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第十六章 永恒的探索：宇宙和粒子 基础卷（解析版）
建议用时：60 分钟，满分：100 分
一、选择题（本大题共 10 小题，每小题 3 分，共 30 分。在每小题给出的四个选项中，只有一项符
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合题意）
1 ．下列做法不利于减少空气污染的是 ( A ．积极推广使用新能源公交车
C ．田间焚烧秸秆，净化环境
)
B ．限制或禁止燃放烟花爆竹
D ．火力发电厂进行脱硫、控尘处理
2 ．096 型核潜艇被视为中国海军的“压轴级”武器，其核能获得方式为 ( )
A ．可控核裂变 B ．可控核聚变 C ．不可控核裂变 D ．不可控核聚变
3 ．下列天体中空间尺度最小的是 ( )
A ．宇宙 B ．太阳 C ．地球 D ．月球
4 ．“ 中国环流三号”是我国自主设计研制的可控核聚变大科学装置，其原理是由可控核聚变能源产生能量。下列能源的产生与其设计原理相同的是 ( )
A ．风能 B ．潮汐能 C ．地热能 D ．太阳能
5 ．我省三门峡盆地蕴藏着一个原油储量为亿吨级的巨型油田，并有十分丰富的地热资源。下列说法正确的是 ( )
A ．原油属于不可再生能源 B ．地热能属于非清洁能源
C ．利用地热发电是能量的转移过程 D ．原油和地热能实质上均来自太阳能
6 ． 目前，人们认识到的微观世界的尺度大致如图所示，其中问号处应该是什么粒子 ( )
A ．离子 B ．中子 C ．电子 D ．原子核
7 ．中国梦·小康梦，我国新农村建设如火如荼。许多村庄道路两侧安装了如图所示的太阳能路灯。下列与太阳能路灯有关的叙述中不正确的是 ( )
A ．太阳能是可再生能源
B ．硅电池板中的硅是半导体
C ．给金属灯柱涂漆是为了防止灯柱锈蚀
D ．硅电池板中的硅元素是地壳中含量最多的金属元素
8 ．中国“人造太阳”——大型核实验装置“ 东方超环”（EAST）取得重大突破。“ 东方超环”是全超导托卡马克核聚变实验装置，下列核能利用方式与之相同的是 ( )
①原子弹 ②氢弹 ③江苏田湾核电站 ④太阳
A ．①② B ．①③ C ．②③ D ．②④
9 ．物理学的“殿堂”是经过无数“ 巨人”们的不断努力和探究构建的，他们为后人留下了永远高扬的科学精神。其中提出“ 日心说” 的“ 巨人”是 ( )
A ．焦耳 B ．牛顿 C ．奥斯特 D ．哥白尼
10．我国学者王充在《论衡》中记有“顿牟掇芥” ，意思是摩擦过的琥珀能吸引像草芥一类的轻小物体。用毛皮摩擦过的琥珀带负电是由于 ( )
A ．琥珀失去了电子 B ．琥珀得到了电子 C ．琥珀失去了原子核 D ．琥珀得到了原子核
二、非选择题（本大题共 9 小题，共 70 分）
11 ．（4 分）2024 年 6 月 19 日，“和气一号”核能项目在江苏田湾核电基地建成投产， 目前的核电站是利用 （核裂变/核聚变）进行发电，核能属于 （可再生/不可再生）能源。
12 ．（4 分）在“节能减排，低碳生活” 的理念下，太阳能越来越受到人们的青睐，太阳能路灯作为一种新能源产品，具有宽广的前景。太阳能路灯的顶端是太阳能电池板，工作时将太阳能转化为 能。生活中还有很多太阳能的应用，请你举出一例： 。
13 ．（4 分）原子结构中，原子核带 电，原子整体 （选填“显”或“不显”）电性．
14 ．（4 分）我们已知的天体系统中：①银河系，②地球，③太阳系，按空间尺度从小到大的顺序排列依次为 （填序号）；能量是与物体运动有关的物理量，追溯能量的来源，我们生活中的大部分能量来自 。
15 ．（4 分）能源是现代社会发展的三大基本要素之一。现有以下能源：①薪柴、②煤炭、③石油、 ④天然气、⑤水能、⑥风能、⑦太阳能、⑧地热能。在大量耗用各种能源时，会造成空气污染的有 ；会造成水土流失和沙漠化的有 。（均填序号）
16 ．（16 分）我国制造的全球首座十万吨级深水半潜式生产储油平台“深海一号” 已投入使用。
（1）“深海一号”大气田开采的天然气属于 （选填“可”或“不可”）再生能源。在海下 1500m深处，海水的压强相当于 个标准大气压。（海水的密度取1.0 × 103 kg/m3 ）
