Question

2013年12月14日中国造的“玉兔号”月球车成功降落于月球上．月球车质量140千克，以太阳能为能源，能够耐受月球表面真空、强辐射、摄氏零下180度到零上150度极限温度等极端环境．月球车具备20度爬坡、20厘米越障能力，并配备有全景相机、红外成像光谱仪、测月雷达、粒子激发X射线谱仪等科学探测仪器．月球的吸引力是地球的六分之一，每个车轮与月球表面接触面积为50cm²，表面土壤非常松软，凹凸不平，有石块、有陨石坑，还有陡峭的高坡．在这种环境中，月球车既不能打滑，更不能翻车．
目前已在月球上度过了3个月，超出了设计寿命．它现在处于月夜休眠期，人们期待其接下来继续优秀的月面探险表现，同时也牵挂着它的安危．（g=10N/kg）

（1）假设你是一名航天员，驾驶飞船登上月球．如果你手边有一只灵敏电流表、一根直导体和导线若干，想探测月球表面附近是否有磁场，下列方案中合理的是

 

．
A．直接将电流表置于月球表面附近，若电流表的示数为零，可判断月球表面无磁场
B．用导线将电流表、直导体连接起来，使直导体在月球表面附近沿某一方向运动时，若电流表的示数为零，则可判断月球表面附近无磁场
C．用导线将电流表、直导体连成闭合回路，使直导体在月球表面附近沿某一方向运动时，若电流表的示数为零，则可判断月球表面无磁场
D．用导线将电流表、直导体连成闭合回路，使直导体在月球表面附近沿各个方向运动时，若发现电流表的示数有时不为零，则可判断月球表面附近有磁场
（2）月球车的动力装置一般选用电动机而不是内燃机，请你说说为什么？
（3）某中学的几个航天迷设计了一个月球车的模型，其中电路部分选用12V的蓄电池作电源，额定电压均为6V的电动机和灯泡分别用作动力装置和照明光源．设计的电路如图2所示，请你说出其电路设计中不科学的地方．（要求说出两点）
（4）如图1所示，当月球平稳地行走在月球上时，求月球车对月球表面的压强．
（5）报道，我国某科研单位研究制的太阳能月球车（研制过程的样品），它上面的太阳能接收板的有效面积为S=4m²，太阳晴朗且接收板对着太阳时，每平方米面积上能接收到太阳的功率为P₀=1kW，太阳能电池产生的电压为U=120V，可供电动机正常工作的电流为I=8A．那在电动机正常工作时，太阳能电池将太阳能转化为电能的效率是多大？
（6）如果上述月球车中的电动机正常工作时，将电能转化为机械能的效率是75%，且该车沿水平路面匀速直线行驶时所获得的牵引力是180N，则该车匀速行驶时的速度是多大？

Answer 1

分析：（1）根据“在电路闭时，导体棒切割磁感线，电路中会产生感应电流”分析解答此题．
（2）解决此题要知道内燃机是要用氧气的，而月球上没有空气，也就没有氧气，故只有用电力驱动．
（3）从串联电路的特点和节约能源的角度分析此题．
（4）根据G=mg求出月球车具备的重力，对地面的压力等于其总重力，根据p=

F

S

求出它对地面的压强．
（5）先求出电动机消耗的电能，然后求出太阳能消耗的太阳能，最后求出太阳能电池将太阳能转化为电能的效率；
（6）求出电动机的机械功率，然后由功率公式P=Fv的变形公式求出车行驶的速度．

解答：解：（1）用导线把灵敏电流表，直导体连接成闭合回路，然后让直导体向各个方向运动，看灵敏电流计指针示数是否为零，灵敏电流计示数为零说明月球表面无磁场，不为零说明月球表面有磁场．故ABC错误，D正确．
（2）内燃机工作时需要将燃料在汽缸内燃烧，把燃料的内能转化为月球车的机械能，因为月球上没有空气，也就没有氧气，在月球上内燃机无法正常工作，所以月球车不用内燃机来驱动．
（3）由图可知，电动机和灯泡串联，不科学的地方：
①当其中有任意一个装置（灯泡或电动机）坏了的时候，另外一个装置就无法正常工作，瘫痪了．
②不管白天黑夜，只要月球车启动，灯泡就是亮的，有点浪费．
（4）它对地面的压力F=G=mg=140kg×10N/kg=1400N；
∵月球的吸引力是地球的六分之一，
∴它对月球的压力F′=

1

6

F=

1

6

×1400N=

700

3

N，
∵月球车有6个轮子，每个车轮与月球表面接触面积为50cm²，
∴月球车与月球表面接触面积S=6×50cm²=300cm²=0.03m²，
则月球车对月球表面的压强p=

F

S

=

700 3 N

0.03m2

≈7777.8Pa，
（5）设电动机正常工作时间为t，电动机工作消耗电能为：
W_电=Pt=UIt=120V×8A×t=960t（J），
太阳能电池消耗太阳能为：
W_太=P_总×t=PS×t=1×10³W/m²×4m²×t=4×10³t（J）
太阳能转化为电能的效率η=

W电

W太

×100%=

960×t

4×103×t

×100%=24%；
（6）电动机的机械效率P_机=P_总×75%=UI×75%=120V×8A×75%=720W，
由P=

W

t

=

Fs

t

=Fv，得该车匀速行驶时的速度v=

P机

F

=

720W

180N

=4m/s．
答：（1）D；
（2）因为月球上没有空气，也就没有氧气，在月球上内燃机无法正常工作，所以月球车不用内燃机来驱动；
（3）①当其中有任意一个装置（灯泡或电动机）坏了的时候，另外一个装置就无法正常工作，瘫痪了．
②不管白天黑夜，只要月球车启动，灯泡就是亮的，有点浪费；
（4）月球车对月球表面的压强为7777.8Pa；
（5）太阳能电池将太阳能转化为电能的效率是24%；
（6）该车匀速行驶时的速度是4m/s．

点评：此题以“玉兔号”月球车成功降落于月球上为例考查了压强的大小及其计算、速度公式及其应用、地磁场、电路的基本连接方式、太阳能的其他计算等多个知识点，综合性很强，要求学生具备全面扎实的物理学知识，有一定的难度，属于难题．