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1、第九章第九章 X射线物理基础及其分析原理射线物理基础及其分析原理刘胜新刘胜新 第九章第九章 X射线物理基础及其分析原理射线物理基础及其分析原理9.1 概述概述一、发展概况一、发展概况 1895年德国物理学家年德国物理学家 伦琴伦琴在研究真空管中的高压放电现象时发现在研究真空管中的高压放电现象时发现X射线，也称为伦琴射线。射线，也称为伦琴射线。应用于医学诊断及医疗、金属材料及机械零件探伤。应用于医学诊断及医疗、金属材料及机械零件探伤。 1912年德国物理学家劳厄年德国物理学家劳厄 证明证明X射线是一种波长在射线是一种波长在10-10m左右左右的电磁波、证实了晶体结构的周期

2、性，发展成为的电磁波、证实了晶体结构的周期性，发展成为X射线衍射学。射线衍射学。提出劳埃方程。提出劳埃方程。 1913年，英、布拉格父子提出了晶面年，英、布拉格父子提出了晶面“反射反射”X射线的概念，并射线的概念，并推导出布拉格方程推导出布拉格方程X射线衍射学的基础。射线衍射学的基础。3第九章第九章 X射线物理基础及其分析原理射线物理基础及其分析原理 年，莫塞莱发现了原子序数与发射年，莫塞莱发现了原子序数与发射X射线的频率间的射线的频率间的关系关系莫塞莱定律，最终发展成为莫塞莱定律，最终发展成为X射线发射光谱分析（电子探针）射线发射光谱分析（电子探针）和发射和发射X射线荧光分

3、析。射线荧光分析。 1916年，德拜、谢乐提出采用多晶体试样的年，德拜、谢乐提出采用多晶体试样的“粉末法粉末法”。 1928年，盖革、弥勒首先用记数器记录年，盖革、弥勒首先用记数器记录X射线射线导致导致X射线衍射射线衍射仪的产生。仪的产生。 1970-先进技术与先进技术与X射线相结合，发展成为现代型的自动化衍射射线相结合，发展成为现代型的自动化衍射仪。仪。二、应用二、应用应用领域：应用领域：物理、化学、材料、冶金、机械、地质、化物理、化学、材料、冶金、机械、地质、化工、纺织、食品、医药等。工、纺织、食品、医药等。4第九章第九章 X射线物理基础及其分析原理射线物理基础及其分析原理X射线衍射分析在

4、材料科学中的应用可归纳为四个方面：射线衍射分析在材料科学中的应用可归纳为四个方面： 晶体微观结构研究晶体微观结构研究晶体结构类型和晶胞大小、原子在单胞中的位置和数量等。例如晶体结构类型和晶胞大小、原子在单胞中的位置和数量等。例如对晶体点阵参数的精确测定可用来分析固溶体。对晶体点阵参数的精确测定可用来分析固溶体。 物相分析物相分析定性分析：鉴定待测样的物相而非化学元素组成。定性分析：鉴定待测样的物相而非化学元素组成。定量分析：求出各物相的相对含量。定量分析：求出各物相的相对含量。 精细结构研究精细结构研究宏观、微观应力测定，晶粒大小的研究等。宏观、微观应力测定，晶粒大小的研究等。5第九章第九章

5、X射线物理基础及其分析原理射线物理基础及其分析原理 单晶体取向及多晶体织构测定单晶体取向及多晶体织构测定借助晶体取向，可研究材料的滑移、孪生过程，测定沉淀相从基借助晶体取向，可研究材料的滑移、孪生过程，测定沉淀相从基体析出的惯习面。用体析出的惯习面。用X射线衍射方法可获得有关织构的最完全的知射线衍射方法可获得有关织构的最完全的知识。识。9.2X射线衍射基本概念射线衍射基本概念 uX射线的产生条件（高速运动着的电子突然受阻）射线的产生条件（高速运动着的电子突然受阻）产生并发射自由电子（如热钨灯丝）；产生并发射自由电子（如热钨灯丝）；在真空管中迫使电子朝一定方向加速运动在真空管中迫使电子朝一定方向

6、加速运动获得尽可能高的速度；获得尽可能高的速度；在电子运动路线上设置障碍（阳极靶）在电子运动路线上设置障碍（阳极靶）使电子受阻而停止运动。使电子受阻而停止运动。9.2.1X射线的产生及本质射线的产生及本质6产生产生X射线的一般装置射线的一般装置电子束轰击阳极靶时只有电子束轰击阳极靶时只有1%转 化 为转 化 为 X 射 线 的 能 量 ， ，射 线 的 能 量 ， ，99%以热量形式释放以热量形式释放 靶靶材导热性要好材导热性要好,熔点要低（如熔点要低（如Cu）为获取不同波长的为获取不同波长的X光，多在靶面上镶嵌（或镀上）一层过渡金属光，多在靶面上镶嵌（或镀上）一层过渡金属 W,Ag,Mo,C

7、u,Ni,Fe,Cr 波长增加波长增加X光的强度通常以每秒钟单位掠射平面上所产生的量子数来表示光的强度通常以每秒钟单位掠射平面上所产生的量子数来表示.图图9-1X射线管结构示意图射线管结构示意图7 X射线管的结构射线管的结构 封闭式封闭式X X射线管实质上就是一个大的真空（射线管实质上就是一个大的真空（ ）二极管。基本组成包括：二极管。基本组成包括： (1)(1)阴极：阴极是发射电子的地方。阴极：阴极是发射电子的地方。 (2)(2)阳极：亦称靶，是使电子突然减速和发射阳极：亦称靶，是使电子突然减速和发射X X射线的地方。射线的地方。( (3)3)窗口：窗口是窗口：窗口是X X射线从阳极靶向外射

8、出的地方。射线从阳极靶向外射出的地方。mmHg7510108特殊构造的特殊构造的X射线管射线管细聚焦细聚焦X X射线管；射线管； 旋转阳极旋转阳极X X射线管。射线管。 市场上供应的种类市场上供应的种类 密封式灯丝密封式灯丝X X射线管；射线管； 可拆式灯丝可拆式灯丝X X射线管。射线管。9X射线特征射线特征直线传播、电场和磁场中不偏转、使底版底片感光、气直线传播、电场和磁场中不偏转、使底版底片感光、气体电离、杀伤生物细胞等。体电离、杀伤生物细胞等。直到直到年劳埃等人发现年劳埃等人发现X X射线在晶体中的衍射现象后，射线在晶体中的衍射现象后，才揭示了其本质。才揭示了其本质。X射

9、线的本质射线的本质X射线是一种射线是一种横波，由交替变化的电场和磁场组成横波，由交替变化的电场和磁场组成。与。与可见光、无线电波及可见光、无线电波及射线等一样，也是电磁波，波长范围射线等一样，也是电磁波，波长范围为：为：0.00110 nm,介于紫外线和介于紫外线和射线之间，但无明显分界线。射线之间，但无明显分界线。10图图9-2电磁波谱电磁波谱11不同波长的不同波长的X射线用途不同：射线用途不同：一般称波长短的为硬一般称波长短的为硬X射线，反之称为软射线，反之称为软X射线。波长越短穿射线。波长越短穿透能力越强（用于金属探伤的透能力越强（用于金属探伤的X射线波长为射线波长为0.0050.01

10、nm或更短）或更短）。适用于晶体结构分析的适用于晶体结构分析的X射线波长约为：射线波长约为：0.050.25 nm。X射线具有波粒二相性射线具有波粒二相性hchv X射线的辐照强度正比于衍射波振幅的平方（射线的辐照强度正比于衍射波振幅的平方（ ），也是），也是单位时间内通过单位截面的光量子数目。单位时间内通过单位截面的光量子数目。2AI 9112由于由由于由X射线管发射出的射线管发射出的X射线的波长并不相同，故可用射线的波长并不相同，故可用适当的方法测量各个波长的适当的方法测量各个波长的X射线强度，通常可得到图射线强度，通常可得到图6-3所示的波长与强度的关系曲线，所示的波长与强度的关系曲线，

11、即即X射线谱。射线谱。9.2.2 X射线谱射线谱图图93不同管压下不同管压下Mo的的X射线谱射线谱X射线谱分类射线谱分类连续谱和特征连续谱和特征X射线（标识谱）射线（标识谱）13连续连续X射线谱射线谱：当管压小于某一临界值（如小于当管压小于某一临界值（如小于20KV）时，所得的谱线为丘包状的）时，所得的谱线为丘包状的连续曲线，该种谱线被称为连续连续曲线，该种谱线被称为连续X射射线谱（图线谱（图94）。）。图图9 94 4 连续连续X X射线谱射线谱在在X射线管中，从阴极出发的电子在射线管中，从阴极出发的电子在高电压下的作用下以极大的速度向阳极运高电压下的作用下以极大的速度向阳极运动，当撞击阳极

12、时，其大部分动能都变为动，当撞击阳极时，其大部分动能都变为热能而损耗，但一部分动能就以电磁辐射热能而损耗，但一部分动能就以电磁辐射X射线的形式放射出来。射线的形式放射出来。由于大量电子射到阳极上的时间和条件不尽相同，而且有的由于大量电子射到阳极上的时间和条件不尽相同，而且有的电子还可能与阳极作多次碰撞而逐步转移其能量，情况复杂，故电子还可能与阳极作多次碰撞而逐步转移其能量，情况复杂，故所产生的电磁波具有各种不同的波长，形成了连续所产生的电磁波具有各种不同的波长，形成了连续X射线谱，是射线谱，是多种波长的混合体，故也称为白色多种波长的混合体，故也称为白色X射线。射线。14连续连续X射线谱射线谱：

