真空中的电流（一）热电子发射真空中没有自由电荷，故在一般情况下真空中不会有电流。金属内部的自由电子可以在金属内部自由运动，但是它们很难进入真空。不过随着金属温度的升高，电子动能增加，当动能超过一定数值后，就会有大量电子从金属中逸出，这就是热电子发射，如图所示。从热阴极逸出的电子可以在加速电源的作用下运动到阳极极板上，从而形成回路电流。（二）隧道电流微观粒子由于具有隧道效应，即使金属的温度不高，电子仍有一定的概率贯穿材料表面进入真空，从而可在特定的条件下在真空中形成微弱的隧道电流。1981年，IBM苏黎世实验室的宾尼（Gerd。Binnig，1947-）博士和罗雷尔（J。H。Rohrer，1933-2013）博士及同事们成功地研制出了一种新型的表面分析仪器-扫描隧道显微镜（简称STM）。1983年，他们又第一次利用STM在硅单晶表面观察到周期性排列的硅原子阵列，这是人类有史以来首次直接看到原子。由于这一成就，他们获得了1986年的诺贝尔物理学奖。扫描隧道显微镜有一个针尖在样品表面上扫描，当原子尺度的探针针尖在不到一纳米的高度上扫描样品时，在针尖和样品之间加一大小在2mV~2V之间的电压，针尖和样品之间就会有隧道电流。这个隧道电流对针尖和样品之间的距离非常敏感，如果控制了隧道电流恒定不变，就控制了针尖和样品之间的距离不变，而距离不变就意味着针尖随着样品表面的形貌起伏而起伏，若把针尖高低运动的轨迹记录下来，就可以得到表面原子的形貌。请根据以上材料，回答下列问题。

1. 真空中的电流

（一）热电子发射

真空中没有自由电荷，故在一般情况下真空中不会有电流。金属内部的自由电子可以在金属内部自由运动，但是它们很难进入真空。不过随着金属温度的升高，电子动能增加，当动能超过一定数值后，就会有大量电子从金属中逸出，这就是热电子发射，如图所示。从热阴极逸出的电子可以在加速电源的作用下运动到阳极极板上，从而形成回路电流。

（二）隧道电流

微观粒子由于具有隧道效应，即使金属的温度不高，电子仍有一定的概率贯穿材料表面进入真空，从而可在特定的条件下在真空中形成微弱的隧道电流。1981年，IBM苏黎世实验室的宾尼（Gerd。Binnig，1947-）博士和罗雷尔（J。H。Rohrer，1933-2013）博士及同事们成功地研制出了一种新型的表面分析仪器-扫描隧道显微镜（简称STM）。1983年，他们又第一次利用STM在硅单晶表面观察到周期性排列的硅原子阵列，这是人类有史以来首次直接看到原子。由于这一成就，他们获得了1986年的诺贝尔物理学奖。

扫描隧道显微镜有一个针尖在样品表面上扫描，当原子尺度的探针针尖在不到一纳米的高度上扫描样品时，在针尖和样品之间加一大小在2mV~2V之间的电压，针尖和样品之间就会有隧道电流。这个隧道电流对针尖和样品之间的距离非常敏感，如果控制了隧道电流恒定不变，就控制了针尖和样品之间的距离不变，而距离不变就意味着针尖随着样品表面的形貌起伏而起伏，若把针尖高低运动的轨迹记录下来，就可以得到表面原子的形貌。

请根据以上材料，回答下列问题。

(1) 某次扫描控制STM针尖高度不变，隧道电流I随时间t的变化情况如图甲所示。若隧道电流I随针尖与样品间的距离r的增大而指数减小（如图乙所示）那么样品表面可能是下图中的哪个选项：_________

(2) “流量”是日常生活和工业生产中经常都会用到的一个概念。例如，高速公路通常用车流量来衡量它的繁忙程度，车流量即单位时间内通过某个观测站的车辆数目。类似地，电学中用单位时间内通过某个横截面的电荷量来反映通过导体的电流大小，若测得图中回路电流的大小为I，已知电子的电荷量为e，则单位时间内到达阳极板上的电子数 $\text{[math]}$ 。

(3) 风力发电机可以将风能（即气流的动能）转化为电能。已知正常发电时，某风力发电机风轮机旋转叶片正面迎风时的有效受风面积以及发电机将风能转化为电能的效率可以视为恒定值，运动的空气与受风面积作用后速度变为0，空气密度一定，若风速提高到原来的2倍，则发电机的输出功率将提高为原来的倍。（已知质量为m、速度为v的物体的动能 $\text{[math]}$ ）

【考点】

电流和电流的单位换算; 电功率的计算;

【答案】

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科普阅读题困难

1. 阅读短文，回答问题．

神奇的热电偶

1821年，德国物理学家塞贝克发现了一种奇怪的现象：把两根钢丝和一根铁丝与灵敏电流计串联成闭合电路。其中灵敏电流计可以测量出电路中的微弱电流，当有电流流过灵敏电流计时，其指针会发生偏转。当把钢丝和铁丝的一个连接点放在盛有冰水混合物的容器里保持低温，另一个连接点放在火焰上加热时，发现灵敏电流计的指针发生了偏转，此时闭合电路中产生了电流。塞贝克把这种电流叫做“热电流”，把这种电路叫“热电偶电路”

