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阅读与思考．
21世纪——核能时代21世纪，能源问题是首先要解决的问题之一，随着人口的增加和经济的发展，能源的消耗量飞快地增长．从目前的消耗量计算，石油还能采50年，煤最多能采100多年．若全世界均按美国和加拿大的耗能水平(人均耗煤8.4吨/年)计算，即使人口增长率为零，地球上的煤也只能维持30多年，而石油和天然气只能维持10几年．
虽然地球上还有其他形式的能源，如太阳能、风能、地热能、水能等，但与煤和石油相比微不足道，不能满足人类的需要．相比之下，核能是解决能源危机的一个最有效的途径．核能是地球上储量最丰富的能源．又是高度密集的能源．它的效率是惊人的，1 kg核燃料所释放的能量相当于2 500 t煤或2 000 t石油．而且，核裂变发电技术已经成熟，它有其无法取代的优点．首先，是地球上核燃料资源储量丰富，已探明的矿至少有460万吨，可供人类使用200多年；其次，核能发电比较经济，总的算起来，核电厂的发电成本要比火电厂低15％～50％；第三，核电是清洁的能源，有利于保护环境．
所以，21世纪是核能发电的大发展时期．氢是一种很有前途的新的“二次能源”．液态氢已被用来作为人造卫星和宇宙飞船中的能源，但困难是不能大量制取．其原因是目前制取氢的办法是以消耗其他能源为代价的．若利用核聚变反应则非常有希望解决这一问题．因为海水中含有大量氢及其同位素氘和氚(据计算，一桶海水中能提取的氘的能量相当于300桶汽油)．若将海水中所有的氘的核能都释放出来，它所产生的能量足以提供人类使用数百亿年．
然而，实现持续的可控核聚变，难度非常大．核聚变反应的温度大约需要几十亿度，在这样的高温下，氘、氚混合燃料形成高温等离子态．这里有许多问题需要解决，如怎样加热到如此高的温度？怎样盛装如此高温度的等离子体？这就是如何约束的问题．
目前，世界各国已建造多种类型的试验装置200多台．近年来，设在英国牛津附近的核聚变装置完成了一项可控核聚变试验．在圆形圈内，在2亿摄氏度下，氘、氚气体相遇成功爆炸，产生了200 kW的能量，试验持续了几分钟．虽然这距实际应用还有相当大的距离，技术上也还有许多难题需要解决．但已露出胜利的曙光．预计到21世纪50年代前后能实现原型示范的可控聚变反应．
可见，下世纪一旦核聚变能被利用起来，将会使人类彻底摆脱能源危机．我们设想，到那时，廉价的能源将使21世纪成为一个能量富足的时代，可生产出更丰富更新型的产品，而成本更为低廉．例如，可以从海洋中提取更多有用的元素，像金和铂，到那时，其价值不再是金钱的象征．那么利用金和铂耐腐蚀的优良特性，来制造耐腐蚀的储槽、阀门、管道等，可延长其使用寿命而不用频繁更换．
此外，从海水中提取矿物质的“核”工厂生产过程中的副产品——蒸馏水，也非常有用，可以通过管道将它们输送到水源短缺的地方，实施庞大的灌溉计划，改造农田，生产过程中产生的热量还可以送入城市，用于取暖或作为热源．核能除了发电之外，还可以用于炼钢、推动动力机械、海水淡化处理、建筑物供热采暖、空调制冷及热水供应等．
低温核供热反应堆是一种既清洁、经济又安全的理想新热源．建设一座20万千瓦的供热堆，每年消耗核燃料二氧化铀仅1 t，它可以为500万立方米的建筑物供暖．利用核能还可以对海水进行淡化处理，以解决缺水问题．
法国已设计了一种轻小型反应堆，功率为10～20万千瓦，只有10个大气压的运行压力，比较安全．利用堆芯产生的热量将海水加热蒸馏，每天可生产8万立方米淡水，可供15万人饮用．
中子照相已成为一种新的无损检验方法，它可以弥补X射线和γ射线照相的不足之处，进行一些它们鞭长莫及的工作．如可以检验手机、航天器、火箭等装置内部零件的结构状况和质量，进行考古文物内部的无损检验等．
可以预计，21世纪是核能与核技术在医学中广泛应用并取得重大发展的时代．除了现有的核医学诊断治疗技术之外，中子治疗癌症是比较有前途的方法之一．这是因为许多癌组织对硼有较好的吸收效果，同时硼又有吸收中子的能力，当它被癌组织吸收后，经中子辐照，硼－10变成锂－7，并放出α粒子，α粒子的射线能量较高，可以更有效地杀死癌细胞．