在极限条件下，电子将其在电场中加速得到的全部动能都转在极限条件下，电子将其在电场中加速得到的全部动能都转化为一个光子，则此光子的能量最大，波长最短，相当于短波限化为一个光子，则此光子的能量最大，波长最短，相当于短波限0的的X射线。射线。可知，短波限仅与管压有关。当固定管压时，增加管流或改可知，短波限仅与管压有关。当固定管压时，增加管流或改变阳极靶材，短波限变阳极靶材，短波限0不变，而仅使各波长不变，而仅使各波长X射线强度增强射线强度增强 。 在连续谱中，短波限对应的光子能量最大，但相应光子数目不在连续谱中，短波限对应的光子能量最大，但相应光子数目不多，故强度极大值不在短波限处，而位于多，故强

14、度极大值不在短波限处，而位于1.5 0附近。附近。此光子的能量此光子的能量0max221hchveUmvE92eUhc09315连续连续X射线谱射线谱： 连续谱的总强度就是图连续谱的总强度就是图64曲线下所包围的面积，即曲线下所包围的面积，即式中式中k 为为1.110-91.410-9常数。常数。 连续谱的总强度与管压连续谱的总强度与管压U、管流、管流i及阳极靶材料的原子序数及阳极靶材料的原子序数Z存存在下列关系在下列关系 0IId连续94由此可计算得到由此可计算得到X射线管发射连续射线管发射连续X射线的效率射线的效率h h2kiZUI连续95kZU射线管输入功率射线总强度连续XXh9616特

15、征谱（特征特征谱（特征x射线）射线） 当管压增高到某一临界值时，则在连续谱的某些特定波长上当管压增高到某一临界值时，则在连续谱的某些特定波长上出现一些强度很高的峰，它们构成了出现一些强度很高的峰，它们构成了X射线特征谱。射线特征谱。激发电压激发电压：刚好激发特征谱的临界管压称为激发电压。：刚好激发特征谱的临界管压称为激发电压。特征谱波长的特性：特征谱波长的特性：仅取决于阳极靶材料的原子序数，与管压管流无关仅取决于阳极靶材料的原子序数，与管压管流无关。图图9 95 5 特征特征X X射线谱射线谱17特征谱（特征特征谱（特征x射线）射线）对于一定材料的阳极靶，产生的特征谱波长是固定的，此波对于一定

16、材料的阳极靶，产生的特征谱波长是固定的，此波长可以作为阳极靶材的标志或特征，故称为特征谱或标识谱。长可以作为阳极靶材的标志或特征，故称为特征谱或标识谱。特征谱的产生原理特征谱的产生原理由原子结构的壳层模型可知，原子中的电子分布在以原子核由原子结构的壳层模型可知，原子中的电子分布在以原子核为中心的若干壳层中，光谱学中依次被称为为中心的若干壳层中，光谱学中依次被称为K、L、M、N壳层，壳层，分别相应于主量子数分别相应于主量子数n=1,2,3,4。在稳定状态下，每个壳层有一在稳定状态下，每个壳层有一定数量的电子，它们具有一定的能定数量的电子，它们具有一定的能量，最内层（量，最内层（K）电子的能量最低

17、，）电子的能量最低，依次按依次按L、M、N的顺序递增，的顺序递增，从而构成一系列的能级。在正常情从而构成一系列的能级。在正常情况下，电子总是先占满能量最低的况下，电子总是先占满能量最低的壳层（图壳层（图96）。）。图图96原子结构的壳层模型原子结构的壳层模型18特征谱（特征特征谱（特征x x射线）射线）按能量最低原理，当按能量最低原理，当K层层出现空位时，出现空位时，L、M、N各层各层电子会跃入此空位，将其多余电子会跃入此空位，将其多余的能量以的能量以X射线光子的形式放射线光子的形式放出来（图出来（图67），该过程称为），该过程称为跃迁。跃迁。从从X射线管中阴极出发的电子，在高电压的作用下，以

18、很快射线管中阴极出发的电子，在高电压的作用下，以很快的速度撞到阳极上时，如果电子的能量足够大，就可以将阳极物的速度撞到阳极上时，如果电子的能量足够大，就可以将阳极物质原子中的电子轰击出来成为自由电子（二次电子），同时原子质原子中的电子轰击出来成为自由电子（二次电子），同时原子处于高能的不稳定状态（激发态），此过程称为激发。处于高能的不稳定状态（激发态），此过程称为激发。图图9 97 7特征特征X X射线产生原理射线产生原理19特征谱（特征特征谱（特征x射线）射线）辐射出的辐射出的X射线的频率射线的频率和波长和波长可由下式计算：可由下式计算：nnnnnnnnnnEEhccEE

19、hv9798各层能级上的电子能量，取决于原子核对它的束缚力，因此各层能级上的电子能量，取决于原子核对它的束缚力，因此对原子序数一定的原子，其各能级上的电子能量具有分立的确定对原子序数一定的原子，其各能级上的电子能量具有分立的确定值。值。因内层电子数目和它们所占据的能级数不多，因此内层电子因内层电子数目和它们所占据的能级数不多，因此内层电子跃迁所辐射出的跃迁所辐射出的X射线的波长便是若干个特定的值。这些波长能射线的波长便是若干个特定的值。这些波长能反映出该电子的原子序数特征，而与原子所处的物理、化学状态反映出该电子的原子序数特征，而与原子所处的物理、化学状态基本无关。基本无关。20特征谱（特征特

20、征谱（特征x射线）射线）X射线的命名方法射线的命名方法人为定义由不同外层上的人为定义由不同外层上的电子电子跃迁至同一内层跃迁至同一内层而辐射出的而辐射出的特征谱特征谱线属于同一线系线属于同一线系，并按电子跃迁所，并按电子跃迁所跨越的电子能级数目多少的顺序跨越的电子能级数目多少的顺序这一线系的谱线分别标以这一线系的谱线分别标以a a、b b、g g等等符号。符号。如如:电子由电子由LK层，层， MK层层,分别对应分别对应K系中的系中的K a a和和K b b 。ML层，层， NL层层,分别对应分别对应M系中的系中的La a和和Lb b 。其余以此类推。其余以此类推。图图9 98 8电子能级可能产

21、生的辐射电子能级可能产生的辐射21同一靶材不同线系的谱线中，以同一靶材不同线系的谱线中，以K系谱线最短，系谱线最短，M系最长。系最长。 同一靶材的同一线系各谱线间的波长关系：同一靶材的同一线系各谱线间的波长关系： a a b b g g 莫塞莱定律：莫塞莱定律：)(/1ZkK，为常数，为常数，Z原子序数。原子序数。说明：说明：不同靶材的同名特征谱线，其波长随原子序数不同靶材的同名特征谱线，其波长随原子序数Z Z的增大而的增大而变短。变短。莫塞莱定律是现代莫塞莱定律是现代X X射线光谱分析的基础。射线光谱分析的基础。9922图图9 99 9 原子序数原子序数Z Z与特征谱波长与特征谱波长的关系的

22、关系23说明：说明：特征特征X射线的辐射强度随管射线的辐射强度随管压压U和管流和管流i的增大而增大。的增大而增大。特征特征X X射线的强度射线的强度K K系谱线强度的经验公式为系谱线强度的经验公式为nkkUUAiI)(910式中式中A A为比例常数；为比例常数；Uk为为K系谱线的临界激发电压；系谱线的临界激发电压；n为常数，为常数，约为约为1.5。注意：注意：增加管增加管压压U和管流和管流i，使特征，使特征X射线强度和连续谱线的强度射线强度和连续谱线的强度同时提高，这对常需要单色特征分析的同时提高，这对常需要单色特征分析的X射线分析来说是不利射线分析来说是不利的。的。24 经验表明，欲得到最大

23、的特征经验表明，欲得到最大的特征X射线与连续射线与连续X射线的强度比，射线的强度比，X射线管的工作电压选在射线管的工作电压选在3 Uk5Uk时为最佳。时为最佳。25表表91 常用阳极靶材的特征谱参数常用阳极靶材的特征谱参数26小结小结279.2.3 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用照射到物质上的照射到物质上的X射线，除一部分可能沿原入射束方向透过射线，除一部分可能沿原入射束方向透过物质继续向前传播外，其余的，在与物质物质相互作用的复杂的物质继续向前传播外，其余的，在与物质物质相互作用的复杂的物理过程中被衰减吸收，其能量转换和产物可归纳如图物理过程中被衰减吸收，其能量转换和产物可归纳如

24、图910。图图910 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用289.2.3 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用一、一、X射线的散射射线的散射相干散射相干散射：当：当X射线与物质相互作用时，辐射出与入射波频率射线与物质相互作用时，辐射出与入射波频率相同、位相差恒定的散射波，这些散射波在同一方向上符合相干相同、位相差恒定的散射波，这些散射波在同一方向上符合相干条件，称为相干散射，又称条件，称为相干散射，又称经典散射经典散射或汤姆逊散射。或汤姆逊散射。 相干散射是相干散射是X射线在晶体中产生衍射现象的基础。射线在晶体中产生衍射现象的基础。非相干散射非相干散射：不符合相干条件，这类波不仅波

