三、实验探究题（共28 分）
16．2025 年4月24 日运载“神舟二十号”载人飞船的火箭成功发射。当飞船和火箭分离后，打开太阳能帆板，太阳能帆板将能转化为电能；当飞船成功对接天和核心舱时，飞船相对于天和核心舱是的，随后两乘组人员完成中国航天史上第6次“太空会师”。
【答案】 太阳静止
【详解】[1]太阳能帆板吸收太阳能，直接将太阳能转化为电能提供给太空舱用电器工作。
[2]当飞船成功对接天和核心舱后，飞船相对于天和核心舱的位置不变，所以此时飞船是静止的。
17．光伏发电产业是我国低碳经济的亮点之一。光伏发电使用的太阳能板（如图）主要是将太阳能转化为能，太阳能来自于太阳内部的核（选填“聚”或“裂”）变。
【答案】电聚
【详解】[1]太阳能板吸收太阳能，将太阳能转化为电能。
[2]在太阳内部，氢原子核在超高温作用下发生聚变，释放巨大的核能
18．历史上大国的崛起都反复证明了一个定律：背海而弱，向海则兴。开发利用海洋，是新时代我国能源发展的总体目标。如图所示，是我国矗立在东海的风力发电厂，风力发电机靠叶片的风力的推动下转动，带动发电机发电，把 转化为 。这种发电机的工作原理
是 ；风能属于 （选填“可再生”或“不可再生”）能源。
【答案】 风能电能电磁感应可再生
【详解】[1][2][3]风力发电是将风能即机械能通过电磁感应现象转化为电能，供用电器使用。
[4]风能可以在自然界里源源不断的得到补充，所以它属于可再生能源。
19．某热水器使用天然气作为燃料，天然气属于（选填“可再生”或“不可再生”）能源。现将10kg的水从 20℃加热到 39℃,若天然气完全燃烧放出的热量全部被水吸收，需要m3的天然气。真实情况下，上述加热过程需要消耗天然气 21.3g，则该热水器的加热效率为%。
[c水=4.2×103J/（kg•℃),标准大气压下 q天然气=3.8×107J/m3，ρ天然气=0.71kg/m3]【答案】 不可再生2.1×10-2 70
【详解】[1]天然气是经过数百万年地质变化形成的化石能源，短期内无法再生，因此属于不可再生能源。
[2]水吸收的热量Q吸=cmΔt=4.2×103J/(kg•℃)×10kg×(39℃-20℃)=7.98×105J
由于Q放=Q吸，由Q放=qV得，需要天然气的体积V =q(Q放)= ≈ 2.1×10一2 m3
[3]21.3g 天然气的体积V气 一2m3
其完全燃烧放出的热量Q放=qV 气=3.8×107J/m3×3×10-2m3=1.14×106J加热效率
20．太阳能热水器因节能环保而广泛应用。热水器由真空集热管、不锈钢保温水箱、连接管道等部件组成。集热器相当于电热水器中的电热管，保温水箱储存热水，连接管道将整套冷水、热水系统形成一个闭合的环路。实际使用中发现其效率受多种因素影响，小明思考:太阳能热水器效率与什么因素有关?
他猜想:与太阳能热水器的倾角、光照时间和水的质量有关。
为此，小明开展“影响太阳能热水器效率的因素”探究实验，装置如图所示。他采用同一太阳能热水器，在不同条件下进行测试，并记录相关数据如表所示：
实验序号 太阳能热水器的倾角 光照时间/h 水的质量/kg 水升高的温度/℃
1 30° 2 10 10
2 45° 2 10 15
3 45° 3 10 20
4 45° 2 20 8
请你解答下列问题:
（1）该实验通过比较判断太阳能热水器效率高低。
（2）分析实验1 和2，初步得出结论：在光照时间和水的质量相同时，太阳能热水器的倾角越大，太阳能热水器的效率越高。
（3）分析实验2 和3，可初步得出结论：。
（4）要探究“水的质量对太阳能热水器效率的影响”，应选择实验进行对比。
（5）实验4中，水的质量比实验2多，但水升高的温度却低。从能量转化和比热容相关知识的角度分析，这样的数据合理吗?并说明理由。
（6）除了上述列出的因素，还有哪些因素可能会影响太阳能热水器的效率?请至少说出两个因素：。
【答案】 水升高的温度 见解析 2和4 见解析 见解析
【详解】（1）[1]由转换法可知，实验通过比较水升高的温度判断太阳能热水器效率高低，水升高的温度越高，则太阳能热水器效率越高。
（3）[2]分析实验2 和3，太阳能热水器的倾角和水的质量相同，第3次光照时间较长，水升高的温度较高，太阳能热水器效率较高，可以得到在太阳能热水器的倾角和水的质量相同时，光照时间越长，太阳能热水器效率越高。