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（2）“深海一号” 的主要结构为四个浮在水中的长、宽均为 20m 的立柱，在组装时将重约2 × 104 t 的生产平台安装在四个立柱上，安装完成后每个立柱上方受到的压力为 N，立柱浸入水中的深度约增加 m；
（3）“深海一号”到达作业区域后，靠钉在海底的 16 根横截面积为500cm2 、长 2000m 、密度为
1.35× 103 kg/m3 的聚酯锚链将其固定，锚链总质量为 t。
（4）平台上装配了5G 设备，地面工作人员利用 （选填“超声波”或“ 电磁波”）就能实现远程控制。“深海一号” 的四个立柱内都设有压载舱，若系统检测到平台重心向左侧偏移，就会立刻对右侧压载舱进行 （选填“灌水”或“排水”）。在台风天气，为增加平台的稳定性，应 （选填“升高”或“ 降低”）平台的重心。
17 ．（12 分）化石能源目前仍是世界上许多国家的主要能源，但化石能源的大量开采利用使化石能源接近枯竭，也给人类生存环境带来极大的隐患。石油危机、环境污染，在全球范围内引起了人类对能源问题的思考，我国对此问题尤为重视。为了解决环境污染、能源枯竭问题，中国率先在75 届联合国大会上提出“碳达峰”、“碳中和”两个奋斗目标，同时大力发展风能、太阳能、核能等新能源。我国风力资源丰富，在东南沿海、西北沙漠优势突出。风能用之不竭、清洁环保，所以我国加大风能的开发和利用。如图甲是我国某风力发电基地，风力发电机组主要由风机叶片和发电机组组成。
（1）风力发电是把风能转化为电能，风能是 （选填“可再生”或“不可再生”）能源；某段风机叶片的形状像飞机的机翼，若叶片位置和风向如图乙所示，由于叶片两面形状不同导致叶片两面空气流速不同，从而产生 差，可以使风机叶片转动。
（2）风机叶片具有质量轻、强度高等性能，通常用密度 、硬度 的复合材料制成；
（3）某风力发电机输出功率与风速的关系如图丙所示。由图像可知，当风速在v1 到v2 之间时，风速越大，风力发电机输出功率 ；当风速大于v2 时，风速增大， （选填“ 能”或“不能”）提高风力发电机输出功率。
18 ．（12 分）【项目提出】牛顿学习小组开展了“设计隔热节能房屋”跨学科实践活动。
（1）选择合适的隔热材料；（2）选择合适的热水器；（3）安装面积适当的太阳能电池板。
【项目实施】
（一）选择合适的隔热材料
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选取厚度相同的三种不同材料制成大小、形状和结构一致的三个房屋模型、用白炽灯模拟太阳光，摆放情况如图甲所示。实验时发现摆放位置不合理，调整后继续实验。将温度传感器置于模型内相同位置，实时记录温度并绘制出图乙所示的温度-时间关系图像。
（1）图甲中，三个房屋模型应摆放到与白炽灯 （选填“相同”或“不同”）距离处。
（2）分析图乙的图像可知：应选择 做房屋的隔热材料， （二）选择合适的热水器
小组成员查阅了一款空气能热水器的资料，其工作原理如图：液态制冷剂经蒸发器吸收室外热量发生汽化，形成的气体通过压缩机变成高温高压气体、进入水箱冷凝管后放热液化，最后经过储液罐、过滤器、膨胀阀回到蒸发器，开始下一个循环。测试状态下，消耗 1 份电能驱动压缩机运行，可从空气中转移 4 份热量到水中。
水从冷凝管吸收的热量与热水器消耗电能的比值叫作该空气能热水器的COP 值（制热系数）、COP值越高制热效率越高、越节能。若室外温度低或需快速制热，水箱辅热器的电热丝工作、导致 COP值将低于预期效果。
（3）测试状态下、该空气能热水器的COP 值为 。
（4）研究表明：在我国南方地区和北方地区，用同一型号的空气能热水器获得相同质量的热水、南方地区的 COP 值明显高于北方地区，因此空气能热水器更适合在南方地区使用。综合以上信息，提出一个可探究的科学问题： ，
（三）安装太阳能电池板
（5）小组成员网购了一块标有“3V”字样的太阳能电池板，如图所示。他们猜想：太阳能电池板的电压可能与光照面积、光照强度等因素有关。请添加器材设计一个可操作的实验方案，探究太阳能电池板的电压与光照面积是否有关。 ( )