25、长互不相同，：不符合相干条件，这类波不仅波长互不相同，且位向与入射波的位向不存在确定关系。且位向与入射波的位向不存在确定关系。非相干散射不能参与晶体对非相干散射不能参与晶体对X射线的衍射，只会在衍射图像上射线的衍射，只会在衍射图像上形成强度随形成强度随sinq/q/的增加而增大的的增加而增大的连续背底，给分析带来不利。连续背底，给分析带来不利。29小结小结309.2.3 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用二、二、X射线的吸收射线的吸收物质对物质对X射线的吸收是指射线的吸收是指X射线通过物质时光子的能量转变为射线通过物质时光子的能量转变为他形式时的能量。吸收作用包括：散射和他形式时的能量

26、。吸收作用包括：散射和“真吸收真吸收”。“真吸收真吸收”：由光电效应造成。：由光电效应造成。p光电效应与荧光（二次特征）辐射光电效应与荧光（二次特征）辐射光子击出电子产生光电效应，被击出的电子称为光电子。它光子击出电子产生光电效应，被击出的电子称为光电子。它带有壳层的特征能量，可用来进行成分分析（带有壳层的特征能量，可用来进行成分分析（XPS）。）。被打掉了内层电子的受激原子，将发生外层电子向内层的跃被打掉了内层电子的受激原子，将发生外层电子向内层的跃迁过程，同时辐射出波长严格一定的特征迁过程，同时辐射出波长严格一定的特征X射线。为了区别电子击射线。为了区别电子击靶时产生的特征辐射，称这种利用

27、靶时产生的特征辐射，称这种利用X射线激发而产生的特征辐射称射线激发而产生的特征辐射称为二次辐射，也称为荧光辐射。为二次辐射，也称为荧光辐射。它是它是X射线荧光分析的基础。射线荧光分析的基础。在在X射线衍射分析中，射线衍射分析中，X射线荧光辐射是有害的，增加衍射花射线荧光辐射是有害的，增加衍射花样的背底。样的背底。319.2.3 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用p俄歇（俄歇（Auger）效应）效应原子原子K层电子被击出，层电子被击出，L层层电子，例如电子，例如L2电子向电子向K层跃迁，层跃迁，其能量差可能不是以产生一个其能量差可能不是以产生一个K系系X射线光量子的形式释放，而射线光量子

28、的形式释放，而是是被邻近的电子（如另一个被邻近的电子（如另一个L2电子）所吸收，使这个电子受电子）所吸收，使这个电子受激发而成为自由电子激发而成为自由电子，这就是，这就是俄歇效应，这个自由电子称为俄歇效应，这个自由电子称为俄歇电子。俄歇电子带有壳层俄歇电子。俄歇电子带有壳层的特征能量（的特征能量（AES），可用于），可用于成分分析。成分分析。图图911 X光子、俄歇电子和荧光光子、俄歇电子和荧光X射线的产生过程示意图射线的产生过程示意图329.2.4 X射线的衰减射线的衰减一、衰减规律一、衰减规律图图912 X射线通过物质后的衰减射线通过物质后的衰减dxIdIIIdIIi)(911X射线通过物

29、质时，其强度将随穿透深度的增加按指数规律减弱。射线通过物质时，其强度将随穿透深度的增加按指数规律减弱。吸收系数吸收系数（cm-1）负号表示强度的变化由强变弱负号表示强度的变化由强变弱xeII.4 X射线的衰减射线的衰减质量吸收系数质量吸收系数 m= i/r r，表示单位质量物质对表示单位质量物质对X射线的吸收程度。射线的吸收程度。对一定波长的对一定波长的X射线和一定的物质，射线和一定的物质， m为定值。各元素的质量吸收为定值。各元素的质量吸收系数可查相应的资料。系数可查相应的资料。吸收系数吸收系数 i的大小与入射波长和物质有关，表征物质对的大小与入射波长和物质有关，表征物质

30、对X射线的射线的吸收特性。吸收特性。通常，当吸收物质一定时，通常，当吸收物质一定时，X射线的波长愈短愈易被吸收。波射线的波长愈短愈易被吸收。波长一定时，吸收体的原子序数长一定时，吸收体的原子序数Z愈高，愈高，X射线被吸收得越多。质量射线被吸收得越多。质量吸收系数、波长和原子序数间的关系为吸收系数、波长和原子序数间的关系为33Zkm913二、吸收系数二、吸收系数34图图913 Pb的的 m- 关系曲线关系曲线图图913中吸收突变处的波长表示：吸收因被激发产生荧光辐中吸收突变处的波长表示：吸收因被激发产生荧光辐射而大量吸收入射射而大量吸收入射X射线的吸收限。吸收限是吸收元素的特征量，射线的吸收限。

31、吸收限是吸收元素的特征量，与实验条件无关。与实验条件无关。若吸收体不是单一元素若吸收体不是单一元素，而是由多种元素组成的化合物、混合，而是由多种元素组成的化合物、混合物、陶瓷、合金等，则其质量吸收系数物、陶瓷、合金等，则其质量吸收系数 m是其组分元素的质量吸收是其组分元素的质量吸收系数系数 的加权平均值，即的加权平均值，即im 对应突变处波长的对应突变处波长的X射线射线光量子能量，刚好等于或光量子能量，刚好等于或略大于吸收体原子的某个略大于吸收体原子的某个内层的结合能，光子可能内层的结合能，光子可能由于大量击出这些内层电由于大量击出这些内层电子而被消耗掉，于是子而被消耗掉，于是 m发发生突变。

32、生突变。35式中式中w wi 元素质量百分含量；元素质量百分含量； mi元素的质量吸收系数。元素的质量吸收系数。.332211mmmmwww914X射线衰减小结射线衰减小结36小结小结x射线的性质：射线的性质：1. 波粒二象性2. 直线传播3. 具有杀伤力4. 具有光电效应5. 散射现象：相干散射，不相干散射6. 吸收现象7. 俄歇效应37三、吸收限的应用三、吸收限的应用u 阳极靶的选择阳极靶的选择尽量减少激发样品的荧光辐射，以降低衍射花样的背底，使图尽量减少激发样品的荧光辐射，以降低衍射花样的背底，使图像清晰。像清晰。根据样品化学成分选择靶材的原则：根据样品化学成分选择靶材的原则：1Z 样靶

33、Z样靶ZZ或或914u 滤波片的选择滤波片的选择在一些衍射分析工作中，我们只希望是在一些衍射分析工作中，我们只希望是Ka a辐射的衍射线条，辐射的衍射线条，但但X射线管中发出的射线管中发出的X射线，除射线，除Ka a辐射外，还含有辐射外，还含有Kb b辐射和连续谱，辐射和连续谱，使衍射花样复杂化。使衍射花样复杂化。例：分析例：分析Fe样时，应用样时，应用Co靶或靶或Fe靶，若用靶，若用Ni靶，则会产生较靶，则会产生较高的背底。高的背底。38获得单色光的方法之一是在获得单色光的方法之一是在X射线出射的路径上放置一定厚度射线出射的路径上放置一定厚度的滤波片，可以简便地将的滤波片，可以简便地将Kb

34、b辐射和连续谱衰减到可以忽略的程度。辐射和连续谱衰减到可以忽略的程度。滤波片的选择的原则：滤波片的选择的原则：1Z靶滤Z915时，靶40Zu2Z靶滤Z916时，靶40Zu图图914 滤波片的原理示意图滤波片的原理示意图39表表92 常用滤波片的选择常用滤波片的选择409.2.5 X X射线的防护射线的防护人体受过多的人体受过多的X射线照射会受到伤害，引起局部组织灼伤、射线照射会受到伤害，引起局部组织灼伤、坏死或带来其它疾病，如脱发、使人精神衰退、头晕、血液组成坏死或带来其它疾病，如脱发、使人精神衰退、头晕、血液组成及性能变坏、影响生育等。及性能变坏、影响生育等。力求避免不必要的辐射。如在调整相

35、机和仪器对光时，注意力求避免不必要的辐射。如在调整相机和仪器对光时，注意不要将手和身体任何部位直接暴露在不要将手和身体任何部位直接暴露在X射线照射下。当仪器工作射线照射下。当仪器工作正常后，应立即离开正常后，应立即离开X射线室。射线室。重金属铅可强烈吸收重金属铅可强烈吸收X射线，可在需要遮蔽的地方加上铅屏射线，可在需要遮蔽的地方加上铅屏或铅玻璃屏，必要时可戴上铅玻璃眼镜、铅橡胶手套和铅围裙。或铅玻璃屏，必要时可戴上铅玻璃眼镜、铅橡胶手套和铅围裙。工作场所应通风良好！工作场所应通风良好！国标国标射线防护规定射线防护规定：加强定期检查与防治。：加强定期检查与防治。41X射线照射到晶体上产生的衍射花

36、样，除了与射线照射到晶体上产生的衍射花样，除了与X射线有关外，射线有关外，主要受晶体结构的影响主要受晶体结构的影响。晶体结构与衍射花样间有一定的内在联系，通过分析衍射花晶体结构与衍射花样间有一定的内在联系，通过分析衍射花样，能够测定晶体结构并研究与结构相关的一系列问题。样，能够测定晶体结构并研究与结构相关的一系列问题。衍射花样包括衍射花样包括：衍射线方向和衍射线方向和衍射线强度衍射线强度衍射线方向：分别用劳埃方程、布拉格方程、衍射矢量方衍射线方向：分别用劳埃方程、布拉格方程、衍射矢量方程及厄瓦尔德图解来描述。程及厄瓦尔德图解来描述。衍射线强度：用衍射线强度理论解决。衍射线强度：用衍射线强度理论