（4）[3]要探究“水的质量对太阳能热水器效率的影响”，保持太阳能热水器的倾角和光照时间相同，水的质量不同，选择实验2 和4。
（5）[4]实验2 和4中太阳能热水器工作时，将太阳能转化为内能，光照时间相同，热水器中水吸收的热量相同，实验4中，水的质量比实验2多，根据Q=cmΔt可知，热量和比热容相同，升高的温度和质量成反比，所以水升高的温度会降低。
（6）[5]光照强度（太阳辐射强度）：强光下集热管吸收能量更快。环境温度：低温环境会导致保温水箱散热加快。所以影响太阳能热水器的效率可能有光照强度、环境温度等。
21．物理老师组织各小组开展了“学习潜艇原理自制潜艇模型”项目化学习活动。下面是小组同学交流的实践过程：
【项目分解】
任务一：学习了解核潜艇内部构造及原理；
任务二：设计并制作潜水器模型；【项目实施】
任务一：A小组通过查阅资料总结出以下调查报告； (ρ水=1.0×103kg/m3）
材料一：海底1万米，你好！——“奋斗者”号标注中国载人深潜新坐标；
2020 年11 月10日8 时12 分，中国“奋斗者”号载人潜水器在马里亚纳海沟成功坐底，坐底深度10909米，刷新了我国载人深潜新纪录。10909 米的纪录，让人类在大深度载人深潜领域有了新坐标。
材料二：探索核潜艇的内部结构和潜艇核反应堆系统技术介绍；
探索核潜艇的解剖结构：
核潜艇由几个部分组成，包括船体、压力船体和指挥塔。船体是潜艇的最外层，设计为防水。它通常由钢或钛制成，设计为尽可能坚固和轻巧。压力船体是最内层，旨在承受海洋深处的巨大压力。最后，指挥塔是潜艇的指挥中心，包含舰桥，舰桥是船长和其他军官指挥船只的地方。
核反应堆如何为潜艇提供动力：
核潜艇使用核推进系统来发电（如图所示）。这些系统使用核反应堆，其中包含铀燃料棒，这些燃料棒在核裂变的过程中被分开。释放出的能量，用于加热水，然后这些热水被用来产生蒸汽，从而转动轮机并发电，为潜艇的发动机和螺旋桨提供动力。
了解声呐和雷达在潜艇作战中的作用：
声呐和雷达是潜艇作战的重要工具。声呐系统在水中使用，利用声波探测潜艇、水面舰艇，甚至鲸鱼等，雷达系统在水面上使用，利用无线电波探测飞机和其他船只。
(1)根所上述材料可知，以下说法正确的是______；
A．潜艇声呐和潜艇雷达都是利用声来传递信息
B．核潜艇的外壳用密度大硬度小的特种钢材制成的
C．核潜艇、原子弹、核电站都是利用核裂变获得能量
D．当“奋斗者”号下潜到万米水下时，6000cm2的舱门所受的液体压力为6×106N
(2)根据调查报告，请你简述核潜艇利用核反应堆发电过程中的详细的能量转化过程；
任务二：B 小组调查了“奋斗者”号潜水器的相关报道，设计了潜水器模型如图所示，该小组用4 个的矿泉水瓶黏在一起，两个密封的作“生活舱”，一个瓶身开三个孔的作“水舱”，一个瓶身开一些小孔，并装有若干金属螺母作为“配重舱”，将一个注射器通过橡胶管与气球相连后放入“水舱”内，并做好密封，用注射器使气球变大或变小控制“水舱”中的水量，从而实现潜水器的上浮、悬浮和下沉。
(3)想让悬浮状态的“潜水器”上浮，小组同学应该用注射器（选填“打气”或“抽气”）；
(4)潜水器悬浮时，若有一个小螺母从“配重舱”的小孔中掉出，这一瞬间“潜水器”受到的浮力（选填“变大”、“变小”或“不变”），“潜水器”将会（选填“上浮”、“悬浮”或“下沉”）；
【项目拓展】
C小组针对B 小组的设计模型进行改进：
(5)该小组同学采用的材料总质量0.5kg，总体积800cm3，设计了四种方案，制成生活舱和水舱的体积如下表所示。在模型能实现浮沉的情况下尽量增大生活仓的体积的最佳方案是方案（g 取10N/kg）。
方案 生活舱体积/cm3 水舱体积/cm3 配重仓及其余部分总体积/cm3
1 400 350 50
2 430 320 50
3 450 300 50
4 480 270 50
【答案】 C 核能→内能→机械能→电能打气不变上浮2
【详解】（1）A．潜艇声呐是利用声来传递信息，而潜艇雷达是利用无线电波探测飞机和其他船
只，故A 错误；
B．船体是潜艇的最外层，设计为防水。它通常由钢或钛制成，设计为尽可能坚固和轻巧，用硬度大的特种钢材制成的，故B 错误；
C．核潜艇、核电站都是利用可控核裂变获得能量，原子弹也是利用核裂变获得能量，只是不加控制，故C正确；
D．当“奋斗者”号下潜到万米水下时，6000cm2的舱门所受的液体压力为