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（6）本地区某天 1m2太阳能电池板的发电量为 0.8kW·h 。当天家庭用电量为 16kW·h ，若只用太阳能电池板供电，则满足用电需求的太阳能电池板的面积至少为 m2。
19 ．（10 分）阅读短文，回答问题。
风光互补发电项目
为保护地球家园，我国将努力争取 2060 年前实现碳中和。为了降低化石能源占比，我国目前正大力开发利用太阳能、风能、核能等新能源，风光互补发电项目正大规模推进。风光互补发电系统由太阳能电池板、风力发电机组、系统控制器、蓄电池组和逆变器等几部分组成。
下表为某型号风光互补路灯系统的部分技术参数，其中风力发电的最大输出功率P大 是指风速达到最大限制风速v大 时风力发电机的输出功率；光照功率P光 是指太阳光照射到电池板表面处每平方米的辐射功率，光电转化效率η光 是指太阳能电池板将光能转化为电能的效率。
风力发电参数 太阳能发电参数
最大输出功率P大 400W 光照功率P光 1000W/m2
最大限制风速v大 12m/s 光电转化效率η光 20%
（1）太阳能属于 （选填“可再生”或“不可再生”）能源。
（2）在人类使用能源的过程中，必然有部分能量由于种种原因浪费掉且不能再重新利用，说明能量的转移或转化具有 。
（3）若风力发电时的输出功率与风速的平方成正比，则当输出功率为 25W 时，风速为 m/s。
（4）某家庭年耗电1500kW . h ，若家用电器全部改用太阳能电池供电，假定按 1 年 200 天，每天 5h光照计算，则要安装的太阳能电池板面积至少是 m2 ；若太阳能辐射的总功率为P0 ，且太阳光在穿透太空及地球大气层到达地面的途中能量损耗率为η（已知球面面积为4πr2 ，r 为球半径），则太阳到地球的距离D = （用物理量符号表示）。
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建议用时：60 分钟，满分：100 分
一、选择题（本大题共 10 小题，每小题 3 分，共 30 分。在每小题给出的四个选项中，只有一项符
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合题意）
1 ．下列做法不利于减少空气污染的是 ( A ．积极推广使用新能源公交车
C ．田间焚烧秸秆，净化环境
)
B ．限制或禁止燃放烟花爆竹
D ．火力发电厂进行脱硫、控尘处理
【答案】C
A ．积极推广使用新能源公交车，利于减少空气污染，故 A 不符合题意；
B ．限制、禁止燃放烟花爆竹，利于减少空气污染，故 B 不符合题意；
C ．田间焚烧秸秆生成有害气体和烟尘，不利于减少空气污染，故 C 符合题意；
D ．火力发电厂进行脱硫、控尘处理，利于减少空气污染，故 D 不符合题意。故选 C。
2 ．096 型核潜艇被视为中国海军的“压轴级”武器，其核能获得方式为 ( )
A ．可控核裂变 B ．可控核聚变 C ．不可控核裂变 D ．不可控核聚变
【答案】A
核潜艇利用铀核的链式反应释放出大量的核能，是可控链式反应，利用的是核裂变。故 A符合题意，BCD 不符合题意。故选 A。
3 ．下列天体中空间尺度最小的是 ( )
A ．宇宙 B ．太阳 C ．地球 D ．月球
【答案】D
给出的天体中空间尺度从大到小的排列顺序为宇宙、太阳、地球、月球，空间尺度最小的是月球，故 D 符合题意，ABC 不符合题意。故选 D。
4 ．“ 中国环流三号”是我国自主设计研制的可控核聚变大科学装置，其原理是由可控核聚变能源产生能量。下列能源的产生与其设计原理相同的是 ( )
A ．风能 B ．潮汐能 C ．地热能 D ．太阳能
【答案】D
A ．风能是将风的机械能转化为电能进行利用，与核聚变无关，故 A 不符合题意；
B ．潮汐能是将水的机械能转化为电能进行利用，与核聚变无关，故 B 不符合题意；
C ．地热能是指地球内部放射性衰变产生的热，是核裂变，故 C 不符合题意；
D ．太阳能来自其内部的核聚变（氢聚变成氦），故 D 符合题意；故选 D。
5 ．我省三门峡盆地蕴藏着一个原油储量为亿吨级的巨型油田，并有十分丰富的地热资源。下列说法正确的是 ( )