37、解决。9.3 X射线衍射的几何原理射线衍射的几何原理晶体学基础自己复习晶体学基础自己复习衍射的产生、干涉（相长干涉、相消干涉）的概念衍射的产生、干涉（相长干涉、相消干涉）的概念42衍射的本质是晶体中各原子相干散射波叠加（合成）的衍射的本质是晶体中各原子相干散射波叠加（合成）的结果。结果。 衍射波的两个基本特征衍射波的两个基本特征衍射线（束）在空间分布衍射线（束）在空间分布的方位（衍射方向）和强度，与晶体内原子分布规律的方位（衍射方向）和强度，与晶体内原子分布规律（晶体结构）密切相关。（晶体结构）密切相关。9.3 X射线衍射的几何原理射线衍射的几何原理一、一、X X射线衍射方向射线衍射方向191

Laue）用）用X射线照射五水硫射线照射五水硫酸铜（酸铜（CuSO45H2O）获得世界上第一张）获得世界上第一张X射线衍射照片，射线衍射照片，并由光的干涉条件出发导出描述衍射线空间方位与晶体结并由光的干涉条件出发导出描述衍射线空间方位与晶体结构关系的公式（称劳埃方程）。构关系的公式（称劳埃方程）。43随后，布拉格父子（随后，布拉格父子（WHBragg与与WLBragg）类）类比可见光镜面反射进行实验，用比可见光镜面反射进行实验，用X射线照射岩盐（射线照射岩盐（NaCl），），并依据实验结果导出布拉格方程并依据实验结果导出布拉格方程。9.3

39、射线衍射的几何原理（1 1）劳埃方程）劳埃方程劳埃设想，晶体为光栅（点阵劳埃设想，晶体为光栅（点阵常数为光栅常数），原子受常数为光栅常数），原子受X射线射线照射产生球面散射波并在一定方向照射产生球面散射波并在一定方向上相互干涉，形成衍射光束。根据上相互干涉，形成衍射光束。根据所获得的五水硫酸铜的所获得的五水硫酸铜的X射线衍射射线衍射照片，由光的干涉条件导出描述衍照片，由光的干涉条件导出描述衍射线空间方位与晶体结构间的关系。射线空间方位与晶体结构间的关系。（1

91515原子列的衍射原子列的衍射a)a)衍射条件衍射条件 b)b)衍射圆锥衍射圆锥a)b)aaHa)cos(cos0217第一干涉指数第一干涉指数479.3 X射线衍射的几何原理射线衍射的几何原理B.B.二维衍射劳埃方程二维衍射劳埃方程

原子网的衍射花样原子网的衍射花样a)a)一对衍射圆锥及其交线，一对衍射圆锥及其交线， b)b)原子网的衍射网原子网的衍射网49a a、b b、g g 分别是衍射线与三个基本方向的夹角，其值取决于分别是衍射线与三个基本方向的夹角，其

42、值取决于晶体的点阵周期晶体的点阵周期a、b、c， 入射入射X射射线与三个基本方向的夹角线与三个基本方向的夹角a a0 0、b b0 0、g g0 0 ， X射射线的波长及干涉指数线的波长及干涉指数H、K、L。 年，英国物理学家布喇格年，英国物理学家布喇格父子提出父子提出 X X射线在晶体上衍射的射线在晶体上衍射的一种简明的理论解释一种简明的理论解释-布喇格布喇格定律，又称布喇格条件。定律，又称布喇格条件。50（2 2）布拉格实验及布拉格方程）布拉格实验及布拉格方程a.布拉格实验布拉格实验图图9 91818布拉格实验装置布拉格实验装置 设入射线与反射面之夹角为设入射线与反射面之夹

43、角为，称掠射角或布拉格角，则，称掠射角或布拉格角，则按反射定律，反射线与反射面之夹角也应为按反射定律，反射线与反射面之夹角也应为。51（2 2）布拉格实验及布拉格方程）布拉格实验及布拉格方程 设布拉格实验得到了设布拉格实验得到了“选择反射选择反射”的结果，即当的结果，即当X射线以射线以某些角度入射时，记录到反射线（以某些角度入射时，记录到反射线（以Cu K射线照射射线照射NaCl表表面，当面，当=15和和=32时记录到反射线）；其它角度入射，时记录到反射线）；其它角度入射，则无反射。则无反射。b.b.布拉格方程的导出布拉格方程的导出考虑到：考虑到： 晶体结构的周期性，可将晶体视为由许多相互平行

44、且晶晶体结构的周期性，可将晶体视为由许多相互平行且晶面间距（面间距（d d）相等的原子面组成）相等的原子面组成； X X射线具有穿透性，可照射到晶体的各个原子面上；射线具有穿透性，可照射到晶体的各个原子面上； 光源及记录装置至样品的距离比光源及记录装置至样品的距离比d d数量级大得多，故入数量级大得多，故入射线与反射线均可视为平行光。射线与反射线均可视为平行光。52入射角掠射角镜面反射方向平面法线入射X射线任一平面上的点阵u 同一晶面上各个格点之间的干涉同一晶面上各个格点之间的干涉点间干涉点间干涉。 同一晶面上各个格点之间的干涉同一晶面上各个格点之间的干涉点间干涉。点间干涉。 不同晶面之间的干

45、涉不同晶面之间的干涉面间干涉面间干涉。分两步讨论：分两步讨论：图图9 91919点间干涉点间干涉53任一平面上的点阵入射X射线平面法线镜面反射方向ZXY图920图示法作简易证明AABBCCCD光程相等即光程差为零干涉得最大光强CC-ADACcos- ACcos=0CC=ADAA=BB54面1面2面3作截面分析 不同晶面之间的干涉面间干涉。面间干涉。图图921面间干涉面间干涉55qqADabqsin2dDCBD)3, 2, 1, 0(nCB相长干涉得亮点的条件相长干涉得亮点的条件qndsin2层间两反射光的光程差层间两反射光的光程差d12hd3掠射角920反射级数反射级数图图922层间反射示意图

q式式920为著名的布拉格方程。为著名的布拉格方程。布拉格方程说明当布拉格方程说明当一束单色且平行的一束单色且平行的X射线射线照射到晶体时，同一晶照射到晶体时，同一晶面上的原子的散射线，在晶面反射方向上是同相位的，因而可以加强；面上的原子的散射线，在晶面反射方向上是同相位的，因而可以加强；不同晶面上的反射线若要加强，必要条件是相邻晶面反射线的光程差为不同晶面上的反射线若要加强，必要条件是相邻晶面反射线的光程差为波长的整数倍。波长的整数倍。 将衍射看成反射，是导出将衍射看成反射，是导出布拉格方的基

47、础，但衍射是本布拉格方的基础，但衍射是本质，反射仅为了描述方便。质，反射仅为了描述方便。图图923层间衍射（反射）示意图层间衍射（反射）示意图571 1）选择反射（）选择反射（ X X射线衍射与可见光反射的差异）射线衍射与可见光反射的差异） 可见光在任意入射角方向均能产生反射，而可见光在任意入射角方向均能产生反射，而X X射线则只能在有射线则只能在有限的布喇格角方向才产生反射。就平面点阵（限的布喇格角方向才产生反射。就平面点阵（h h* *k k* *l l* *）来说，只有）来说，只有入射角入射角满足此方程时，才能在相应的反射角方向上产生衍射。满足此方程时，才能在相应的反射角方向上产生衍射。

48、 可见光的反射只是物体表面上的光学现象，而衍射则是一定厚可见光的反射只是物体表面上的光学现象，而衍射则是一定厚度内许多间距相同的晶面共同作用的结果。度内许多间距相同的晶面共同作用的结果。2 2）入射线波长与面间距关系）入射线波长与面间距关系 1/2sindq921所以要产生衍射，必须有所以要产生衍射，必须有d /292258这规定了这规定了X X衍射分析的下限：衍射分析的下限： 对于一定波长的对于一定波长的X X射线而言，晶体中能产生衍射的晶面数射线而言，晶体中能产生衍射的晶面数是有限的。是有限的。 对于一定晶体而言，在不同波长的对于一定晶体而言，在不同波长的X X射线下，能产生衍射射线下，能

49、产生衍射的晶面数是不同的。的晶面数是不同的。3)3)布喇格方程是布喇格方程是X X射线在晶体产生衍射的必要条件而非充分条射线在晶体产生衍射的必要条件而非充分条件。有些情况下晶体虽然满足布拉格方程，但不一定出现衍射件。有些情况下晶体虽然满足布拉格方程，但不一定出现衍射线，即所谓系统消光。线，即所谓系统消光。4） 反射级数与干涉面反射级数与干涉面反应级数反应级数n n与相邻两个平行晶面反射出的与相邻两个平行晶面反射出的X X射线束的光程差射线束的光程差有关。为应用方便，常把布拉格方程中的隐含在有关。为应用方便，常把布拉格方程中的隐含在d d中，得到简化中，得到简化的布拉格方程。的布拉格方程。qsi

50、n2HKLd92359图图924反射级数示意图反射级数示意图 如图如图924，假若，假若X射线照射到晶体的射线照射到晶体的(100)晶面，而且刚好能晶面，而且刚好能发生二级反射，则布拉格方程为：发生二级反射，则布拉格方程为：2d100sin=2。设想在每两个。设想在每两个(100)晶面中间均插入一个晶面，此时面簇的指数为晶面中间均插入一个晶面，此时面簇的指数为(200)，而面间，而面间距已为原先的一半，因此，相邻晶面反射线的光程差便只有一个波距已为原先的一半，因此，相邻晶面反射线的光程差便只有一个波长，此种情况相当于长，此种情况相当于(200)晶面发生了一级反射。晶面发生了一级反射。60