F=pS=ρghS=1.0×103kg/m3×10N/kg×10000m×6000×10-4m2=6×107N；故D 错误。故选C。
（2）这些燃料棒在核裂变的过程中被分开，释放出的能量，用于加热水，此过程中将核能转化为内能；然后这些热水被用来产生蒸汽，从而转动轮机并发电，此过程中将内能转化为机械能再转化为电能，故能量转化过程为：核能→内能→机械能→电能。
（3）想让悬浮状态的“潜水器”上浮，应减小自身重力，所以需要排水，故小组同学应该用注射器打气，排出部分水。
（4）[1][1]潜水器悬浮时，浮力等于重力。若有一个小螺母从“配重舱”的小孔中掉出，自身重力减小。由于液体密度和排开液体的体积都不变，所以这一瞬间“潜水器”受到的浮力不变。故浮力大于重力，“潜水器”将会上浮。
（5）该模型浸没时所受浮力为F 浮=ρ水gV 排=1.0×103kg/m3×10N/kg×8×10-4m3=8N材料总质量为0.5kg，则总重力为G=mg=0.5kg×10N/kg=5N
悬浮时排水仓中水的重力为G水=F 浮-G=8N-5 N=3N水舱内水的质量为m水
水舱内水的体积为V水
所以水舱内水的体积大于300cm3才能下沉，结合表中数据可知，在模型能实现浮沉的情况下尽量增大生活仓的体积的最佳方案是方案2。
22．【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。
（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做该空气能热水器的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。
【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【详解】[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
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
四、科普阅读题（共12 分）
23．阅读短文，回答问题。
光伏发电的奥秘
光伏发电的核心结构是P-N结，它由P型（富含带正电的空穴）和N型（富含带负电的电子）两种半导体材料组成。当两种半导体材料接触时，电子会从N区扩散到P区，空穴从P区扩散到N区，相遇的电子和空穴会结合并恢复成中性状态，在交界处留下带负电的P区离子和带正电的N区离子，形成“空间电荷区”，如图所示。这个电荷区带负电的P区离子和带正电的N区离子像一道屏障阻止更多电子和空穴流动。当阳光照射到P-N结时，阳光中的光子会“撞击”半导体材料，产生新的电子和空穴，此时“空间电荷区”内带负电的P区离子和带正电的N区离子发挥作用，电子被推向N区，空穴被推向P区。如果此时在P-N结两端连接导线，电子就会通过导线流回P区，形成光生电流。这个过程持续将太阳能转化为电能，这就是光伏发电的基本原理。
(1)光伏发电的核心结构是：。
(2)当空穴和电子靠近时，它们会相互（选填“吸引”或“排斥”）。
(3)当阳光照射到P-N结时，导线中光生电流的方向是（选填“从N区到P区”或“从P区到N区”）。
(4)请你写出光伏发电的一个优点：。
【答案】(1)P-N结；(2)吸引；(3)从P区到N区；(4)清洁无污染
【详解】（1）由文中题意知，光伏发电的核心结构是P-N结，它由P型（富含带正电的空穴）和N型（富含带负电的电子）两种半导体材料组成。
（2）由题意知，空穴带正电，电子带负电，根据异种电荷相互吸引的原理，当空穴和电子靠近时，它们会相互吸引。
（3）由题意知，当阳光照射到P-N 结时，阳光中的光子会“撞击”半导体材料，产生新的电子和空穴，此时“空间电荷区”内带负电的P区离子和带正电的N区离子发挥作用，电子被推向N区，电子带负电，而电流方向的规定为正电荷定向移动的方向，与负电荷定向移动的方向相反。电子通过导线从N区流向P区，那么电流方向就是从P区到N区。
（4）光伏发电的优点很多，比如清洁无污染，太阳能属于可再生能源，取之不尽用之不竭。
24．阅读短文回答问题
风力发电机组主要由叶片、齿轮箱、发电机等组成，其简化结构如图甲所示。叶片横截面的设计原理如图乙所示，一面较平，另一面较弯曲，两面空气流速不同，从而产生压强差，可使风机叶片转动。叶片在风的作用下旋转，经过齿轮箱增速后，发电机转子高速旋转发电。某风力发电机组利用齿轮箱可实现叶片转1圈，发电机转子转20圈。风力发电机组输出功率P 与风速v的关系如图丙所示。