A ．原油属于不可再生能源 B ．地热能属于非清洁能源
C ．利用地热发电是能量的转移过程 D ．原油和地热能实质上均来自太阳能
【答案】A
A ．原油是经过地质变化形成的化石能源，在短时间内无法从自然界重新生成，属于不可再生能源，故 A 正确；
B．清洁能源是指在使用过程中对环境影响较小或无污染的能源，地热能利用时对环境的污染极小，属于清洁能源，故 B 错误；
C ．利用地热发电时，是将地热中的能量转化为电能，这一过程属于能量的转化，故 C 错误；
D ．原油是由古代生物遗骸经过地质作用形成，其能量源于古代生物固定的太阳能，而地热能主要来自地球内部放射性元素衰变产生的热能，并非来自太阳能，故 D 错误。故选 A。
6 ． 目前，人们认识到的微观世界的尺度大致如图所示，其中问号处应该是什么粒子 ( )
A ．离子 B ．中子 C ．电子 D ．原子核
【答案】D
物质是由分子、原子构成的，原子是由位于中心的原子核和核外电子构成的，原子核的尺度比原子小很多，一般原子的数量级为10_10 m ，原子核的数量级为10_14 m 。在给出的选项中，离子是带电的原子或原子团，尺度与原子相近；中子是组成原子核的粒子，其尺度比原子核小；电子是绕原子核运动的粒子，尺度也比原子核小。所以图中问号处应该是原子核，它是原子中相对较小但集中了原子大部分质量的部分。故 D 符合题意，ABC 不符合题意。故选 D。
7 ．中国梦·小康梦，我国新农村建设如火如荼。许多村庄道路两侧安装了如图所示的太阳能路灯。下列与太阳能路灯有关的叙述中不正确的是 ( )
A ．太阳能是可再生能源
B ．硅电池板中的硅是半导体
C ．给金属灯柱涂漆是为了防止灯柱锈蚀
D ．硅电池板中的硅元素是地壳中含量最多的金属元素
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【答案】D
A ．太阳能可以源源不断的重复获取，属于可再生能源，故 A 正确，不符合题意；
B ．硅是常见的半导体材料，所以硅电池板中的硅是半导体，故 B 正确，不符合题意；
C．给金属灯柱涂漆，隔绝了金属与空气中的氧气和水分接触，可以防止灯柱锈蚀，故 C 正确，不符合题意；
D．硅是非金属材料，所以硅电池板中的硅元素是地壳中含量最多的非金属元素，故 D 错误，符合题意。故选 D。
8 ．中国“人造太阳”——大型核实验装置“ 东方超环”（EAST）取得重大突破。“ 东方超环”是全超导托卡马克核聚变实验装置，下列核能利用方式与之相同的是 ( )
①原子弹 ②氢弹 ③江苏田湾核电站 ④太阳
A ．①② B ．①③ C ．②③ D ．②④
【答案】D
“ 东方超环”是全超导托卡马克核聚变实验装置，属于核聚变。
①原子弹利用核能的原理主要基于核裂变过程，通过不可控的链式反应在极短时间内释放巨大能量。故原子弹利用核能的原理是核裂变；
②氢弹利用核能的原理是核聚变，即在极高温度和压力条件下，氢的同位素（如氘和氚）的原子核发生结合反应，生成更重的原子核（如氦），并瞬时释放巨大能量，故氢弹利用核能的原理是核聚变；
③核电站利用核能的原理与原子弹的原理相同，都是核裂变；
④太阳利用核能的原理与氢弹的原理相同，都是核聚变。
故 ABC 不符合题意，D 符合题意。故选 D。
9 ．物理学的“殿堂”是经过无数“ 巨人”们的不断努力和探究构建的，他们为后人留下了永远高扬的科学精神。其中提出“ 日心说” 的“ 巨人”是 ( )
A ．焦耳 B ．牛顿 C ．奥斯特 D ．哥白尼
【答案】D
哥白尼是文艺复兴时期的波兰天文学家，他在其著作《天体运行论》中系统阐述了 “ 日心说” ，认为太阳是宇宙的中心，地球和其他行星都围绕太阳运转，否定了长期以来占据统治地位的“地心说”（认为地球是宇宙中心）。这一学说不仅是天文学上的重大突破，更动摇了当时教会的权威，推动了科学革命的发展，对后世自然科学的进步产生了深远影响。 故 D 符合题意，ABC 不符合题意。故选 D。
10．我国学者王充在《论衡》中记有“顿牟掇芥” ，意思是摩擦过的琥珀能吸引像草芥一类的轻小物体。用毛皮摩擦过的琥珀带负电是由于 ( )