51、可以将即，可以将(100)晶面的二级反射看成晶面的二级反射看成(200)晶面的一级反射。晶面的一级反射。一般地说，把一般地说，把(hkl)的的n级反射，看成为级反射，看成为n(hkl)的一级反射。如果的一级反射。如果(hkl)的面间距是的面间距是d，则，则n(hkl)的面间距是的面间距是d/n。 布喇格方程可改写为：布喇格方程可改写为：令令nddhklHKL/则则qsin)/(2ndhkl924qsin2HKLd925这样，就把这样，就把n隐含在隐含在dHKL之中，布拉格方程变成为永远是一级之中，布拉格方程变成为永远是一级反射的形式。也就是说，反射的形式。也就是说，(hkl)的的n级反射，可以

52、看成来自某种虚拟级反射，可以看成来自某种虚拟的、与的、与(hkl)晶面平行、面间距为晶面平行、面间距为dHKL dHKL /n的的 n(hkl)晶面的晶面的1级级反射。反射。61 晶面晶面(hkl)的的n级反射面级反射面，n(hkl)，用符号，用符号(HKL)表示，表示，称为反射称为反射(衍射衍射)面或干涉面面或干涉面。其中。其中H=nh，K=nk，L=nl。(hkl)是晶体中实际是晶体中实际存在的晶面，存在的晶面，(HKL)只是为了使问题简化而引入的虚拟晶面。干涉只是为了使问题简化而引入的虚拟晶面。干涉面的面指数称为干涉指数，一般有公约面的面指数称为干涉指数，一般有公约数数n

53、ragg方程的应用方程的应用2.已知已知， d 可测可测 X射线光谱分析射线光谱分析.1. 1. 已知已知， 可测可测 d X射线晶体结构分析射线晶体结构分析.研究研究晶体结构、材料性质。晶体结构、材料性质。研究研究原子结构。原子结构。（3 3）劳埃方程与布拉格方程的一致性）劳埃方程与布拉格方程的一致性劳埃方程与布拉格方程均可确定衍射线的方向。前者根据晶劳埃方程与布拉格方程均可确定衍射线的方向。前者根据晶体中的原子对体中的原子对X射线的散射及散射线的干涉来考虑的，后者则将复射线的散射及散射线的干涉来考虑的，后者则将复杂的衍射转化为晶面对杂的衍射转化为晶面对X射线的反射。在这里衍射和反射是一致的

54、，射线的反射。在这里衍射和反射是一致的，布拉格方程是劳埃方程的简化形式。布拉格方程是劳埃方程的简化形式。衍射花样与晶体结构的关系自己复习衍射花样与晶体结构的关系自己复习62NaCl 晶体 主晶面间距为2.8210- -10 m对某单色X射线的布喇格第一级强反射的掠射角为 15入射X射线波长第二级强反射的掠射角根据布喇格公式152 2.8210- -10 151.4610- -10 (m)0. 63p讨论衍射矢量方程的几何图解形式。讨论衍射矢量方程的几何图解形式。 图图9 92525衍射矢量三角形衍射矢量三角形衍射矢量方程的几何图解衍射矢量方程的几何图解 （4）Ewald图解图

55、解64p入射线单位矢量入射线单位矢量s s0 0与反射晶面（与反射晶面（HKLHKL）倒易矢量）倒易矢量R R* *HKLHKL及该晶面反及该晶面反射线单位矢量射线单位矢量s s构成矢量三角形（称衍射矢量三角形）。构成矢量三角形（称衍射矢量三角形）。p该三角形为等腰三角形（该三角形为等腰三角形（ s s0 0 = = s s ）；）；s s0 0终点是倒易（点阵）原终点是倒易（点阵）原点（点（O O* *），而），而s s终点是终点是R R* *HKLHKL的终点，即（的终点，即（HKLHKL）晶面对应的倒易点。）晶面对应的倒易点。ps s与与s s0 0之夹角为之夹角为2 2q q，称为，称

56、为衍射角衍射角，2 2q q表达了入射线与反射线的方表达了入射线与反射线的方向。向。p晶体中有各种不同方位、不同晶面间距的（晶体中有各种不同方位、不同晶面间距的（HKLHKL）晶面。）晶面。p当一束波长为当一束波长为 的的X X射线以一定方向照射晶体时，哪些晶面可能产射线以一定方向照射晶体时，哪些晶面可能产生反射？反射方向如何？解决此问题的几何图解即为厄瓦尔德生反射？反射方向如何？解决此问题的几何图解即为厄瓦尔德（EwaldEwald）图解。）图解。 65p按衍射矢量方程，晶体中每一个可能产生反射的（按衍射矢量方程，晶体中每一个可能产生反射的（HKL）晶面）晶面均有各自的衍射矢量三角形。各衍射

57、矢量三角形的关系如图所均有各自的衍射矢量三角形。各衍射矢量三角形的关系如图所示。示。 图图926同一晶体各晶面衍射矢量三角形关系同一晶体各晶面衍射矢量三角形关系脚标脚标1、2、3分别代表晶面指数分别代表晶面指数H1K1L1、H2K2L2和和H3K3L3 66p由上述分析可知，由上述分析可知，可能产生反射的晶面，其倒易点必落在反可能产生反射的晶面，其倒易点必落在反射球上射球上。据此，厄瓦尔德做出了表达晶体各晶面衍射产生必。据此，厄瓦尔德做出了表达晶体各晶面衍射产生必要条件的几何图解，如图所示。要条件的几何图解，如图所示。图图927厄瓦尔德图解厄瓦尔德图解 67p1.作作OO*=s0=1/ ；p2

58、.作反射球（以作反射球（以O为圆心、为圆心、 OO* 为为半径作球）；半径作球）；p3.以以O*为倒易原点，作晶体的倒易点为倒易原点，作晶体的倒易点阵；阵；p 4.若倒易点阵与反射球（面）相交，即倒易点落在反射球（面）若倒易点阵与反射球（面）相交，即倒易点落在反射球（面）上（例如图中之上（例如图中之P点），则该倒易点相应之（点），则该倒易点相应之（HKL）面满足衍射）面满足衍射矢量方程；反射球心矢量方程；反射球心O与倒易点的连接矢量（如与倒易点的连接矢量（如OP）即为该）即为该（HKL）面之反射线单位矢量）面之反射线单位矢量s，而，而s与与s0之夹角（之夹角（2q q）表达了该）表达了该（HK

59、L）面可能产生的反射线方位。）面可能产生的反射线方位。图图928厄瓦尔德球厄瓦尔德球厄瓦尔德图解步骤厄瓦尔德图解步骤为：为：68 2qI背景强度背景强度9.4 X射线衍射的强度射线衍射的强度图图929X射线强度射线强度 衍射峰的高低（或积分衍射峰的高低（或积分强度，衍射峰下面包围的强度，衍射峰下面包围的面积）、在照相底片上则面积）、在照相底片上则反映的黑度。反映的黑度。69 9.4 X射线衍射的强度射线衍射的强度 严格地说，衍射强度就是单位时间内通过与衍射方严格地说，衍射强度就是单位时间内通过与衍射方向垂直的单位面积上的向垂直的单位面积上的X射线光量子数目，但其绝对值射线光量子数目，但其绝对值

60、的测量既困难又没有实际意义，所以衍射强度往往用同的测量既困难又没有实际意义，所以衍射强度往往用同一衍射图中各衍射线强度（积分强度或峰高）的相对比一衍射图中各衍射线强度（积分强度或峰高）的相对比值，即相对强度来表示。值，即相对强度来表示。709.4 X射线衍射强度射线衍射强度 pX X射线衍射强度理论包括运动学理论和动力学理论，前者射线衍射强度理论包括运动学理论和动力学理论，前者只考虑入射只考虑入射X X射线的一次散射，后者考虑入射射线的一次散射，后者考虑入射X X射线的多射线的多次散射。次散射。pX X射线衍射强度涉及因素较多，问题比较复杂。一般从基射线衍射强度涉及因素较多，问题比较复杂。一般

61、从基元散射，即一个电子对元散射，即一个电子对X X射线的（相干）散射强度开始，射线的（相干）散射强度开始，逐步进行处理。逐步进行处理。一个电子的散射强度一个电子的散射强度原子散射强度原子散射强度 晶胞衍射强度晶胞衍射强度 小晶体散射与衍射积分强度小晶体散射与衍射积分强度 多晶体衍射积分强度多晶体衍射积分强度 71图图930 X X射线衍射强度问题的处理过程射线衍射强度问题的处理过程 72系统消光与衍射的充分必要条件系统消光与衍射的充分必要条件 p晶胞沿晶胞沿( (HKLHKL) )面反射方向散射即衍射强度（面反射方向散射即衍射强度（I Ib b） I Ib b HKLHKL= =F FHKLH

设单胞中含有设单胞中含有n个原子，各原子占据不同的个原子，各原子占据不同的坐标位置坐标位置，它，它们的们的散射振幅散射振幅和和相位相位各不相同。单胞中所有原子散射的合成各不相同。单胞中所有原子散射的合成振幅不能进行简单叠加。引入一个称为振幅不能进行简单叠加。引入一个称为结构因数结构因数FHKL2的参的参量来表征单胞的相干散射与单电子散射之间的对应关系。量来表征单胞的相干散射与单电子散射之间的对应关系。振幅一个电子相干散射波的相干散射波的合成振幅一个晶胞内所有原子的HKLF73系统消光与衍射的充分必要条件系统消光与衍射的充分必要条件

