Question

【題目】閱讀短文，回答問題：

貧民窟中的黑科技單靠重力工作的電燈

當(dāng)我們?cè)谙硎茈姛魩�來的各種便利時(shí)，身處在發(fā)展中國家貧困地區(qū)的人們卻在依靠極度危險(xiǎn)的煤油燈進(jìn)行照明。針對(duì)發(fā)展中國家普遍用不上電的情況，2012年12月，英國倫敦設(shè)計(jì)師馬丁·瑞德福和吉姆·里弗斯發(fā)明了一款實(shí)用的“重力燈”（GravityLight）。顧名思義，它靠重力發(fā)電。在燈身上掛著的一個(gè)重物，重物下落時(shí)，它會(huì)拉動(dòng)燈中心的一根繩子，從而啟動(dòng)一臺(tái)發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)把下落重物產(chǎn)生的能量為燈供電。這和手搖式發(fā)電裝置的原理一樣，只不過重力燈的運(yùn)動(dòng)方向更垂直。這種重力燈和蘋果手機(jī)一起被譽(yù)為21世紀(jì)最偉大的發(fā)明。

現(xiàn)在，重力燈迎來了第二代-----“重力LED燈GL02”，其亮度相當(dāng)于一個(gè)12瓦的日光燈（如圖1），使用壽命可以達(dá)到200年�！爸亓�LED燈GL02”掛于大約2米高，通過拉幾下珠繩把重物吊起，松開后，重物因重力的關(guān)系會(huì)慢慢下降（每秒大約2mm，如圖2）。以一系列的齒輪帶動(dòng)一個(gè)直流發(fā)電機(jī)，發(fā)電時(shí)間約為20分鐘�！爸亓�LED燈GL02”采用了全新的保護(hù)機(jī)制，可以確保超重的物體安全地著陸地面。當(dāng)沙包落到地面時(shí)，只要將沙包再提高至原來位置，又可以繼續(xù)發(fā)電。這樣就能擁有綠色、不用電池、無污染、使用“零”成本、源源不斷的光線。而且“重力LED燈GL02”機(jī)身上有DC插座，還可以為收音機(jī)等設(shè)備進(jìn)行供電，其他類似的裝置——比如電池充電器也能用同樣的方式工作。重力LED燈的照明時(shí)間取決于安裝的高度，正常情況下，安置于1.8米的高度，可以維持約20分鐘的照明，當(dāng)然你安裝高度的越高，維持時(shí)間越長(zhǎng)。

（1）重力燈的主要構(gòu)件是直流發(fā)電機(jī)，它的工作原理是______________。重力燈工作過程中主要的能量轉(zhuǎn)化形式是：將________能轉(zhuǎn)化成__________能再轉(zhuǎn)化成________能。

（2）重力燈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，使用了滑輪系統(tǒng)，通過向下拉珠繩把重物吊起。重力燈利用滑輪系統(tǒng)的目的是___________________________________。

（3）LED燈是由發(fā)光二極管組成，電光轉(zhuǎn)換效率極高，具有單向?qū)щ娦�。�?dāng)二極管兩端外加正向電壓時(shí)，如果正向電壓很小，正向電流也幾乎為零，當(dāng)正向電壓大于某個(gè)值以后，二極管正向?qū)�通，電流隨電壓增大而迅速上升。當(dāng)二極管兩端外加反向電壓不超過一定范圍時(shí)，通過二極管的電流幾乎為零，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。外加反向電壓超過某一數(shù)值時(shí)，反向電流會(huì)突然增大，這種現(xiàn)象稱為電擊穿。因而使用時(shí)應(yīng)避免二極管外加的反向電壓過高。如圖4所示，為一發(fā)光二極管中的電流隨它兩端電壓變化的曲線。

①以下判斷中錯(cuò)誤的是（_____）

A．當(dāng)該二極管兩端的正向電壓為0.2V時(shí)，二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)

B．當(dāng)該二極管兩端的正向電壓為0.8V時(shí)，二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)

C．當(dāng)該二極管兩端的反向電壓為10V時(shí)，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)