某科研小组按如图所示的电路，模拟塞贝克实验，并在连接点位置放有可测高温的温度传感器。探究了决定“热电流”大小的因素，通过实验测得了电流的大小与温差关系的一组数据：

两接点间的温度差/℃	0	1	100	200	300	500
电路中的电流/A	0.00	0.01	0.064	0.29	0.42	0.47

(1) 从表中数据可以发现，该电路中的电流随两点间的温度差的增大而（选填“增大”“减小”或“不变”）；

(2) 该电路中的热电偶其实相当于一个电源，它是把能转化为电能；

(3) 其他条件不变，只将A处杯中的冰水混合物换为沸水，电路电流。（选填“增大”“减小”或“不变”）

科普阅读题普通

2. 阅读短文，并回答问题。

电动汽车的充电设备—充电桩

现在国产新能源汽车越来越普遍推广，目前需要解决及发展的就是我们汽车充电的问题，一般来说纯电汽车都有两个孔的充电器，快充口和慢充口，因此充电时需要选择合适的充电桩。两种充电桩在速度、功率以及电压上都有所不同：在充电速度上，电站充电桩通常比家装充电要快，电站充电桩通常采用更高的充电功率，对应很多个等级，如30kW、60kW、100kW、150kw、200kW等，可以在短时间内30min到2h左右时间充满电；而家用充电桩的功率一般为7kW，需要6h到10h不等的时间，具体的时间根据车型不等。

在电源类型和电压标准，家庭充电桩一般使用交流电，电压标准较低为家庭电压220V，而电站充电桩则采用直流电电压通常大于220V，一般在380V以上。

在安全性和费用上、家装可能存在安全隐患，如锂电池自燃等风险，家用充电桩的收费为分时段收费、高低峰时电价不等，电价大多是0.2-0.8元/度不等，充电站的充电桩电价较高一般为0.8-2.0元/度不等，相应的充电站还要收取服务费也会增加每度电的总费。

科学家们也在一直研究新能源汽车的使用更新，从充电快慢到费用再到充电的方便程度，要解决的技术壁垒将会越来越少。

(1) 充电桩为电动汽车的电池充电时能量的转化为，此时电池是（选填“电源”或“用电器”）；

(2) 小明家新买一款电车使用的是家用充电桩，充电9h可以充满，若使用功率为60kW的电站充电桩充电，则用h即可充满；

(3) 由总发电厂向每家用户输电，输送的功率P一定，关于输电电压U与输电电流的I的关系图像正确的是______ A.

科普阅读题普通

3. 如图甲所示是陕西黄龙界头庙风电场，风电场是利用风能并结合一系列发电机组从而达到用风力发电的目的。风力发电机的发电功率大小可能与哪些因素有关？小明猜想风力发电机的发电功率可能与风速大小、扇叶数量、扇叶形状、扇叶与风向的夹角等因素有关。

（1）空气流动形成了风，小明分析：一定质量的空气，风速越，空气的机械能越大，通过风力发电机可转化的电能越多。

（2）为了验证猜想，小明利用如图乙所示的装置进行探究。实验时，将实验装置放在水平工作台上，风机出风口正对发电机扇叶吹风，扇叶转动带动发电机工作。在风力发电机外部接入定值电阻、电压表和电流表，通过测量电阻两端电压和电路中电流的大小，可反映出发电机的发电功率大小。控制风机出风口风速一定，保持风机与发电机扇叶之间的不变，分别改变发电机的扇叶数量、扇叶形状、扇叶与风向的夹角θ，观察各种情况下工作电路中电压表、电流表示数并记录在下表中。

扇叶与风向的夹角θ	三片				四片
	4cm直扇叶		4cm弧形扇叶		4cm直扇叶		4cm弧形扇叶
	电压 $\text{[math]}$	电流 $\text{[math]}$	电压 $\text{[math]}$	电流 $\text{[math]}$	电压 $\text{[math]}$	电流 $\text{[math]}$	电压 $\text{[math]}$	电流 $\text{[math]}$
15°	0	0	0.6	0.06	0	0	1.0	0.10
30°	0	0	1.1	0.12	0.4	0.04	1.5	0.16
45°	1.3	0.14	2.0	0.20	1.5	0.16	2.2	0.22
60°	1.0	0.10	1.2	0.13	1.3	0.12	1.6	0.16
75°	0	0	0.7	0.07	0.8	0.08	1.2	0.12

分析表中的实验数据可知：

①当风速、扇叶与风向的夹角 $\text{[math]}$ 、一定时，（选填“三”或“四”）片扇叶的风力发电机发电功率较大。

②风力发电机的发电功率与扇叶的形状（选填“有关”或“无关”）。

③其他条件相同时，当扇叶与风向的夹角越大，风力发电机的发电功率如何变化：。

（3）小明查阅资料了解到，在实际应用中，大型风力发电机的扇叶长达40m以上，由此他分析，风力一定时，可利用空间区域越大，蕴含的风能越多，因此风力发电机的发电功率还可能与有关。

科普阅读题普通