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神秘的“铁棒”
一碗水全部冻成了冰,这些冰的体积要大于原来液态时的水. 青藏铁路在修建时遇到的最大问题就是多年冻土对路基的影响. 夏天气温上升,冻土层中的冰就要熔化,使路基硬度减弱,火车的重压会使路基及钢轨严重变形,而冬天温度降低,冻土层的水结冰,上面的路基和钢轨就会鼓起来,冻土层反复冻融及冬季不完全冻结,严重危及铁路路基,火车极易脱轨.
为了保证多年冻土区路基的稳定性,铁路两侧竖立了许多热管,如图甲,这种热管又被称为热棒,是封闭的中空长棒,里面一般填充低沸点的液态氨作为“制冷剂”.
如图乙是热棒的工作原理,热棒的下端插在冻土中,在寒冷的季节,液态氨从冻土中吸热汽化成气态氨,气态氨上升到热棒的上端,通过散热片向空气中放热,变回液态氨,又沉入棒底. 如此循环,冻土中的热不断被散发出去,热棒就可以使地下冻土层温度降低、厚度增加,即使到了暖季,热棒中的气态氨不会变回液态氨,热棒不再工作,冻土也不会完全熔化. 这样,冻土层因温度变化对路基产生的影响就变小了.
(1)夏天,冻土层中的冰熔化时温度会______(选填“升高”“降低”或“不变”).
科普阅读
(2)冬天,热棒地下一端的液氨______(填物态变化名称)成气体,______热量；生成的氨气沿热棒上升到空气一端,因为空气温度______地下温度,氨气液化成为液体,______热量.
(3)热棒具有独特的单向传热性能：热量只能______(选填“向上”或“向下”)传输,反向不能传热.
(4)“热棒”能够保持路基冻土,是因为管中的物质具有的主要物理性质是______.
A. 熔点低
B. 沸点高
C. 熔点高
D. 沸点低
神秘的“铁棒”
一碗水全部冻成了冰,这些冰的体积要大于原来液态时的水. 青藏铁路在修建时遇到的最大问题就是多年冻土对路基的影响. 夏天气温上升,冻土层中的冰就要熔化,使路基硬度减弱,火车的重压会使路基及钢轨严重变形,而冬天温度降低,冻土层的水结冰,上面的路基和钢轨就会鼓起来,冻土层反复冻融及冬季不完全冻结,严重危及铁路路基,火车极易脱轨.
为了保证多年冻土区路基的稳定性,铁路两侧竖立了许多热管,如图甲,这种热管又被称为热棒,是封闭的中空长棒,里面一般填充低沸点的液态氨作为“制冷剂”.
如图乙是热棒的工作原理,热棒的下端插在冻土中,在寒冷的季节,液态氨从冻土中吸热汽化成气态氨,气态氨上升到热棒的上端,通过散热片向空气中放热,变回液态氨,又沉入棒底. 如此循环,冻土中的热不断被散发出去,热棒就可以使地下冻土层温度降低、厚度增加,即使到了暖季,热棒中的气态氨不会变回液态氨,热棒不再工作,冻土也不会完全熔化. 这样,冻土层因温度变化对路基产生的影响就变小了.
(1)夏天,冻土层中的冰熔化时温度会______(选填“升高”“降低”或“不变”).
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(2)冬天,热棒地下一端的液氨______(填物态变化名称)成气体,______热量；生成的氨气沿热棒上升到空气一端,因为空气温度______地下温度,氨气液化成为液体,______热量.
(3)热棒具有独特的单向传热性能：热量只能______(选填“向上”或“向下”)传输,反向不能传热.
(4)“热棒”能够保持路基冻土,是因为管中的物质具有的主要物理性质是______.
A. 熔点低
B. 沸点高
C. 熔点高
D. 沸点低
答案
(1) 不变 (2) 汽化 吸收 低于 放出 (3) 向上 (4) D 解析: (1) 冰是晶体, 熔化过程中温度不变. (2) 热棒地下一端的液氨由液态变成气态属于汽化现象, 汽化需要吸热; 生成的氨气沿热棒上升到空气一端, 在上端液化成为液体, 是因为遇冷才发生的, 故上方空气温度低于地下温度, 氨气遇冷放出热量后液化成液体. (3) 热棒工作过程中主要是液氨在下方吸热汽化, 上升到上方后遇冷放热液化, 如果上方温度较高, 气态的氨气就不能液化回到下方, 故热量只能向上传输, 反向不能传热. (4) 热棒中的液氨要在下方冻土层中吸热汽化, 表明其具有较低的沸点, 很容易在低温下沸腾, 故 D 符合题意.
2. (2025·广东韶关期末)阅读短文,回答文后的问题.