63、0，则（，则（I Ib b）HKLHKL=0=0，这就意味着，这就意味着( (HKLHKL) )面衍射面衍射线的消失。线的消失。p这种因这种因 F F 2 2=0=0而使衍射线消失的现象称为而使衍射线消失的现象称为系统消光系统消光。p由此可知，衍射产生的充分必要条件应为：由此可知，衍射产生的充分必要条件应为：衍射必要衍射必要条件条件( (衍射矢量方程或其它等效形式衍射矢量方程或其它等效形式) )加加 F F 2 200。pF F 值表征了晶胞内原子种类、原子数量、原子位置对值表征了晶胞内原子种类、原子数量、原子位置对（HKLHKL）晶面衍射方向上的衍射强度的影响。）晶面衍射方向上的衍射强度的影

64、响。 p晶胞衍射波晶胞衍射波F F 称为结构因子，其振幅称为结构因子，其振幅F F为结构振幅。为结构振幅。 74p系统消光有系统消光有点阵消光点阵消光与与结构消光结构消光两类。两类。p点阵消光点阵消光取决于晶胞中原子取决于晶胞中原子( (阵点阵点) )位置而导致的位置而导致的F F2 2=0=0的的现象。现象。p实际晶体中，位于阵点上的结构基元若非由一个原子组实际晶体中，位于阵点上的结构基元若非由一个原子组成，则结构基元内各原子散射波间相互干涉也可能产生成，则结构基元内各原子散射波间相互干涉也可能产生 F F 2 2=0=0的现象，此种在点阵消光的基础上，因结构基元内的现象，此种在点阵消光的基

65、础上，因结构基元内原子位置不同而进一步产生的附加消光现象，称为原子位置不同而进一步产生的附加消光现象，称为结构结构消光消光。 每个晶胞只有一个原子，坐标位置（每个晶胞只有一个原子，坐标位置（000） FHKL 2f a2cos22 (0)+sin22 (0)=fa2 所以，对于简单点阵，所以，对于简单点阵，FHKL不受不受HKL的影响，的影响，即即HKL为任意整数时，都能产生衍射。为任意整数时，都能产生衍射。简单点阵简单点阵点阵消光点阵消光底心点阵底心点阵 每个晶胞中有每个晶胞中有2个同类原子，其坐标分别为个同类原子，其坐标分别为(000)和和( 0)。原子散射因子相同，都为原子散射因子相同，

所以，在底心点阵的情况下，所以，在底心点阵的情况下， FHKL2 不受不受L的影响，的影响，只有当只有当H、K全为奇数全为奇数或或全为偶数时才能产生全为偶数时才能产生衍射。衍射。体心立方体心立方 每个晶胞中有每个晶胞中有2个同类原子，其坐标分别为个同类原子，其坐标分别为(000)和和( )。原子散射因子相同，都为。原子散射因子相同，都为fa。 FHKL 2= f a2cos2

　　12MeV 无损检测用驻波电子直线加速器总体技术设计的主要是根据要求制定加速器的主要参数并对系统各个主要部分的设计思路、要点及最终设计方案进行说明。

　　合同规定的对加速器的技术考核指标，主要包括：

　　依据技术考核指标，设计说明：

　　1)考虑一定的设计余量，在进行加速管设计时，取剂量率≥ 6000cGy/min。m;

　　2)加速管设计时，焦点按≤ φ2mm 设计。如果超过该尺寸，可以通过聚焦线圈进行调节;

　　3)由于超过 10MeV 电子束打靶时，会产生中子，会有一定的感生辐射残留。因此在设计初期，要求加速器出束完毕后，需要等待一段时间再进入曝光室操作。这无形中增加了每张底片的处理时间，降低了效率。为此，新增一档 9MeV 能量，用于对较薄工件进行无损检测，提高效率。而通过设备研制完成后对感生辐射进行的实际测量来看，感生辐射在要求范围内，不会影响检测效率。

　　加速管是加速器设备的核心部件，加速管的设计参数决定了加速器设备能够达到的技术指标。

　　1 加速管技术设计

　　加速管的主要设计指标：

　　3)焦点：≤ φ2mm。

　　加速管技术设计说明：

　　1)驻波加速管结构设计;

　　2)加速管主要设计参数。

　　驻波电子直线加速器的能量增益公式如下：

　　(4)加速管长度 L

　　3)加速管涉及的其他问题

　　(3)聚焦导向线圈

　　2 微波源技术设计

　　峰值输出功率：3.1MW

　　灯丝电流：8.0A

　　灯丝启动电流：不大于 20A

　　阴极预热时间：最小 10min

　　阳极电流：115A

　　阴极高压：-50kV

　　输出驻波比：1.1 ∶ 1

　　电压上升率：小于 120kV/μS

　　最大占空比：1.35‰

　　2)磁控管选定的工作参数

　　参照上述性能参数及典型应用，我们选定磁控管工作参数如下：

　　阳极电流：110A

　　脉冲宽度(半高)：4.5 μS

　　3)磁控管注意事项说明

　　(1)MG6090 磁 控 管 与 常 用 的 MG5193、MG5125 磁控管在外形结构上有很大不同，磁控管的阴极垂直磁极面，从磁极中心伸出，因此传统的 C 型磁铁无法使用，必须使用 E2V 公司配套的MG6053 电磁铁。

　　(2)由于 MG6090 磁控管在高功率下的回轰现象更为严重，因此，除了灯丝切换之外，还需要对阴极进行强迫风冷，以保证良好的散热。

　　如上所述，考虑到照相工作效率及薄工件的透照灵敏度，除了 12MeV 以外，增设 9MeV 能量档。根据前述公式：

　　可知，在加速管的特性参数βc、ZT2、L 已经确定的时候，要想降低能量，唯有降低 P0并增大I。能量调变涉及的参数变化很多，主要有:

　　1)降低磁控管阳极电流，以降低进入到加速管的微波功率;

　　2)减低电磁铁磁场，保证磁控管最佳状态工作;

　　3)提高电子枪注入高压增加发射电流;

　　4 调制器技术设计

　　调制器的主要作用是给磁控管和电子枪提供一定宽度的高压脉冲，它的性能参数主要取决于磁控管的工作状态。调制器的设计主要依据MG6090 磁控管工作参数而定，同时考虑 12/9MeV能量切换要求。采用线型调制器技术方案。

　　高压主回路由高压变压器、三相整流滤波电路、充电电感、脉冲形成网络(PFN)、闸流管、脉冲变压器等组成，用于对 PFN 的充电，以及PFN 对脉冲变压器放电。除此之外，还有触发电路、反峰电路、De-Q 电路、波头匹配、高压过流电路、灯丝供电等辅助电路。

　　调制器高压主回路设计说明：

　　1)脉冲形成网络(PFN)特性阻抗的选择

　　脉冲形成网络(PFN)的特性阻抗 ，通常取r =25Ω或r =50Ω，以便使PFN 的特性阻抗与PFN 到脉冲变压器之间的高频电缆的特性阻抗相匹配。市售高频电缆的特性阻抗一般为 50 Ω，如果 PFN 的特性阻抗也取 50 Ω，则通过计算可知，PFN 的充电电压较高，约 33kV，不利于绝缘及安全，因此选用 PFN 特性阻抗r =25Ω，这样计算出来的充电高压约为 23kV，较 50 Ω时大为降低，只是这种情况需要两根高频电缆并联，这也是通常的做法。

　　2)脉冲波形的要求

　　上面提到磁控管阳极电流的脉冲宽度设计为4.5μS，而事实上，当磁控管阴极高压降到一定程度时，磁控管即停振，阳极电流降为 0，因此阴极高压要比阳极电流的宽度略宽，通常宽大约 0.3 μS。因此，调制器设计时，PFN 脉宽取 4.8 μS。

　　磁控管额定脉冲电压在 49kV，阳极电流110A，考虑一定余量，按 50kV，110A 设计，以便调试时如果能量或剂量率不满足要求，可适当提高阳极电流至 112A ～ 115A。

　　考虑到磁控管规定阴极电压上升率必须小于120kV/μS，而磁控管高压约 50kV，因此上升前沿选择在 0.5 ～ 1.0 μS 较为合适。

　　PFN 的特性阻抗 r 与磁控管反映在脉冲变压器原边的阻抗RH之间存在三种匹配关系，即匹配、正失配和负失配。一般采用负失配方案，以加快闸流管的消电离。由于磁控管的磁场由电磁铁产生，因此基本可以忽略磁场随时间的衰退产生的磁控管阻抗变小，引起负失配加重的发生。磁控管打火等严重的负失配可通过反峰电路来消除。

　　磁控管未起振前，其阻抗无穷大，在脉冲变压器的初级电压波形的上升前沿上将会产生非常大的过冲，会导致脉冲变压器或高频电缆损坏。因此需要在脉冲变压器初级并联一个 RC 串接电路，使之在脉冲上升期间与脉冲变压器初级阻抗相同，呈现匹配状态。

　　除了温度影响外，磁控管阳极电流幅度的快变化也会影响输出微波的频率，进而影响加速器输出剂量的稳定。这种快变化 AFC 无法自动调整，只能通过稳定阳极电流的方法解决。一般要求阳极电流稳定度在 0.1% 以上，一般采用 De-Q 电路实现。

　　另外，由于 De-Q 负载承受的功率有限，而当能量档切换至 9MeV 时，将有更大的功率加在De-Q 负载上。因此必须采取措施，降低高压变压器的输出，以减小 De-Q 负载负荷。

　　驻波加速器的工作频带很窄，几十千赫兹的频率变化就会导致磁控管微波功率严重反射，从而使加速器输出剂量率急剧下降。为此，需要保证磁控管输出微波频率与加速管谐振频率一致。

　　另外，由于能量调变时，磁控管输出微波频率随之发生较大变化，因此，需要对 12MeV、9MeV能量分别设置预置位置，确保加速器良好的剂量率上升率。为了补偿这种频率的变化对加速器正常工作的影响，需要实时调节磁控管的频率，使之与加速管的谐振频率保持一致。这就是自动频率控制(AFC)系统要实现的目的。自动频率控制系统采用常见的锁相调频技术方案.

