《2025年零障碍导教导学案九年级物理全一册沪粤版》

2. 为了给高铁提速提出可行性建议,学习小组查阅各种资料,以下是他们找到的一部分材料,请根据材料,回答问题。
国家铁道试验中心的环形试验轨道上,两列时速400 km/h的CR450动车组列车首次亮相,标志着由国铁集团牵头实施的CR450科技创新工程取得重大突破。
高铁,我国自主创新的成功范例,再一次实现新跨越,书写更快的“中国速度”。据国铁集团相关负责人介绍,CR450科技创新工程主要包括CR450动车组和高铁线路、桥梁、隧道等基础设施技术创新。CR450动车组的研制在2017年下线的复兴号中国标准动车组CR400的基础上实现又一次技术突破,列车运行时速从350 km/h提升到400 km/h。“高铁提速”的背后是高效电动机技术的巨大突破。工程师通过优化电动机效率、减轻车身质量、降低空气阻力等措施实现高铁的运行速度突破。
高铁的电动机与刹车系统结合,还能将制动时的能量回馈电网,这一过程称为“再生制动”。此外,高铁采用流线型车身设计,以减少空气阻力。某型号高铁列车的部分参数如下,该型号高铁列车由两台电动机牵引前进。
| 车身质量(满载) | 460 t | 额定功率(单台电动机) | 500 kW |
| 最高时速 | 405 km/h | 电动机效率 | 90% |
| 空气阻力系数(k) | 46 N/(m·s⁻¹)² | 再生制动能量回收率 | 30% |
当高铁以最高时速匀速行驶时,所受阻力的合力与速度的平方成正比,相关公式为：$f= kv^{2}$。
(1)高铁电动机工作的基本原理为通电导体在磁场中受力运动；再生制动过程中,主要将机械能转化为电能。
(2)为提高电动机效率,下列措施不可行的是(B)。
A. 采用超导材料减少线圈发热
B. 增大电动机转子与定子间的摩擦
C. 优化电动机控制算法以降低能量损耗
D. 优化风道设计,提高散热效率
(3)若某次制动前高铁动能为$2.3× 10^{9}\ J$,通过再生制动可回收的电能为6.9×10⁸J。
(4)推重比是衡量动车牵引能力的重要指标,其含义是动车匀速运行时的牵引力与车总重的比值。经检测,动车运行时的总阻力$f与列车速度v满足关系f= kv^{2}$,根据表格信息,$g$取10 N/kg,则CR450动车以100 m/s的速度在水平轨道上满载运行时的推重比是0.1；若通过仿生表皮(可变形车体表面,仿鲨鱼皮肤微观纹理),动态适应气流,减少空气阻力系数$k$,在相同的牵引功率下,这时动车的速度将会增大(选填“增大”或“减小”)。
(5)高铁运行时动能表达式：$E= \frac{1}{2}mv^{2}$,$m$是高铁车身总质量,$v$是高铁运行速度。若车身质量减少至原来的81%,在相同功率下运行相同时间,高铁的最高时速可提升到450km/h。

答案： 【解析】：
（1）考查电动机的工作原理及能量转化。电动机工作原理是通电导体在磁场中受力运动，再生制动是将机械能转化为电能。
（2）考查提高电动机效率的措施。增大摩擦会增加能量损耗，降低效率，其他选项均可提高效率。
（3）考查再生制动能量回收的计算。根据再生制动能量回收率计算可回收的电能。
（4）考查推重比的计算以及空气阻力系数变化对速度的影响。先根据公式计算阻力，再计算推重比，分析空气阻力系数减小对速度的影响。
（5）考查动能公式及功率公式的应用。根据动能公式和功率公式，结合质量变化计算最高时速。
【答案】：
（1）通电导体在磁场中受力运动；机械；电
（2）B
（3）$2.3× 10^{9}×30\% = 6.9× 10^{8}J$
（4）$f = kv^{2}=46×100^{2}=4.6×10^{5}N$，$G = mg = 460×10^{3}×10 = 4.6×10^{6}N$，推重比$=\frac{f}{G}=\frac{4.6×10^{5}}{4.6×10^{6}} = 0.1$；增大
（5）$P = Fv = fv = kv^{3}$，$P$不变，$m$变为原来的$81\%$，$v$变为原来的$\sqrt[3]{\frac{1}{0.81}}=\frac{10}{9}$倍，原最高时速$405km/h$，则现在最高时速$405×\frac{10}{9} = 450km/h$