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A ．琥珀失去了电子 B ．琥珀得到了电子 C ．琥珀失去了原子核 D ．琥珀得到了原子核
【答案】B
电子带负电荷，用毛皮摩擦过的琥珀带负电，说明琥珀在摩擦过程中得到了电子（毛皮束缚电子的能力较弱，失去电子带正电，琥珀束缚电子能力较强，得到电子带负电））。原子核带正电且不会发生转移，故 ACD 错误，B 正确。故选 B。
二、非选择题（本大题共 9 小题，共 70 分）
11 ．（4 分）2024 年 6 月 19 日，“和气一号”核能项目在江苏田湾核电基地建成投产， 目前的核电站是利用 （核裂变/核聚变）进行发电，核能属于 （可再生/不可再生）能源。
【答案】 核裂变 不可再生
[ 1]核能主要包括核裂变与核聚变，由于核聚变的反应目前还不可控，故核电站主要是利用了原子核发生可控制的核裂变释放出的核能来发电的。
[2]核能一旦消耗就很难再生，核电站所用的核燃料属于不可再生能源。
12 ．（4 分）在“节能减排，低碳生活” 的理念下，太阳能越来越受到人们的青睐，太阳能路灯作为一种新能源产品，具有宽广的前景。太阳能路灯的顶端是太阳能电池板，工作时将太阳能转化为 能。生活中还有很多太阳能的应用，请你举出一例： 。
【答案】 电 太阳能热水器
[ 1]太阳能电池板工作时，能够将接收到的太阳能转化为电能，所以太阳能路灯顶端的太阳能电池板工作时将太阳能转化为电能。
[2]生活中太阳能的应用有很多，比如太阳能热水器，它是将太阳能转化为热能来加热水的；还有太阳能电站等，这里可举例太阳能热水器（答案不唯一）。
13 ．（4 分）原子结构中，原子核带 电，原子整体 （选填“显”或“不显”）电性．
【答案】 正 不显
[ 1][2]原子由原子核与核外电子组成，原子核内的质子带正电，中子不带电，原子核所带的正电荷与所有核外电子所带的负电荷总和相等，所以原子对外不显电性。
14 ．（4 分）我们已知的天体系统中：①银河系，②地球，③太阳系，按空间尺度从小到大的顺序排列依次为 （填序号）；能量是与物体运动有关的物理量，追溯能量的来源，我们生活中的大部分能量来自 。
【答案】 ②③① 太阳
[ 1]宇宙包含所有天体系统的最大尺度结构。银河系是宇宙中的一个星系，为太阳系所在的恒星系统；太阳系是银河系中的一个恒星系统，以太阳为中心；地月系是太阳系中地球与月球组成的最小层级系统。故题中天体系统按空间尺度从小到大的顺序排列依次为②③①。
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[2]植物通过光合作用将太阳能转化为化学能，动物通过食用植物或其他动物获取能量，最终来源仍是太阳能。煤炭、石油、天然气等由古代动植物遗体经地质作用形成，本质是储存的太阳能。能量是与物体运动有关的物理量，追溯能量的来源，我们生活中的大部分能量来自太阳。
15 ．（4 分）能源是现代社会发展的三大基本要素之一。现有以下能源：①薪柴、②煤炭、③石油、 ④天然气、⑤水能、⑥风能、⑦太阳能、⑧地热能。在大量耗用各种能源时，会造成空气污染的有 ；会造成水土流失和沙漠化的有 。（均填序号）
【答案】 ①②③④ ①
[ 1][2]①薪柴：直接燃烧会产生烟尘等污染物，过度砍伐会破坏植被，导致水土流失和土地沙化；
②煤炭：燃烧时主要排放烟尘、二氧化硫（SO ) 、氮氧化物（NOx）等，是煤烟型大气污染的主要来源；
③石油：使用其产品（如汽油、柴油）会产生氮氧化物、碳氢化合物等，导致光化学烟雾等石油型污染；
④天然气：相比煤炭和石油，燃烧更清洁，污染较小，但仍是化石燃料，燃烧过程仍会产生氮氧化物等空气污染物。综上所述①②③④能源的燃烧会造成空气污染，而①会造成水土流失和沙漠化。
16 ．（16 分）我国制造的全球首座十万吨级深水半潜式生产储油平台“深海一号” 已投入使用。
（1）“深海一号”大气田开采的天然气属于 （选填“可”或“不可”）再生能源。在海下 1500m深处，海水的压强相当于 个标准大气压。（海水的密度取1.0 × 103 kg/m3 ）
（2）“深海一号” 的主要结构为四个浮在水中的长、宽均为 20m 的立柱，在组装时将重约2 × 104 t 的生产平台安装在四个立柱上，安装完成后每个立柱上方受到的压力为 N，立柱浸入水中的深度约增加 m；
