开始正常转动，这是因为（填字母）。
A.轴与金属支架接触不良
B.线圈内部断路
C.线圈正好处于平衡位置
②如果仅将图4甲中的永磁体上下磁极调换一下，线圈转动方向与原来转动方向（选填“相同”或“相反”）。
③如图4甲所示，小明换用三节干电池供电，发现线圈转速变快了。为了便于改变线圈转动速度，在不改变电源电压的情况下，他可以在电路中（选填“串联”或“并联”）一个。
(2)设计电动感应电路
同学们观察商场的电动感应门后发现，当有人走近时，感应器会发出信息，电路接通，电动门开始工作，门自动打开。图4乙是小组同学设计的电动感应电路，左边电路的感应器相当于一个（填元件名称），当有人走近时，左边电路就会接通，电磁继电器（选填“有”或“没有”）磁性，吸引衔铁，把右边电路接通，电动机开始工作，门自动打开。
答案
解：
(1) ① 磁体（或永磁体）；C
② 相反
③ 串联；滑动变阻器
(2) 开关；有
(1) ① 磁体（或永磁体）；C
② 相反
③ 串联；滑动变阻器
(2) 开关；有
解析
【分析】
本题围绕电动机和电磁继电器的基础知识展开，需结合电动机的构造、转动方向的影响因素、转速调节方法以及电磁继电器的工作原理，逐一分析各小问：
1. 对于(1)①，先回忆电动机的基本组成，再结合线圈不转后轻转就转动的现象，判断是平衡位置的问题；
2. (1)②中，明确电动机转动方向与磁场方向、电流方向有关，调换磁极会改变磁场方向，进而判断转动方向；
3. (1)③中，知道线圈转速与电流大小相关，不改变电源电压时，通过串联滑动变阻器改变电阻来调节电流；
4. (2)中，结合电磁继电器的结构，判断感应器的作用，以及控制电路接通后电磁铁的磁性情况。
【解析】
(1) ① 电动机的主要组成部分为线圈和磁体（或永磁体）；当线圈处于平衡位置时，线圈受力平衡，闭合开关后线圈不转动，用手轻转线圈后，线圈离开平衡位置，受力不平衡开始转动，故选C。
② 电动机的转动方向与磁场方向和电流方向有关，仅调换永磁体的上下磁极，改变了磁场方向，因此线圈转动方向与原来相反。
③ 线圈转速与电路中的电流大小有关，电流越大转速越快；在不改变电源电压的情况下，要改变电流大小，需改变电路总电阻，因此可在电路中串联一个滑动变阻器，通过改变接入电阻来调节电流，从而改变转速。
(2) 图乙中，左边电路的感应器用于控制电路的通断，相当于开关；当有人走近时，左边控制电路接通，电磁继电器的电磁铁有磁性，吸引衔铁，使右边工作电路接通，电动机工作，门打开。
【答案】
(1) ① 磁体（或永磁体）；C ② 相反 ③ 串联；滑动变阻器 (2) 开关；有
【知识点】
电动机原理与构造、电磁继电器工作原理、滑动变阻器的应用
【点评】
本题结合自制电动机和感应门电路，考查电动机与电磁继电器的基础知识点，注重对实验现象的分析，难度适中，适合学生巩固相关基础知识。
【难度系数】
0.6
本题围绕电动机和电磁继电器的基础知识展开，需结合电动机的构造、转动方向的影响因素、转速调节方法以及电磁继电器的工作原理，逐一分析各小问：
1. 对于(1)①，先回忆电动机的基本组成，再结合线圈不转后轻转就转动的现象，判断是平衡位置的问题；
2. (1)②中，明确电动机转动方向与磁场方向、电流方向有关，调换磁极会改变磁场方向，进而判断转动方向；
3. (1)③中，知道线圈转速与电流大小相关，不改变电源电压时，通过串联滑动变阻器改变电阻来调节电流；
4. (2)中，结合电磁继电器的结构，判断感应器的作用，以及控制电路接通后电磁铁的磁性情况。
【解析】
(1) ① 电动机的主要组成部分为线圈和磁体（或永磁体）；当线圈处于平衡位置时，线圈受力平衡，闭合开关后线圈不转动，用手轻转线圈后，线圈离开平衡位置，受力不平衡开始转动，故选C。
② 电动机的转动方向与磁场方向和电流方向有关，仅调换永磁体的上下磁极，改变了磁场方向，因此线圈转动方向与原来相反。
③ 线圈转速与电路中的电流大小有关，电流越大转速越快；在不改变电源电压的情况下，要改变电流大小，需改变电路总电阻，因此可在电路中串联一个滑动变阻器，通过改变接入电阻来调节电流，从而改变转速。
(2) 图乙中，左边电路的感应器用于控制电路的通断，相当于开关；当有人走近时，左边控制电路接通，电磁继电器的电磁铁有磁性，吸引衔铁，使右边工作电路接通，电动机工作，门打开。
【答案】
(1) ① 磁体（或永磁体）；C ② 相反 ③ 串联；滑动变阻器 (2) 开关；有
【知识点】
电动机原理与构造、电磁继电器工作原理、滑动变阻器的应用