　　6 控制系统技术设计

　　12MeV 直线加速器，主要由加速器机头、调制器、控制台、水冷系统、安全联锁系统等组成，如图 1 所示。为了能够使设备安全有效的工作，12MeV 直线加速器要求有更加稳定、可靠、安全的控制系统。控制系统能够使得加速器的机头、调制器、控制台、水冷系统等有机的联系起来，达到最佳的工作状态。

　　控制系统设计采用集中控制方式。

　　为了保证加速器控制系统的可靠性和稳定性，不在机头内放置 CPU 控制器和存储芯片。因此控制系统采用集中控制的方式，把控制器放置到操作台，与位于检测大厅的机头线缆连接。

　　操作控制有两种方式，控制台按钮式操作和计算机操作。按钮设置在控台上，操作人员可以方便的进行开机、待机、出束、停束、设置剂量等操作。计算机操作是通过在计算机显示器上进行开机、待机、设置剂量的操作。两种控制方式可以互相切换。方便用户操作。

　　控制电路系统采用西门子 PLC 可编程序控制器 S200 系列的 CPU226。CPU226 模块集成了24I/16O 共 40 个数字量 I/O 点。它可连接 7 个扩展模块，最大可扩展至 248 路数字量 I/O 点或 35路模拟量I/O点。有13k字节程序和数据存储空间，6 个独立的 30kHz 高速计数器，2 路独立的 20kHz高速脉冲输出，2 个 RS485 通讯 / 编程口，具有PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。系统中 CPU226 又扩展了两块本地 16I/16O 模块EM223 如图 2 所示。

　　6.3 保护电路设计

　　为使加速器系统正常运行，控制系统中设有许多保护电路。每个保护电路的信号都输入到PLC 控制器，通过与上位机连接，在上位机显示出相关保护信息，方便操作人员处理。当部件的工作条件不能满足工作要求时，保护电路动作，提示操作人员注意。根据保护电路的等级，这些信号又分为状态提示信号和故障报警信号。当故障报警信号发生在出束过程时，将会立刻切断高压，使系统退出出束状态。以下是部分保护电路的设计介绍。

　　加速器中的加速管是电真空器件，由钛泵来维持加速管真空。当加速管真空度变差偏离要求时，保护电路动作报警。真空保护电路通过检测钛泵工作时的微小电流实现对加速管真空度监测。钛泵电流正常时很小，一旦变大，说明真空度变差。 超过设定值时，保护电路动作，提示不能加高压出束。待加速管正常后，再重新进入工作状态。设计专门的真空保护板，对信号进行放大滤波提取，输入到 PLC。

　　在加速器系统中，水冷却系统是一个重要的系统。机头内部几个重要的部件如加速管、磁控管、环流器、脉冲变压器等都需要水冷却，水冷系统能够自动加热和制冷以保持机头内在工作过程中保持恒温。而水流检测就是保证有足够流量的水流过部件以达到冷却效果。一旦水流不正常，机头内的水流量检测开关会发出报警信号。只有水流量正常后，才能工作。

　　为了提高波导内微波传输绝缘效果，在波导内充入绝缘气体 SF6气体。按照磁控管及波导的要求，气体压力设定有上限和下限保护，当充气压力过大可能导致波导承受压力大，过小起不到绝缘的良好效果。因此当气压不正常时，会发出报警信号。

　　12MeV 加速器中磁控管、加速管在进入高压工作状态前，要对其灯丝进行预热，并分为 3 分钟低预热和 7 分钟高预热状态。在预热过程中，按照对灯丝的供电电压和电流的要求，使磁控管和加速管的处于最佳工作状态。当灯丝电压和电流不正常时，会发出报警信号。

　　电离室是 X 射线检测的装置。电离室要求 -400V 的电源供电。对其保护主要是对其供电电源进行保护，当 -400V 电压不正常时对损坏电离室，因此保护系统实时检测 -400V，出现异常会报警，对电离室做保护。

　　高压保护主要是实时检测出束状态时高压电流，当电流过流情况发生时，马上切断高压。

　　反峰保护主要是对磁控管进行保护的，一旦系统内部负载不匹配，发生打火现象，反峰保护系统起作用，切断高压，发出反峰报警信号。

　　12MeV 直线加速器磁铁采用电磁铁，电磁铁电源若工作不正常，回馈信号发生变化，会启动保护系统。

　　对于 12MeV 直线加速器，磁控管除了用水冷却外，还需要风冷系统，对磁控管进行冷却。因此风冷的保护系统也是对磁控管的保护。一旦风冷不正常或者停止工作。保护系统会马上启动。

　　6.4 安全联锁系统设计

　　对加速器来讲，辐射安全是极为重要的，因为加速器能量高、剂量高，出束过程中不许有人误入检测室。加速器设计有安全联锁系统，加速器调制器外围设置屏蔽网，以防止有人误把手探入，并设有屏蔽网开关，如果屏蔽网被拆，则控制系统无法开启进入高预热状态。

　　在机头、调制器、控制台及检测室四周，分别设置急停开关，当发生紧急情况时，可以按下急停开关。加速器会马上断电，以保护人员及设备的安全。

　　加速器与检测室大门、小门等所有门进行联锁，当有任一个门打开或者没有关好时，加速器用户指示灯会报亮，无法加高压出束。加速器安全联锁箱，配有钥匙联锁，当操作人员进入检测室时，拔下任意一把钥匙，此时加速器无法出射线。加速器在加高压出束前，会发出 10 秒的预警信息，此时检测室内会有刺耳的声音，以警告误留检测室内人员迅速离开。

　　6.5 能量切换系统设计

　　为了满足现场的实际需求，实现 9MeV 和12MeV 的切换。能够在 9MeV 状态下运行又能够在 12MeV 状态运行。以满足不同厚度的产品的检测要求。为此系统设计了切换控制系统。

　　作者简介：刘建辉 (1979-)，男，河北石家庄人，工程师，主要从事电子直线加速器技术研究。

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  第十六届全国初中应用物理知识竞赛初赛试卷

  一、选择题  以下各小题给出的四个选项只有一个是正确的，把正确

  选项前面的字母填在题后的括号内(每小题3分，共15分)。

      1．小亮同学从超市买来一个玻璃瓶装的铁皮盖罐头，想把瓶盖打开，可是怎么也拧不动。小亮的哥哥用螺丝刀沿瓶盖的边轻轻撬了几下，一拧就打开了。这主要是因为用螺丝刀撬瓶盖可以  【 

  A．增大瓶盖直径，减小瓶盖侧壁对瓶的压力

  B．减小瓶盖与瓶口的接触面积

  C．减小瓶内外气体的压力差

  D．由于撬了盖的一边，而增大了盖的另一边的压力

    A．加强铁塔的稳定性

    C．防雷电，起到避雷针的作用

    D．作为备用线，供输电线断开时应急使用

  3．用普通照相机拍照时，要按被照物体距相机镜头的远近进行“调焦”，使用起来不太便捷。有一种“傻瓜”相机，只要把想拍摄的景物全部纳入取景器内，不论远处还是近处的物体，在照片上都比较清晰，从而使拍照的过程变得十分快捷。这种“傻瓜”相机不用“调焦”的奥秘是  【 

      A．采用了长焦距的镜头，使远近不同的物体成像的位置相差不大

      B．采用了短焦距的镜头，使远近不同的物体成像的位置相差不大

      C．采用了长焦距的镜头，使远近不同的物体成像的位置相同

      D．采用了短焦距的镜头，使远近不同的物体成像的位置相同

  4．磁带录音机既可以录音，也可用以放音，其主要部件为运行的磁带和绕有线圈的磁头。录音时，磁带上的磁粉被由声音信号转化而来的电流产生的磁场所磁化，这样便将声音信号转化为磁信号记录在磁带上；放音时，再把磁带上的磁信号通过磁头转化为电信号使扬声器发声。对于录音机录音、放音过程的基本原理，下列各种说法中正确的是  【 

      A．录音的基本原理是电磁感应，放音的基本原理是电流的磁效应

      B．录音的基本原理是电流的磁效应，放音的基本原理是电磁感应

      C．录音和放音的基本原理都是电流的磁效应

      D．录音和放音的基本原理都是电磁感应

  5．王勇同学在宾馆饭店看到一种自动门，当有人靠近时，门会实现自动开闭。王勇同学对此产生了浓厚的兴趣，他很想知道自动门是如何实现自动控制的。为此他反复做了几次试验：当他轻轻地靠近自动门时，门自动打开；当把一个足球滚向自动门时，门自动打开；当把一面底部装有滚珠的无色透明大玻璃板，直立着滑向自动门时，门不打开。王勇同学根据探究试验的结果，对自动门的自控原理提出了以下几种猜想，你认为其中最合理的猜想是  【 