例如，日本有一脑癌患者就是利用这种方法治疗后，不仅痊愈了，而且还能驾驶卡车，简直不可思议．在交通运输领域，核能的利用将使其产生革命性的变革．核能舰船组成的远洋舰队可以在水上游弋几十年而不用补充燃料．如果将反应堆做得足够小，并解决防护问题，到那时，就能生产出核能汽车、核能坦克、核能火车、核能飞机．
核能还可作为宇宙飞船的动力，到那时，人们可以到其他星系去旅游．21世纪，人们可以对“老天爷”——天气发号施令．人类将充分利用核能与大自然抗衡．到那时，不会因气候和天气情况影响飞机的起降，没有飞机会因机场封冻而不能着陆，因为我们可设法在飞机水泥跑道下面安装蒸气管道．
不难预料，未来的世纪将是科学技术日新月异的时代，是人类学会和自然和谐相处的时代，是经济和文明继续高速发展的时代，也是核能与核技术全方位应用的新时代．未来的核能时代将成为人类历史上最光彩夺目、最美好的时代．
(李士 中国科学院核分析开放实验室)
(1)21世纪存在什么样的能源危机？为什么说核能是解决能源危机的一个最有效的途径？
(2)21世纪，核能除了发电之外，还有哪些方面的应用？
(3)人类社会现在所应用的能源很多来自千百万年前埋在地下的植物经过漫长的地质年代形成的化石能源(例如：石油、煤)，如果有一天化石燃料枯竭了，你能否想出一些能替代这些化石能源的清洁能源．(至少写出三种)
①SARS病毒可通过空气传播．当我们吸气时，胸部扩张，胸内肺泡跟着扩张，于是肺的容积增大，肺内空气压强______，______使含SARS病毒的空气经鼻腔、气管进入肺中；呼气时，胸部收缩，肺的容积减小，肺内含SARS病毒的空气压强______，其中一部分经气管、鼻腔排出体外，还有一部分经痰液排出，SARS病毒等通过痰液______又回到空气中．
②SARS患者治疗中由于呼吸功能障碍而启用应急系统，Puritan-Bennett 700型急救机电源铭牌部分数据如下表：
| 交流电源 | 220V 1.3A 正常工作时接地泄漏电流＜50μA（整机） |
| 内置电池 | 24V 7Ah 平均工作电流2.8A（呼吸频率15次/min） |
③现需将电能输送到SARS病人隔离区．若使用相同的输电线，输送相同的电功率，从减少输电线上的电能损失、确保供电来看，在500kV和110kV高压输电方案中，应选用哪种输电方案？所选方案的电能损失为另一方案的百分之几？
④武汉大学现代病毒学研究中心在P3实验室已拍摄到SARS病毒侵害人体细胞的全过程．若裸眼可看清直径0.1mm的微粒，用放大倍数为20的放大镜可看到人体细胞，试估算人体细胞直径的大小．
⑤通过体育锻炼增强体质是“科学抗非”的有效途径，肺活量是身体素质的重要生理指标．如图所示是一种测定肺活量的实用方法，图中A为倒扣在水中的开口薄壁圆筒，测量前排尽其中的空气．测量时，被测者吸足空气，再通过B尽量将空气呼出，呼出的空气通过导管进入A内，使A浮起．测出圆筒质量为m，横截面积为S，筒底浮出水面的高度为H，大气压强为p，此时圆筒内气体体积V为多大？压强p为多大？
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由于生态环境的破坏和不良生活习惯，出现了罕见的“SARS”疫情．面对突如其来的灾害，举国上下，万众一心，科学防治，战胜“非典”．
①SARS病毒可通过空气传播．当我们吸气时，胸部扩张，胸内肺泡跟着扩张，于是肺的容积增大，肺内空气压强________，________使含SARS病毒的空气经鼻腔、气管进入肺中；呼气时，胸部收缩，肺的容积减小，肺内含SARS病毒的空气压强________，其中一部分经气管、鼻腔排出体外，还有一部分经痰液排出，SARS病毒等通过痰液________又回到空气中．
②SARS患者治疗中由于呼吸功能障碍而启用应急系统，Puritan-Bennett 700型急救机电源铭牌部分数据如下表：
| 交流电源 | 220V 1.3A 正常工作时接地泄漏电流＜50μA（整机） |
| 内置电池 | 24V 7Ah 平均工作电流2.8A（呼吸频率15次/min） |
③现需将电能输送到SARS病人隔离区．若使用相同的输电线，输送相同的电功率，从减少输电线上的电能损失、确保供电来看，在500kV和110kV高压输电方案中，应选用哪种输电方案？所选方案的电能损失为另一方案的百分之几？