（3）“深海一号”到达作业区域后，靠钉在海底的 16 根横截面积为500cm2 、长 2000m 、密度为
1.35× 103 kg/m3 的聚酯锚链将其固定，锚链总质量为 t。
（4）平台上装配了5G 设备，地面工作人员利用 （选填“超声波”或“ 电磁波”）就能实现远程控制。“深海一号” 的四个立柱内都设有压载舱，若系统检测到平台重心向左侧偏移，就会立刻对右侧压载舱进行 （选填“灌水”或“排水”）。在台风天气，为增加平台的稳定性，应 （选填“升高”或“ 降低”）平台的重心。
【答案】（1）不可；50；（2）5 × 107 ；12.5 ；（3）2160；（4）电磁液；灌水；降低
（1）[ 1]天然不能源源不断地从自然界获得，属于不可再生能源。
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[2] 1 个标准大气压约为1x 105 Pa ，在海下 1500m 深处，海水的压强p = p海水gh = 103 kg / m3 x 10N / kg x 1500m = 1.5 x 107 Pa = 150x 105 Pa
海水的压强相当于 150 个标准大气压。
（2）[ 1]生产平台的重力为G = mg = 2 x 107 kg x 10N/kg = 2 x 108 N每个立柱受到的压力为F G = 5 x 107 N
[2]整个深海一号漂浮在水面上，浮力等于重力；根据阿基米德原理，物体受到的浮力为
F浮 = G = p水gV排 = p水gSh
所有立柱浸入水中的深度增加约为h m每根立柱浸入水中增加的深度hh = 12.5m
（3）每根聚酯锚链的质量为m = pV = 1.35x 103 kg/m3 x 2000mx 500x 10 _4m 2 = 1.35x 105 kg = 135t
16 根锚链的总质量为m总 = 16m = 16x 135t = 2160t
（4）[ 1][2][3]平台上装配了 5G 设备，地面工作人员利用电磁波就能实现远程控制；“深海一号” 的四个立柱内都设有压载舱，若系统检测到平台重心向左侧偏移，需要给右侧增重，就需要对右侧压载舱进行灌水；重心越低，物体稳定性越好，所以在台风天气，为增加平台的稳定性，应降低平台的重心。
17 ．（12 分）化石能源目前仍是世界上许多国家的主要能源，但化石能源的大量开采利用使化石能源接近枯竭，也给人类生存环境带来极大的隐患。石油危机、环境污染，在全球范围内引起了人类对能源问题的思考，我国对此问题尤为重视。为了解决环境污染、能源枯竭问题，中国率先在75 届联合国大会上提出“碳达峰”、“碳中和”两个奋斗目标，同时大力发展风能、太阳能、核能等新能源。我国风力资源丰富，在东南沿海、西北沙漠优势突出。风能用之不竭、清洁环保，所以我国加大风能的开发和利用。如图甲是我国某风力发电基地，风力发电机组主要由风机叶片和发电机组组成。
（1）风力发电是把风能转化为电能，风能是 （选填“可再生”或“不可再生”）能源；某段风机叶片的形状像飞机的机翼，若叶片位置和风向如图乙所示，由于叶片两面形状不同导致叶片两面空气流速不同，从而产生 差，可以使风机叶片转动。
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（2）风机叶片具有质量轻、强度高等性能，通常用密度 、硬度 的复合材料制成；
（3）某风力发电机输出功率与风速的关系如图丙所示。由图像可知，当风速在v1 到v2 之间时，风速越大，风力发电机输出功率 ；当风速大于v2 时，风速增大， （选填“ 能”或“不能”）提高风力发电机输出功率。
【答案】（1）可再生；压强；（2）小；大；（3）越大；不能
（1）[ 1]可再生能源是指在自然界中可以不断再生、永续利用的能源，具有取之不尽，用之不竭的特点，主要包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能和海洋能等。 不可再生能源是指在自然界中经过亿万年形成，短期内无法恢复且随着大规模开发利用，储量越来越少总有枯竭一天的能源，主要包括煤、石油、天然气等化石能源。 风能可以在自然界中源源不断地获取，所以风能是可再生能源。