机器人的“眼睛”
很多机器人为了“看见”周围的物体,需要有自己的“眼睛”,例如家庭中的扫地机器人,工作时就要能探知前方的家具、墙壁等障碍物. 红外传感器就是一种机器人的“眼睛”,其工作原理如图所示. 红外发射器向前方发射一束红外线,碰到障碍物后向各个方向反射,其中一束光通过接收透镜中心,照射到红外检测器上的某一位置,该位置偏离透镜主光轴的距离称为偏移值. 如果检测器到透镜的距离为f,红外发射器中心线与接收透镜主光轴之间的距离为d,当偏移值为L时,根据三角形的相似关系,可计算出红外传感器到障碍物的距离$D= \frac {f(L+d)}{L}$.
(1)红外线属于______(选填“可见”或“不可见”)光.
(2)红外传感器发射红外光束,遇到物体时,光束会发生______(选填“漫反射”或“镜面反射”)；接收透镜对光线有______(选填“会聚”或“发散”)作用.
(3)某品牌红外传感器的检测器到透镜的距离为10 cm,红外发射器中心线与接收透镜主光轴之间的距离为20 cm,一次测量时偏移值为2 cm,则红外传感器到障碍物的距离为______cm；如果偏移值更大一些,说明红外传感器到障碍物的距离更______(选填“大”或“小”).
(4)当遇到玻璃门等透明障碍物时,使用______(选填“超声波”或“红外线”)感应器效果较好.
机器人的“眼睛”
很多机器人为了“看见”周围的物体,需要有自己的“眼睛”,例如家庭中的扫地机器人,工作时就要能探知前方的家具、墙壁等障碍物. 红外传感器就是一种机器人的“眼睛”,其工作原理如图所示. 红外发射器向前方发射一束红外线,碰到障碍物后向各个方向反射,其中一束光通过接收透镜中心,照射到红外检测器上的某一位置,该位置偏离透镜主光轴的距离称为偏移值. 如果检测器到透镜的距离为f,红外发射器中心线与接收透镜主光轴之间的距离为d,当偏移值为L时,根据三角形的相似关系,可计算出红外传感器到障碍物的距离$D= \frac {f(L+d)}{L}$.
(1)红外线属于______(选填“可见”或“不可见”)光.
(2)红外传感器发射红外光束,遇到物体时,光束会发生______(选填“漫反射”或“镜面反射”)；接收透镜对光线有______(选填“会聚”或“发散”)作用.
(3)某品牌红外传感器的检测器到透镜的距离为10 cm,红外发射器中心线与接收透镜主光轴之间的距离为20 cm,一次测量时偏移值为2 cm,则红外传感器到障碍物的距离为______cm；如果偏移值更大一些,说明红外传感器到障碍物的距离更______(选填“大”或“小”).
(4)当遇到玻璃门等透明障碍物时,使用______(选填“超声波”或“红外线”)感应器效果较好.
答案
(1) 不可见 (2) 漫反射 会聚 (3) 110 小 (4) 超声波 解析: (1) 红外线是人眼看不到的光, 属于不可见光. (2) 红外发射器向前方发射一束红外线, 碰到障碍物后向各个方向反射, 符合漫反射的特点, 所以红外传感器发射的红外光束遇到物体时, 会发生漫反射. 由图可知, 接收透镜中间厚、边缘薄, 是凸透镜, 对光有会聚作用.
(3) 红外传感器的检测器到透镜的距离 $ f = 10 \text{ cm} $, 红外发射器中心线与接收透镜主光轴之间的距离 $ d = 20 \text{ cm} $, 一次测量时的偏移值 $ L = 2 \text{ cm} $, 则此时红外传感器到障碍物的距离 $ D = \frac{f(L + d)}{L} = \frac{10 \text{ cm} \times (2 \text{ cm} + 20 \text{ cm})}{2 \text{ cm}} = 110 \text{ cm} $; 如果偏移值更大一些, 即 $ L $ 更大, 由 $ D = \frac{f(L + d)}{L} = f + \frac{fd}{L} $ 可知, 红外传感器到障碍物的距离更小. (4) 当遇到玻璃门等透明障碍物时, 由于红外线可以穿透玻璃, 所以红外线感应器可能无法准确探测到玻璃门的存在, 而超声波无法穿透玻璃, 它会被玻璃反射回来, 所以使用超声波感应器效果较好.
(3) 红外传感器的检测器到透镜的距离 $ f = 10 \text{ cm} $, 红外发射器中心线与接收透镜主光轴之间的距离 $ d = 20 \text{ cm} $, 一次测量时的偏移值 $ L = 2 \text{ cm} $, 则此时红外传感器到障碍物的距离 $ D = \frac{f(L + d)}{L} = \frac{10 \text{ cm} \times (2 \text{ cm} + 20 \text{ cm})}{2 \text{ cm}} = 110 \text{ cm} $; 如果偏移值更大一些, 即 $ L $ 更大, 由 $ D = \frac{f(L + d)}{L} = f + \frac{fd}{L} $ 可知, 红外传感器到障碍物的距离更小. (4) 当遇到玻璃门等透明障碍物时, 由于红外线可以穿透玻璃, 所以红外线感应器可能无法准确探测到玻璃门的存在, 而超声波无法穿透玻璃, 它会被玻璃反射回来, 所以使用超声波感应器效果较好.