④武汉大学现代病毒学研究中心在P3实验室已拍摄到SARS病毒侵害人体细胞的全过程．若裸眼可看清直径0.1mm的微粒，用放大倍数为20的放大镜可看到人体细胞，试估算人体细胞直径的大小．
⑤通过体育锻炼增强体质是“科学抗非”的有效途径，肺活量是身体素质的重要生理指标．如图所示是一种测定肺活量的实用方法，图中A为倒扣在水中的开口薄壁圆筒，测量前排尽其中的空气．测量时，被测者吸足空气，再通过B尽量将空气呼出，呼出的空气通过导管进入A内，使A浮起．测出圆筒质量为m，横截面积为S，筒底浮出水面的高度为H，大气压强为p0，此时圆筒内气体体积V为多大？压强p为多大？ 查看习题详情和答案>>
（2003?武汉）由于生态环境的破坏和不良生活习惯，出现了罕见的“SARS”疫情．面对突如其来的灾害，举国上下，万众一心，科学防治，战胜“非典”．①SARS病毒可通过空气传播．当我们吸气时，胸部扩张，胸内肺泡跟着扩张，于是肺的容积增大，肺内空气压强
②SARS患者治疗中由于呼吸功能障碍而启用应急系统，Puritan-Bennett 700型急救机电源铭牌部分数据如下表：
| 交流电源 | 220V 1.3A 正常工作时接地泄漏电流＜50μA（整机） |
| 内置电池 | 24V 7Ah 平均工作电流2.8A（呼吸频率15次/min） |
③现需将电能输送到SARS病人隔离区．若使用相同的输电线，输送相同的电功率，从减少输电线上的电能损失、确保供电来看，在500kV和110kV高压输电方案中，应选用哪种输电方案？所选方案的电能损失为另一方案的百分之几？
④武汉大学现代病毒学研究中心在P3实验室已拍摄到SARS病毒侵害人体细胞的全过程．若裸眼可看清直径0.1mm的微粒，用放大倍数为20的放大镜可看到人体细胞，试估算人体细胞直径的大小．
⑤通过体育锻炼增强体质是“科学抗非”的有效途径，肺活量是身体素质的重要生理指标．如图所示是一种测定肺活量的实用方法，图中A为倒扣在水中的开口薄壁圆筒，测量前排尽其中的空气．测量时，被测者吸足空气，再通过B尽量将空气呼出，呼出的空气通过导管进入A内，使A浮起．测出圆筒质量为m，横截面积为S，筒底浮出水面的高度为H，大气压强为p0，此时圆筒内气体体积V为多大？压强p为多大？
第十五届全国初中应用物理知识竞赛复赛试题
一、(14分)王伟同学研究了均匀拉紧的琴弦发音频率与弦长的关系，并记录了实测的数据(如下表所示)。请你根据记录表格中的有关数据，分析并估算出他有意留出的空格中应该填写的数据(要求写出估算的过程)。
音名 | 中央C 1 | D 2 | E 3 | F 4 | G 5 | A 6 | B 7 | C l |
唱名(C调) | D0 | Re | Mi | Fa | Sol | La | Si | Do’ |
频率/Hz | 264 | 297 | 330 | 352 | 396 | 440 | 528 | |
弦长 | l | l | l | l | l | l | l |
二、(14分)类比水压是形成水流的原因，李楠同学猜想，血液在血管内流动时也需要一定的压力差来维持。假设血液匀速通过长度一定的血管时，受到的阻力f与血液的流速v成正比，即f=kv。那么，要想让血液匀速流过，血管两端就需要一定的压力差。设血管截面积为S1时，两端所需的压强差为△p1；若血管截面积减少10％时，为了维持在相同的时间内流过同样体积的血液，压强差必须变为△p2。请你通过计算比较△P1、△P2的大小，说明血管变细可能是诱发高血压的重要因素之一。
三、(16分)下表是某锅炉厂生产的CWNG系列三种锅炉的主要技术参数。
CWNG系列三种锅主要技术参数
型号 | CWNG 0.7－80／60－AII | CWNG 1.05－80／60－AII | CWNG 1.4－80／60－AII |
功率／MW | ( ) | 1.05 | 1.4 |
容水量／t | 3 | 3.5 | 4 |
耗煤量／(kg·h－1) | 145 | ( ) | 290 |
外型尺寸／m3 | 2.7×1.5×2.9 | 3.0 x 1.5×2 | 3.0×1.9×2.9 |