【点评】
本题结合自制电动机和感应门电路，考查电动机与电磁继电器的基础知识点，注重对实验现象的分析，难度适中，适合学生巩固相关基础知识。
【难度系数】
0.6
14.阅读短文，完成下列习题。
月球太阳能电站
随着对月球了解的加深，一些科学家预言：月球必将成为人类未来的能源基地。按照一些科学家的设想，利用月球正面太阳光充足、地域广阔的特点，在月球上建设大型太阳能电站，可克服在地球上建站时受天气影响导致功率小的缺点。在月球上产生的电能经微波转换器转换成微波，并通过天线将电能以微波的形式向地面发送，地面接收站通过天线把微波能转化为电能，如图5甲所示，这样就解决了电能的输送问题。
我国的“嫦娥”系列探测器的月球车利用太阳能电池提供能量。图5乙所示的是太阳能电池板工作原理：
当太阳光照射到组成太阳能电池的叠在一起的两片不同的半导体表面时，会产生光电效应，使电路中产生电流。太阳光照射到电池板每平方米面积上的辐射功率为$1.5×10^4$ W，光电转化效率为18％。
（1）太阳能是（选填“可再生”或“不可再生”）能源。太阳发出的巨大能量来源于太阳内部的氢原子核发生的（选填“核聚变”或“核裂变”）反应。
（2）月球太阳能电站相对于月球表面是（选填“运动”或“静止”）的。若从月球发出的微波经1.28 s到达地球，则月球与地球的距离约为 m。
（3）太阳能电池工作时的能量转化情况：。
（4）月球上一块接收面积为$2\ \mathrm{m}^2$的太阳能电池板的发电功率是 W。
（5）若月球太阳能电站的总发电功率为$6×10^9$ kW，利用微波传输电能的输电效率为80％，则地面接收站1 h接收到的电能相当于完全燃烧 kg煤放出的热量。（$q_{\mathrm{煤}}＝3.0×10^7\ \mathrm{J/kg}$）
月球太阳能电站
随着对月球了解的加深，一些科学家预言：月球必将成为人类未来的能源基地。按照一些科学家的设想，利用月球正面太阳光充足、地域广阔的特点，在月球上建设大型太阳能电站，可克服在地球上建站时受天气影响导致功率小的缺点。在月球上产生的电能经微波转换器转换成微波，并通过天线将电能以微波的形式向地面发送，地面接收站通过天线把微波能转化为电能，如图5甲所示，这样就解决了电能的输送问题。
我国的“嫦娥”系列探测器的月球车利用太阳能电池提供能量。图5乙所示的是太阳能电池板工作原理：
当太阳光照射到组成太阳能电池的叠在一起的两片不同的半导体表面时，会产生光电效应，使电路中产生电流。太阳光照射到电池板每平方米面积上的辐射功率为$1.5×10^4$ W，光电转化效率为18％。
（1）太阳能是（选填“可再生”或“不可再生”）能源。太阳发出的巨大能量来源于太阳内部的氢原子核发生的（选填“核聚变”或“核裂变”）反应。
（2）月球太阳能电站相对于月球表面是（选填“运动”或“静止”）的。若从月球发出的微波经1.28 s到达地球，则月球与地球的距离约为 m。
（3）太阳能电池工作时的能量转化情况：。
（4）月球上一块接收面积为$2\ \mathrm{m}^2$的太阳能电池板的发电功率是 W。
（5）若月球太阳能电站的总发电功率为$6×10^9$ kW，利用微波传输电能的输电效率为80％，则地面接收站1 h接收到的电能相当于完全燃烧 kg煤放出的热量。（$q_{\mathrm{煤}}＝3.0×10^7\ \mathrm{J/kg}$）
答案
解：
(1) 太阳能可以从自然界源源不断获得，属于可再生能源；太阳内部的氢原子核发生核聚变反应释放出巨大的能量。
答案：可再生；核聚变
(2) 月球太阳能电站相对于月球表面的位置没有发生变化，因此是静止的。
微波的传播速度等于光速$v=3×10^8\ \mathrm{m/s}$，月球与地球的距离：
$s=vt=3×10^8\ \mathrm{m/s}×1.28\ \mathrm{s}=3.84×10^8\ \mathrm{m}$
答案：静止；$3.84×10^8$
(3) 太阳能电池工作时，将太阳能（光能）转化为电能。
答案：太阳能转化为电能
(4) $2\ \mathrm{m}^2$电池板接收的总辐射功率：
$P_{\mathrm{总}}=1.5×10^4\ \mathrm{W/m^2}×2\ \mathrm{m^2}=3×10^4\ \mathrm{W}$
发电功率：
$P_{\mathrm{电}}=P_{\mathrm{总}}×18\%=3×10^4\ \mathrm{W}×0.18=5400\ \mathrm{W}$