[2]流体压强与流速的关系是：在流体中，流速越大的位置压强越小。 风机叶片的形状像飞机的机翼，叶片上方空气流速快，压强小；叶片下方空气流速慢，压强大，从而产生压强差，这个压强差会形成一个向上的力，使风机叶片转动。
（2）[ 1] 因为风机叶片需要质量轻，由 p 可知，在体积一定的情况下，密度越小，质量越轻，所以通常用密度小的复合材料制成。
[2]风机叶片需要强度高，也就是要具有较好的抵抗外力破坏的能力，而硬度是材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，所以需要用硬度大的复合材料制成。
（3）[ 1]当风速在 v1 到 v2 之间时，观察图丙可知，随着风速的增大，风力发电机输出功率逐渐增大，即风速越大，风力发电机输出功率越大。
[2]当风速大于 v2 时，从图丙中可以看出，输出功率不再随风速的增大而增大，保持不变，所以不能提高风力发电机输出功率。
18 ．（12 分）【项目提出】牛顿学习小组开展了“设计隔热节能房屋”跨学科实践活动。
【项目分析】要进行房屋的隔热节能设计，需要完成以下任务：
（1）选择合适的隔热材料；（2）选择合适的热水器；（3）安装面积适当的太阳能电池板。
【项目实施】
（一）选择合适的隔热材料
选取厚度相同的三种不同材料制成大小、形状和结构一致的三个房屋模型、用白炽灯模拟太阳光，摆放情况如图甲所示。实验时发现摆放位置不合理，调整后继续实验。将温度传感器置于模型内相同位置，实时记录温度并绘制出图乙所示的温度-时间关系图像。
第十六章 永恒的探索：宇宙和粒子 基础卷（解析版）
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（1）图甲中，三个房屋模型应摆放到与白炽灯 （选填“相同”或“不同”）距离处。
（2）分析图乙的图像可知：应选择 做房屋的隔热材料， （二）选择合适的热水器
小组成员查阅了一款空气能热水器的资料，其工作原理如图：液态制冷剂经蒸发器吸收室外热量发生汽化，形成的气体通过压缩机变成高温高压气体、进入水箱冷凝管后放热液化，最后经过储液罐、过滤器、膨胀阀回到蒸发器，开始下一个循环。测试状态下，消耗 1 份电能驱动压缩机运行，可从空气中转移 4 份热量到水中。
水从冷凝管吸收的热量与热水器消耗电能的比值叫作该空气能热水器的COP 值（制热系数）、COP值越高制热效率越高、越节能。若室外温度低或需快速制热，水箱辅热器的电热丝工作、导致 COP值将低于预期效果。
（3）测试状态下、该空气能热水器的COP 值为 。
（4）研究表明：在我国南方地区和北方地区，用同一型号的空气能热水器获得相同质量的热水、南方地区的 COP 值明显高于北方地区，因此空气能热水器更适合在南方地区使用。综合以上信息，提出一个可探究的科学问题： ，
（三）安装太阳能电池板
（5）小组成员网购了一块标有“3V”字样的太阳能电池板，如图所示。他们猜想：太阳能电池板的电压可能与光照面积、光照强度等因素有关。请添加器材设计一个可操作的实验方案，探究太阳能电池板的电压与光照面积是否有关。 ( )
（6）本地区某天 1m2太阳能电池板的发电量为 0.8kW·h 。当天家庭用电量为 16kW·h ，若只用太阳能电池板供电，则满足用电需求的太阳能电池板的面积至少为 m2。
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【答案】相同；泡沫板；4；空气能热水器的 COP 值与室外温度有什么关系；见详解；20
[ 1]实验需要控制变量，确保三个模型受到的光照强度相同，因此应摆放在与白炽灯相同距离处。
[2] 图乙中，温度-时间曲线越平缓（温度上升越慢），说明隔热性能越好。泡沫板房屋内温度随时间升温慢，说明泡沫板的隔热性能好，应选择隔热性能最好的材料泡沫板作为房屋隔热材料。
[3]空气能热水器在测试状态下消耗 1 份电能，可以从空气中转移 4 份热量到水中。因此，水从冷
(
水吸收的热量
4
消耗的电能
1
)凝管吸收的热量为 4 份，消耗的电能为 1 份。COP 值的计算公式为COP = = = 4