烟囱尺寸／mm | Φ300×15000 | Φ350×15000 | Φ400×15 000 |
热效率／％ | 75 | 75 | 75 |
出水温度／℃ | 80 | 80 | 80 |
回水温度／℃ | 60 | 60 | 60 |
总重量／t | 5 | 7.5 | 9 |
运行压力 | 常压 | 常压 | 常压 |
供暖面积／m2 | 6 000 | ( ) | 12000 |
循环水量／(m3·h－1) | ( ) | 45 | 60 |
已知水的比热容为4.2×103J／（kg·℃），假设三种锅炉的燃煤效率相同，且煤均可达到完全燃烧。请根据上表回答以下问题：
1．根据表格中的已知数据，请在表格中的四个( )内填上合适的数据。
2．按表格中的出水温度和回水温度，计算CWNGl．05—80／60AH型锅炉每小时给住宅内释放的热量是多少。
3．根据表格中已知数据计算燃烧的热值为多少。
四、(16分)李明得到一个国外生产的电热暖手器，铭牌上表示额定值的字样中，能看清楚的只有"24W"这几个字。为了能正确使用该电器，他把一只标有"600Ω，0.4A'’的定值电阻与电热暖手器和开关串联起来，连接到家庭照明电路中，然后进行如下实验观察：将开关接通后，电能表转盘转动137圈恰好用了100s；断开开关后，电能表转盘在1 min内恰好转了80圈；观察电能表上标有3000r(kW·h)的字样；他在做实验的时间内，家中其他用电器的使用情况没有变化。请根据以上数据，计算电热暖手器的额定电压是多少?你在计算过程中忽略了什么因素的影响?由此导致的计算结果是偏大还是偏小?
五、(20分)一所农村中学常常因为不能及时给水塔注水而停水，科技小组的同学知道后，利用下图所示的器材设计了一个自动注水模拟装置。A为浮子(浮子及其连杆总重约15N)，在浮子连杆的上端有一可移动金属触头B(其受重力可忽略不计)，它可以分别将其上、下的两个固定触点连通。C为水塔上的圆桶形蓄水池；M为配有电动机的水泵(电泵)；D1、D2为弹簧，E1、E2为衔铁，F1、F2为电磁铁线圈；K1为最高水位限位开关。K2为最低水位限位开关，K3、K4、K5均为由电磁铁衔铁带动的触头开关。电磁铁F1通电时，K4接通，断电时，K3接通。电磁铁F2断电时，K5接通。S1、S2为开关。
1．请你按照下图所示的器材，连接一个可以实现自动注水的模拟电路，并说明自动注水的过程。
2．要实现自动注水的要求，浮子的最小体积约为多大?(g=10N／kg)
3．若设计要求每次自动注水需在10min内完成，需要知道或测量哪些物理量才能得到相匹配电泵的最小额定功率?请你用字母表示这些物理量，推导出电泵最小额定功率的表达式。在你的计算过程中，如果运用了近似条件，请说明。
六、(20分)在当今世界，研制各种机器都必需考虑节约能源和治理废气污染这一重要课题。在内燃机中，废气带走了很多能量，如果能将这些能量再利用起来，会使内燃机的效率提高许多。某工厂科研人员研制生产的四冲程汽车专用柴油发动机，就采用了很多新技术。其中最重要的一项叫“增压”技术，它是利用“废气涡轮增压器”使排气冲程中排出的高温、高压的废气去冲击“废气涡轮”高速旋转，它同时又带动同轴的进气系统中的“进气涡轮”也高速旋转，从而增加吸气冲程的进气量并增大进气气压，使做功冲程中柴油燃烧的更充分，燃气压强更大，同时也减少了废气中的有害物质，达到提高柴油发动机效率和减少废气污染的目的。这种柴油发动机有6个气缸，气缸直径为ll0mm，活塞行程为135mm，当转速为2300r／min时，发动机功率为220kW，最低油耗可达240g／(kW·h)，柴油的热值为4.3×107J／kg。请回答下列问题：
1．该柴油发动机的效率最高可达多少?
2．在做功冲程中气缸内的平均压强是多少?
3．如果将我国这种机型的汽车柴油发动机都安装“增压器”后，能使它们的平均效率由原来约31％提高到近35％，安装前按每年消耗3亿吨柴油估算，这项技术每年能为我国节约多少吨柴油?
4．如果目前我国柴油的平均价格为3750元／吨，根据上面的估算结果，计算使用“增压”技术后仅节约柴油一项可使我国每年节约多少资金。由此你有哪些认识?
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