答案：5400
(5) 地面接收站1h接收到的电能：
$W=P_{\mathrm{总电}}t×\eta=6×10^9×10^3\ \mathrm{W}×3600\ \mathrm{s}×80\%=1.728×10^{16}\ \mathrm{J}$
由$Q=mq$得，完全燃烧煤的质量：
$m=\frac{W}{q_{\mathrm{煤}}}=\frac{1.728×10^{16}\ \mathrm{J}}{3.0×10^7\ \mathrm{J/kg}}=5.76×10^8\ \mathrm{kg}$
答案：$5.76×10^8$
(1) 太阳能可以从自然界源源不断获得，属于可再生能源；太阳内部的氢原子核发生核聚变反应释放出巨大的能量。
答案：可再生；核聚变
(2) 月球太阳能电站相对于月球表面的位置没有发生变化，因此是静止的。
微波的传播速度等于光速$v=3×10^8\ \mathrm{m/s}$，月球与地球的距离：
$s=vt=3×10^8\ \mathrm{m/s}×1.28\ \mathrm{s}=3.84×10^8\ \mathrm{m}$
答案：静止；$3.84×10^8$
(3) 太阳能电池工作时，将太阳能（光能）转化为电能。
答案：太阳能转化为电能
(4) $2\ \mathrm{m}^2$电池板接收的总辐射功率：
$P_{\mathrm{总}}=1.5×10^4\ \mathrm{W/m^2}×2\ \mathrm{m^2}=3×10^4\ \mathrm{W}$
发电功率：
$P_{\mathrm{电}}=P_{\mathrm{总}}×18\%=3×10^4\ \mathrm{W}×0.18=5400\ \mathrm{W}$
答案：5400
(5) 地面接收站1h接收到的电能：
$W=P_{\mathrm{总电}}t×\eta=6×10^9×10^3\ \mathrm{W}×3600\ \mathrm{s}×80\%=1.728×10^{16}\ \mathrm{J}$
由$Q=mq$得，完全燃烧煤的质量：
$m=\frac{W}{q_{\mathrm{煤}}}=\frac{1.728×10^{16}\ \mathrm{J}}{3.0×10^7\ \mathrm{J/kg}}=5.76×10^8\ \mathrm{kg}$
答案：$5.76×10^8$
解析
【分析】
1. 第(1)问：判断能源类型依据是否可源源不断获取，太阳能属于可再生能源；太阳内部释放能量的反应是氢原子核的核聚变反应。
2. 第(2)问：判断物体运动状态看相对位置是否变化，月球太阳能电站相对于月球表面位置不变，故静止；计算地月距离利用微波（光速）的传播公式$s=vt$，代入光速和时间即可。
3. 第(3)问：太阳能电池的核心作用是将太阳能转化为电能，明确其能量转化方向。
4. 第(4)问：先计算单位面积辐射功率乘以面积得到总接收功率，再乘以光电转化效率得到发电功率。
5. 第(5)问：先计算总发电功率1小时的总电能，乘以输电效率得到地面接收的电能，再根据热值公式$Q=mq$，用接收电能除以煤的热值得到煤的质量。
【解析】
(1) 太阳能可从自然界源源不断获得，属于可再生能源；太阳内部氢原子核发生核聚变释放巨大能量，故答案为可再生、核聚变。
(2) 月球太阳能电站相对于月球表面的位置未发生变化，因此是静止的；微波速度等于光速$v=3×10^8\ \mathrm{m/s}$，地月距离$s=vt=3×10^8\ \mathrm{m/s}×1.28\ \mathrm{s}=3.84×10^8\ \mathrm{m}$，故答案为静止、$3.84×10^8$。
(3) 太阳能电池工作时，将太阳能（光能）转化为电能，故能量转化为太阳能转化为电能。
(4) $2\ \mathrm{m}^2$电池板接收的总辐射功率$P_{\mathrm{总}}=1.5×10^4\ \mathrm{W/m^2}×2\ \mathrm{m^2}=3×10^4\ \mathrm{W}$，发电功率$P_{\mathrm{电}}=P_{\mathrm{总}}×18\%=3×10^4\ \mathrm{W}×0.18=5400\ \mathrm{W}$，答案为5400。