(1)如图丁所示，完成下列风力发电的主要能量转化流程图 ∶①,②；风能是（选填“可再生”或“不可再生”）能源；
(2)如图丙所示，当风速为12m/s时，风力发电机组工作1h 输出的电能为J。
【答案】(1) 机械能电能 可再生；(2)5.76×108
【详解】（1）[1][2]叶片在风的作用下旋转，将风能转化成叶片的机械能；叶片带动电机转子高速旋转发电，将机械能转化成电能。
[3]风能可以从自然界源源不断地获取，风能是可再生能源。
（2）由丙图可知，当风速为12m/s时，风力发电机的功率为160kW，风力发电机组工作1h 输出的电能为W =Pt= 160×103W×3600s = 5.76×108J
25．根据下列项目式学习活动，回答问题。
制作盘式风力发电机
转子和定子是发电机的两个核心组成部分，转子是发电机中绕转轴旋转运动的部分，定子是发电机中静止不动的部分。小明通过以下步骤制成一个盘式风力发电机。
（1）将六个顺时针绕制完全相同的线圈（俯视）均匀分布在亚克力圆盘上，制成风力发电机的定子，如图1；
（2）将六颗相同的圆柱体强磁均匀分布在圆木板上（圆柱体的上下底面分别是磁体的两个磁极），制成风力发电机的转子，如图2；
（3）用转轴穿过两个圆盘的圆心，圆木板圆心处安装一滚珠轴承，调试后能使圆木板绕轴平稳转动，连接好线圈，如图3（俯视/侧视图）；
（4）在圆木板背面安装合适数量的扇叶，制成盘式风力发电机。将小灯泡接入风力发电机输出端，开启台扇模拟自然风场，风力驱动发电机运转后，小灯泡发光，如图4．
(1)基本原理：
风能属于（选填“可”或“不可”）再生能源，盘式风力发电机工作过程中能量转化的顺序是风能→→电能，其工作原理基于现象。
(2)确定六颗强磁的磁极方向：
当装有强磁的木板转动时，以磁体为参照物，线圈是的；某时刻线圈中电流的方向如图5a中箭头所示，图5b 是实物简图（俯视图，引脚1 在线圈上表面，引脚2 在线圈下表面），则相邻强磁上端的两个磁极应该是磁极（选填“同名”或“异名”）；
(3)确定线圈连接方式：
将图6中两个线圈分别看成一个“电源”，若将引脚1 作为一个电极，为将这两个“电源”串联起来，请你在（1）的分析基础上判断甲线圈的引脚2 应该和乙线圈的引脚连接。
【项目提升】
(4)若盘式风力发电机定子线圈的电流频率为f，强磁个数为N，转子转速为n（转/秒），则三者关 系为_________；
A．f=N•n B．f=N/n C．f=2N•n D．F=N•n/2
(5)风能本质上就是空气流动的动能，已知动能计算公式为： ，若盘式风力发电机叶片转动时的截面面积为S，风速为v，空气密度为ρ,假设风的动能全部用于盘式风力发电机工作，则该盘式风力发电机的输入功率表达式为。（用给题目定的字母表示）
【答案】(1) 可 机械能 电磁感应；(2) 运动 异名；(3)3；(4)D；(5)E = PSv3【详解】（1）[1]风能属于可再生能源，因为风能可以源源不断地从自然界中获取。
[2][3]盘式风力发电机工作过程中，风吹动扇叶带动转子转动，将风能转化为机械能，转子转动切割磁感线产生感应电流，将机械能转化为电能，其工作原理是电磁感应现象。
（2）[1]当装有强磁的木板转动时，以磁体为参照物，线圈相对于磁体的位置发生了变化，所以线圈是运动的。
[2]根据右手螺旋定则（安培定则），用右手握住线圈，四指指向电流方向，大拇指所指的方向为N极。从图5b 可知电流方向，可判断出线圈产生的磁场方向，再结合发电机的工作原理，相邻强磁上端的两个磁极应该是异名磁极，这样才能使线圈切割磁感线产生感应电流。
（3）要将两个 “电源”串联起来，电流应该依次通过两个线圈。甲线圈的引脚2 应该和乙线圈的引脚3 相连，这样电流就能从甲线圈的引脚1 流出，经过甲线圈的引脚2，再流入乙线圈的引脚3，从乙线圈的引脚4 流出，实现两个 “电源”的串联。
（4）对于一个具有N个磁极的发电机，当转子以n（转/秒）的速度旋转时，每转一圈，磁场在定子线圈中变化 次，因此，定子线圈中产生的交流电的频率f等于转子转速n 乘以磁极数N的一半， 故 ，故ABC不符合题意，D 符合题意。故选D。
（5）在t时间内，通过叶片转动截面对应的空气质量m =PV =PSvt 风的动能
该盘式风力发电机的输入功率表达式为