D．當(dāng)該二極管兩端的反向電壓為50V時(shí)，二極管將會(huì)被擊穿

②該二極管兩端的正向電壓為0.5V時(shí)的電阻____________（選填“大于”、“等于”、“小于”）正向電壓為0.7V時(shí)的電阻。

（4）如果某一次使用重力燈，將質(zhì)量為20Kg的重物吊起到1.8m的高度釋放，重物以2mm/s速度勻速豎直下降，整個(gè)過程中可使10只并聯(lián)的標(biāo)有“3V、10mA”LED燈正常發(fā)光。則整個(gè)過程中重物的重力做功______________J（g=10N/kg）；重力燈的能量轉(zhuǎn)化效率為___________。

（5）重力燈是綠色、無污染的清潔照明工具，使用“零”成本。但它也有不足之處，請(qǐng)說出使用重力燈的一點(diǎn)不足：_______________________。

Answer 1

【答案】【答題空1】電磁感應(yīng) 機(jī)械 電 光 省力、改變施力的方向 A 大于 360 75％ 功率��；供電時(shí)間短；不能持續(xù)供電

【解析】

（1）發(fā)電機(jī)的工作原理是電磁感應(yīng)；分析可知重力燈工作過程中主要的能量轉(zhuǎn)化；

（2）重力燈利用滑輪系統(tǒng)既省力又能改變施力的方向；

（3）①對(duì)照?qǐng)D像判斷各選項(xiàng)；②分析可知，該二極管兩端的正向電壓由0.5V增加到0.7V時(shí)，電流隨電壓增大而迅速上升，即電阻迅速減��；

（4）由W=Gh=mgh求出重力做的功，由P=UI求出一只燈的功率，重物以2mm/s速度勻速豎直下降1.8m所需時(shí)間即燈的工作時(shí)間，由W電=P總t求出燈內(nèi)消耗的電能，再由=求重力燈的能量轉(zhuǎn)化效率；

（5）分析知重力燈的不足：功率��；供電時(shí)間短；不能持續(xù)供電。

（1）重力燈的主要構(gòu)件是直流發(fā)電機(jī)，它的工作原理是電磁感應(yīng)。重力燈工作時(shí)，重物下落，啟動(dòng)一臺(tái)發(fā)電機(jī)，消耗機(jī)械能，得到電能，燈發(fā)光，將電能轉(zhuǎn)化為光能，故重力燈工作過程中主要的能量轉(zhuǎn)化形式是：將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能再轉(zhuǎn)化成光能。

（2）由圖可知，重力燈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使用了滑輪系統(tǒng)，其目的是省力、改變施力的方向。

（3）①由圖4可知，當(dāng)正向電壓大于0.4V時(shí)，二極管正向?qū)�通，�?dāng)反向電壓超過40V時(shí)，二極管會(huì)被擊穿，故：當(dāng)該二極管兩端的正向電壓為0.2V時(shí)，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，故A錯(cuò)誤；當(dāng)該二極管兩端的正向電壓為0.8V時(shí)，二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，故B正確；當(dāng)該二極管兩端的反向電壓為10V時(shí)，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，故C正確；當(dāng)該二極管兩端的反向電壓為50V時(shí)，二極管將會(huì)被擊穿，故D正確。判斷中錯(cuò)誤的是A.

②由圖4可知,該二極管兩端的正向電壓由0.5V增加到0.7V時(shí)，電流隨電壓增大而迅速上升，即電阻迅速減小，因此正向電壓為0.5V時(shí)的電阻大于正向電壓為0.7V時(shí)的電阻。

（4）將質(zhì)量為20kg的重物吊起到1.8m的高度釋放，則整個(gè)過程中重物的重力做功W=Gh=mgh=20kg 10N/ kg 1.8m=360J;

重物以2mm/s速度勻速豎直下降1.8m所需時(shí)間：t===900s,

“3V、10mA”LED燈正常發(fā)光的功率：P=UI=3V0.01A=0.03W;

10只“3V、10mA”LED燈900s內(nèi)消耗的電能： W電=P總t=0.03W10900s=270J,

重力燈的能量轉(zhuǎn)化效率為:=100=100=75％;

（5）重力燈是綠色、無污染的清潔照明工具，使用“零”成本。由以上分析可知，其缺點(diǎn)是：功率小；供電時(shí)間短；不能持續(xù)供電