(5) 总发电功率$P_{\mathrm{总电}}=6×10^9\ \mathrm{kW}=6×10^{12}\ \mathrm{W}$，1小时$t=3600\ \mathrm{s}$，总电能$W_{\mathrm{总}}=P_{\mathrm{总电}}t=6×10^{12}\ \mathrm{W}×3600\ \mathrm{s}=2.16×10^{16}\ \mathrm{J}$，地面接收电能$W=W_{\mathrm{总}}×80\%=2.16×10^{16}\ \mathrm{J}×0.8=1.728×10^{16}\ \mathrm{J}$；煤的质量$m=\frac{W}{q_{\mathrm{煤}}}=\frac{1.728×10^{16}\ \mathrm{J}}{3.0×10^7\ \mathrm{J/kg}}=5.76×10^8\ \mathrm{kg}$，答案为$5.76×10^8$。
【答案】
(1) 可再生；核聚变
(2) 静止；$3.84×10^8$
(3) 太阳能转化为电能
(4) 5400
(5) $5.76×10^8$
【知识点】
可再生能源、运动的相对性、能量转化与热值计算
【点评】
本题结合月球太阳能电站的科技场景，将物理基础知识点与前沿科技应用结合，考查能源分类、运动状态判断、速度公式、能量转化及热值计算，注重知识的实际运用，难度适中。
【难度系数】
0.7
1. 第(1)问：判断能源类型依据是否可源源不断获取，太阳能属于可再生能源；太阳内部释放能量的反应是氢原子核的核聚变反应。
2. 第(2)问：判断物体运动状态看相对位置是否变化，月球太阳能电站相对于月球表面位置不变，故静止；计算地月距离利用微波（光速）的传播公式$s=vt$，代入光速和时间即可。
3. 第(3)问：太阳能电池的核心作用是将太阳能转化为电能，明确其能量转化方向。
4. 第(4)问：先计算单位面积辐射功率乘以面积得到总接收功率，再乘以光电转化效率得到发电功率。
5. 第(5)问：先计算总发电功率1小时的总电能，乘以输电效率得到地面接收的电能，再根据热值公式$Q=mq$，用接收电能除以煤的热值得到煤的质量。
【解析】
(1) 太阳能可从自然界源源不断获得，属于可再生能源；太阳内部氢原子核发生核聚变释放巨大能量，故答案为可再生、核聚变。
(2) 月球太阳能电站相对于月球表面的位置未发生变化，因此是静止的；微波速度等于光速$v=3×10^8\ \mathrm{m/s}$，地月距离$s=vt=3×10^8\ \mathrm{m/s}×1.28\ \mathrm{s}=3.84×10^8\ \mathrm{m}$，故答案为静止、$3.84×10^8$。
(3) 太阳能电池工作时，将太阳能（光能）转化为电能，故能量转化为太阳能转化为电能。
(4) $2\ \mathrm{m}^2$电池板接收的总辐射功率$P_{\mathrm{总}}=1.5×10^4\ \mathrm{W/m^2}×2\ \mathrm{m^2}=3×10^4\ \mathrm{W}$，发电功率$P_{\mathrm{电}}=P_{\mathrm{总}}×18\%=3×10^4\ \mathrm{W}×0.18=5400\ \mathrm{W}$，答案为5400。
(5) 总发电功率$P_{\mathrm{总电}}=6×10^9\ \mathrm{kW}=6×10^{12}\ \mathrm{W}$，1小时$t=3600\ \mathrm{s}$，总电能$W_{\mathrm{总}}=P_{\mathrm{总电}}t=6×10^{12}\ \mathrm{W}×3600\ \mathrm{s}=2.16×10^{16}\ \mathrm{J}$，地面接收电能$W=W_{\mathrm{总}}×80\%=2.16×10^{16}\ \mathrm{J}×0.8=1.728×10^{16}\ \mathrm{J}$；煤的质量$m=\frac{W}{q_{\mathrm{煤}}}=\frac{1.728×10^{16}\ \mathrm{J}}{3.0×10^7\ \mathrm{J/kg}}=5.76×10^8\ \mathrm{kg}$，答案为$5.76×10^8$。
【答案】
(1) 可再生；核聚变
(2) 静止；$3.84×10^8$
(3) 太阳能转化为电能
(4) 5400
(5) $5.76×10^8$
【知识点】
可再生能源、运动的相对性、能量转化与热值计算
【点评】
本题结合月球太阳能电站的科技场景，将物理基础知识点与前沿科技应用结合，考查能源分类、运动状态判断、速度公式、能量转化及热值计算，注重知识的实际运用，难度适中。
【难度系数】
0.7