所以，该空气能热水器的COP 值为4 。
[4]根据题目信息，南方地区的 COP 值明显高于北方地区，且室外温度低时 COP 值会降低。因此，可以提出以下可探究的科学问题：空气能热水器的 COP 值与室外温度有什么关系？为什么空气能热水器在南方地区的 COP 值高于北方地区？
[5]要探究太阳能电池板的电压与光照面积是否有关，需要控制光照强度等其他因素不变，只改变光照面积，并测量太阳能电池板的电压。
实验方案：
器材：太阳能电池板、不同面积的遮光板（或可调节面积的光照装置）、电压表、导线等。
步骤：
将太阳能电池板与电压表连接，测量其在无光照时的初始电压（应为0V）。
用遮光板（或可调节面积的光照装置）遮挡太阳能电池板的一部分，使其光照面积为某一特定值，记录此时电压表的示数。
逐渐改变遮光板的面积（或调节光照装置的面积），使太阳能电池板的光照面积发生变化，每次改变后都记录电压表的示数。
重复实验多次，取平均值以减小误差。
数据分析：比较不同光照面积下太阳能电池板的电压值，分析电压与光照面积的关系。如果电压随光照面积的减小而降低，则说明太阳能电池板的电压与光照面积有关；否则无关。
[6]所需太阳能电池板的面积为面积m2
19 ．（10 分）阅读短文，回答问题。
风光互补发电项目
为保护地球家园，我国将努力争取 2060 年前实现碳中和。为了降低化石能源占比，我国目前正大力开发利用太阳能、风能、核能等新能源，风光互补发电项目正大规模推进。风光互补发电系统由太阳能电池板、风力发电机组、系统控制器、蓄电池组和逆变器等几部分组成。
下表为某型号风光互补路灯系统的部分技术参数，其中风力发电的最大输出功率P大 是指风速达到
第十六章 永恒的探索：宇宙和粒子 基础卷（解析版）
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最大限制风速v大 时风力发电机的输出功率；光照功率P光 是指太阳光照射到电池板表面处每平方米的辐射功率，光电转化效率η光 是指太阳能电池板将光能转化为电能的效率。
风力发电参数 太阳能发电参数
最大输出功率P大 400W 光照功率P光 1000W/m2
最大限制风速v大 12m/s 光电转化效率η光 20%
（1）太阳能属于 （选填“可再生”或“不可再生”）能源。
（2）在人类使用能源的过程中，必然有部分能量由于种种原因浪费掉且不能再重新利用，说明能量的转移或转化具有 。
（3）若风力发电时的输出功率与风速的平方成正比，则当输出功率为 25W 时，风速为 m/s。
（4）某家庭年耗电1500kW . h ，若家用电器全部改用太阳能电池供电，假定按 1 年 200 天，每天 5h光照计算，则要安装的太阳能电池板面积至少是 m2 ；若太阳能辐射的总功率为P0 ，且太阳光在穿透太空及地球大气层到达地面的途中能量损耗率为η（已知球面面积为4πr2 ，r 为球半径），则太阳到地球的距离D = （用物理量符号表示）。
【答案】（1）可再生；（2）方向性；（3）3 ；（4） 7.5 ；
（1）太阳能可以在自然界里源源不断地得到补充，所以它属于可再生能源。
（2）能量的转化或转移具有方向性，如热机在工作过程中一些内能散失在空气中，但内能不会自动从低温空气向高温的热机气缸中转移。
（3）输出的最大功率与风速平方成正比，已知其最大输出功率为 400W ，最大限制风速为 12m/s，设输出功率为 25W 时风速为 v ，则
有 v=3m/s
（4）[ 1]太阳能电池一年内提供的电能为W0 = 1500kW . h需要的太阳能为W kW . h
太阳能电池板总功率为P kW=7500W需要的太阳能电池板面积为Sm2
[2]太阳能到达地球时，可以认为太阳能平均分布为以太阳到地球距离 D 为半径的球内面上，此时球内面接收到的能量为W = W0η转 = W0 (1_η) = P0t(1_η)
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球面单位面积上接收到的光能为W
单位面积上的接收功率为 则太阳到地球距离为D
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