Question

12．材料一、阅读下面的短文，回答问题
半导体制冷
半导体材料有P型半导体和N型半导体两种，除了可以用于各种电子元器件外，还可以用作制冷材料，如题22图是一个半导体制冷单元的原理图，P型半导体和N型半导体的上端和铜片A连接，下端分别和铜片B连接后接到直流电源的两端，此时电路的电流方向是从N型半导体经A流向P型半导体，铜片A会从空气吸收热量，铜片B会向空气放出热量，反之，改变直流电源的正负极方向，使电流方向从P型半导体经A流向N型半导体，这时，铜片A会从空气放出热量，铜片B会向空气吸收热量，由于单个制冷单元制冷量很小，为了满足实际需要，需要多个制冷单元同时工作．请回答下列问题：
（1）常用来做半导体材料的有硅，如图1，若要使一个电冰箱箱内的温度下降，铜片A置于电冰箱箱内，铜片B置于电冰箱箱外（前两空选填“箱内”、“箱外”），这就是半导体电冰箱的工作原理，若将图1中电源换成交流电源，此时电冰箱能否正常制冷？
答：不能
（2）若将图1中P型半导体与N型半导体位置互换，其他条件不变，则铜片A上表面空气温度将上升．若将图中电源正负极互换，其他条件不变，则铜片B表面空气的温度将下降．
材料二、建设中的港珠澳大桥由桥梁和海底隧道组成，隧道由一节一节用钢筋混凝土做成的空心沉管连接而成，如图2所示，建造隧道时，先将沉管两端密封，如同一个巨大的长方体空心箱子，然后让其漂浮在海面上，再用船将密封沉管拖到预定海面上，向其内部灌水使之沉入海底．
设某一节密封长方形沉管的长、宽、高分别是180m，35m，10m，总质量为6×10⁷kg（海水密度取1.0×10³kg/m³，g取10N/kg）
（1）漂浮在海面上的密封沉管，在水面受到的浮力方向是竖直向上，在灌水前受到的浮力F_浮=6×10⁸ N
（2）在对密封沉管灌水使其下沉过程中，密封沉管浮力大小将增大，其下表面受到海水的压强大小将增大；当密封沉管上表面刚好水平浸没在海水中时，密封沉管浮力大小将不变，注入的海水至少为3×10⁶kg，此时其下表面受到海水的压力等于6.3×10⁸N．
（3）当密封沉管灌水下沉到海底后，将其下半部分埋入海底的泥沙中，再将灌入其中的海水全部抽出，此时空心密封沉管不会再上浮，请用浮力的知识来解释其原因．
答下表面不受海水的压力，根据浮力的产生原因，沉管不再受海水的浮力．

Answer 1

分析 材料一：（1）要解答此题需掌握半导体二极管的特点单向通电性，加以运用．通电后有一面是吸热（制冷），一面是散热（将吸的热量散掉）．由于交流电源电压较大，且电流方向不断变化，不能直接使用．
（2）将图中P型半导体与N型半导体位置互换，这时电流方向从P型半导体铜片A流向N型半导体，这时铜片A会向空气释放热量，铜片B会从空气吸收热量；若将图中电源正负极互换，其他条件不变，电流方向从P型半导体铜片A流向N型半导体，这时铜片A会向空气释放热量，铜片B会从空气吸收热量．
材料二：（1）密封沉管灌水前漂浮，根据漂浮条件F_浮=G计算出浮力；
（2）F_浮=ρgV_排判断浮力的大小变化；根据p=ρgh，液体内部的压强随深度的增大而增大；沉管上表面刚好水平浸没在海水中，处于悬浮，根据F_浮=G_总，计算海水的重力和质量；根据浮力产生的原因，下表面受海水的压力即浮力；
（3）根据浮力的产生原因解答．

解答 解：材料一：
（1）常用来做半导体材料的有硅；
由短文提供的信息可知，①电路的电路流方向是从N型半导体铜片A流向P型半导体，铜片A会从空气吸收热量，应置于冰箱的箱内，从冰箱内吸收热量，使电冰箱箱内的温度下降；铜片B会向空气放出热量，应置于冰箱的箱外；②铜片B会向空气放出热量，应置于冰箱箱外，把从箱内吸收的热量散发掉，达到制冷的目的；③交流电源的电流方向是变化的，这样吸热和放热的状态就会不断改变，不能使吸热的部分恒定保持吸热状态，不能使放热的地方恒定保持放热状态．
（2）①将图中P型半导体与N型半导体位置互换，这时电流方向从P型半导体铜片A流向N型半导体，这时铜片A会向空气释放热量，使得铜片A上表面空气的温度上升；②若将图中电源正负极互换，其他条件不变，电流方向从P型半导体铜片A流向N型半导体，这时铜片A会向空气释放热量，铜片B会从空气吸收热量，铜片B表面空气的热量由于被吸收而下降．
材料二：
（1）漂浮在海面上的密封沉管，在水面受到的浮力方向是竖直向上的；
沉管灌水前漂浮，F_浮=G=mg=6×10⁷kg×10N/kg=6×10⁸N；
（2）①根据F_浮=ρgV_排可知，在对密封沉管灌水使其下沉过程中，密封沉管排开水的体积变大，所受浮力变大；
②根据p=ρgh，液体内部的压强随深度的增大而增大，密封沉管灌水使其下沉过程中，其下表面受到海水的压强将变大；
③根据F_浮=ρgV_排可知，当密封沉管上表面刚好水平浸没在海水中时，密封沉管排开水的体积不变，所受浮力大小将不变；
④沉管浸没水中，受到的浮力为：
${F}_{浮}^{′}$=ρgV=1.0×10³kg/m³×10N/kg×（180m×35m×10m）=6.3×10⁸N，
体积不变，浮力大小不变，处于悬浮状态，
F_浮=G_总=G_管+G_水，
G_水=F_浮-G_管=6.3×10⁸N-6×10⁸N=3×10⁷N，
m=$\frac{G}{g}$=$\frac{3×1{0}^{7}N}{10N/kg}$=3×10⁶kg；
⑤浸没在水中的物体受到的浮力等于上下表面的压力差，沉管下表面受到海水的压力F_下=6.3×10⁸N；
（3）沉管下半部分埋入海底的泥沙中，下表面不受海水的压力，根据浮力的产生原因，沉管不再受海水的浮力，此时空心密封沉管不会再上浮．
故答案为：材料一：（1）硅；箱内；箱外； 不能；
（2）上升；下降．
材料二：（1）竖直向上；6×10⁸；
（2）增大；增大；不变；3×10⁶；6.3×10⁸；
（3）下表面不受海水的压力，根据浮力的产生原因，沉管不再受海水的浮力．

点评 （1）本题以冰箱为载体，考查了半导体的特点以及冰箱的工作原理，考查了学生解决实际问题的能力．能够从短文中获取对解题有用的信息是解题的关键．
（2）本题综合考查了浮力的产生原因、浮力的计算，理解和熟记浮沉条件和阿基米德原理是解题的关键．