      A．自动门“听”到来者的声音时，通过声控装置实现自动开闭

      B启动门探测到靠近的物体发射出的红外线，通过光控装置实现自动开闭

      C自动门本身能发射出一种红外线信号，当此种信号被靠近的物体反射时，就会实现自动开闭

      D．靠近门的物体通过空气能产生一种压力传给自动门，实现自动开闭

  二、填空题(共15分)

      1．(3分)如图3所不，小婷乘汽车到姥姥家去度假，汽车在平直公路上行驶。小婷的感觉是：远处的村庄相对于电线杆在向_________运动；近处的小树相对于电线杆在向_______运动；电线杆周围的景物看起来好像在绕电线杆做_____时针

      2．(3分)列车上出售的食品常常放在如图4所示的小推车上，若货物均匀摆在车内，当前轮遇到障碍物A时，售货员向下按扶把，这时手推车可以视为杠杆，支点是_____(写出支点位置的字母)；当后轮遇到障碍物A时，售货员向上提扶把，这时支点是______。后一种情况下，手推车可以视为______力杠杆。

      3．(3分)在海拔3000 m以上的高原地区，汽车发动机的冷却水容易沸腾，这是因为高原地区_______的缘故。常年生活在平原地区的人到达该地区后，由于空气稀薄会产生缺氧反应，为了得到足够的氧气，人会不自觉地进行深呼吸，这时肺的容积与在平原上相比要扩张得更_______(选填“大”或“小”)一些。

  4．(3分)汽车上的机械式里程表是用安装在轮上的一组计数齿轮来实现计数的，而这些计数齿轮又通过特定的传动装置被车轮的转动所驱动。同时车轮的转动还通过特定的传动装置，传递给由电磁感应原理制成的传感器，传感器再将反映车轮转动情况的电信号显示在速度表上，从而指示此时的车速。当轮胎用久了有明显的磨损后，就会使所计里程和指示的时速产生误差。若里程表记录里程为12000 km，则汽车实际行驶的里程将 _______(填“大于”、“小于”或“等于”)示数；若此车从北京驶往上海，以速度表上指示的时速为依据，对整个行程所估算的行驶时间将________(选填“大于”、小于”或“等于”)实际行驶时间。

      5．(3分)2005年春节晚会上，一群聋哑青年用精美绝伦的舞蹈“千手观音”给人以美的享受，善的启迪。

      (1)如图5所示，观众看不见领舞者邰丽华身后站着的其他舞蹈者，这是因为光是______________传播的。

      (2)在观看演出的过程中，我们虽然没有看到乐队却也能分辨出是何种乐器在发声，这主要是因为不同乐器所发声音的_________是不同的。

      (3)电视观众看到莲花座上的千手观音身披绚丽霞光，这些光是由________、_______、______三原色依不同的比例混合而成的。

    1．(4分)火箭点火发射时，若高温火焰向下喷射到发射台上，发射台就会被烧

  毁。为了保护发射台，在它的底部建造了个大水池，从而巧妙地解决了这个技术问题。

      (1)火箭发射时，底部喷出的庞大的白色气团(图6)是由什么组成的?它是怎样形成的?

  (2)分析“大水池”对发射台起到保护作用的道理。

    2．(4分)在高压输电线路中常可看到 如图7所示的一些绝缘子。请说明为什么悬挂高压输电线的绝缘子的表面要涂光亮的瓷釉，而且做成一节一节的?

  3．(4分)小志家买了一种点缀节日用的小彩灯，他发现当其中一个小彩灯的灯丝烧断了以后，其余的小彩灯还能继续发光。于是小志对小彩灯之间的连接关系产生了兴趣，为此他请教了科技人员，得到以下信息。

    他用的小彩灯规格是“2．5 V，0．25 A”，通过串联一定数量的小彩灯，使单个小彩灯两端所加的电压比它的额定电压稍低，每个小彩灯都能基本正常发光。

      小彩灯的构造如图8所示，在灯丝导电支架上除了有灯丝和起固定作用的小玻璃珠以外，还绕有约4圈细金属丝。灯丝电阻冷时约为2．5 Ω，热时约为15 Ω。

      细金属丝的电阻为1 Ω，正常(低压)情况下，由于支架表面有一层氧化铜的缘故，它与灯丝支架是不导通的，没有电流流过。若加上较高的电压(如220 V)时氧化层可被击穿，细金属丝与灯丝支架导通。

      根据以上介绍的资料，请你说明为什么一个小彩灯的灯丝烧毁后，其他的小彩灯还能继续发光。

      4．(4分)向阳中学广播室想借助于双刀双掷开关控制南北两教学楼的喇

  叭：开关掷向A端时南面的三只喇叭接通，掷向B端时南北六只喇叭全部接通。

  请你用笔画线代替导线按上述要求完成图9中的电路图。

    5．(6分)长期以来，实心粘土砖一直是我国主要的建筑材料。由于粘土砖在生产过程中存在着诸多弊端，国家有关部门提出了减少粘土砖使用率、倡导新型

  材料的要求。如图10所示的空心水泥砖就是新型建筑材料的一种。请你从节能与环保等方面分析，使用空心水泥砖比使用实心粘土砖有哪些好处。(至少写出三条)

   四、(6分)李明同学家要买一个烧水用的水壶，超市里有两种容积相同但品种

  不同的铝质水壶可供选购，一种是放在液化气灶上用的，另一种是壶内装有电热器的，如图ll所示。李明想比较哪一种水壶烧水更省钱。他首先进行了调查，得到如下资料：当地居民用电的价格是0.5元／度；瓶装液化气的价格是60元／瓶(每瓶中液化气的质量约为15 kg，液化气的热值为4.2×10⁷J／kg),用液化气烧水的热效率约为30％，用电热水壶烧水的热效率约为90％。根据以上信息，请你通过计算分析一下用哪种水壶烧水更省钱。

      五、(8分)为了保护环境，治理水土流失，学校的环保小组设计并进行了河水含沙量的研究。

    第一阶段是理论分析：分别以ρ_水、ρ_沙、ρ_泥水表示水、泥沙、泥沙水的密度，以x表示每立方米泥沙水中所含泥沙的质量(称做含沙量)，导出了ρ_泥水与ρ_水、ρ_沙、x的关系式；然后作出了泥沙水的密度ρ_泥水随含沙量x变化的图象。

    第二阶段是实验验证：在一个量筒里放入一定量干燥的黄土，再倒入一定量的清水，计算出含沙量x，并测出泥沙水的密度ρ_泥水；接着再多次加入清水配制成不同密度的泥沙水，进行同样的计算和测量，由此得出ρ_泥水与x的多组数据；然后根据这些数据作出了表示泥沙水的密度与含沙量关系的ρ_泥水－x图象。他们惊喜地发现，实验结果与理论分析是一致的。

      第三阶段是实际测量：在一次山洪冲刷地面时，他们采集了40 L的水样，称出其总质量为40.56kg。此前已经测出干燥的泥沙的密度ρ_沙：2.4×10³kg／m³，于是求出了洪水中的平均含沙量。

      (1)请你参与环保小组第一阶段的工作，导出ρ_泥水与ρ_水、ρ_沙、x的关系式。然后根据关系式作出泥沙水的密度ρ泥水随含沙量x变化图象的草图。

  (2)请你参与环保小组第三阶段的计算工作，求出洪水中的平均含沙量。

      六、(10分)现在很流行的数码相机的主要优点是可以直接生成数码照片，从而可以方便地进行编辑与加工，保存的时间也更长。而且数码照片还可以直接在

  电脑上显示出来，或者通过电子邮件传送出去。

      下面是一款数码相机的电池的一些资料。根据右面提供的信息以及下面对数码相机工作过程的介绍，回答相关问题：

      (1)数码相机的电源打开后，就处于待机状态，这时要消耗一定的电能；拍摄时，拍摄与处理数据所消耗的电能就更大。假设用一个充满电的电池作电源进行拍照，每5min拍一张照片，相机使用过程中的平

  均工作电流为0.2A。请估算一节充满电的电池最多可以拍摄多少张照片。

      (2)对一个电能已全部耗尽的这种电池进行完全充电，充电的效率多大?

  七、(12分)空调的“匹数”，是对空调输入功率的粗略标识。因相同匹数不同品牌空调的制冷效能有较大的差异，为便于比较，空调的效能常以“制冷量”来表示。在选择空调时，除了制冷量和制热量(对冷热空调而言)外，还要考虑“能效比”。

  空调的能效比=，它表示空调器是否高效节电。目前市场上空调器的能效比相差很大，一般在2～3之间，最高的可达到3．5左右，应尽量挑选能效比高的空调。房间所需的制冷量和制热量可按下面的公式计算：制冷量Q_冷＝S（房间面积）×140w－180 w；制热量Q_热=S(房间面积)×180 W－240 W(此公式适用于层高2．5 m的房间，如果层高偏大，则应适当加大功率)。

      下表是小明家准备购买的某一型号空调的使用说明书的一部分。

      请结合上面所介绍的知识和空调使用说明书，通过计算回答下面的问题：

      2小明家新购买楼房客厅的面积约为30 m2，层高为2．7 m，他想在客厅内安装上表所示的空调。请你通过计算说明这种选择是否合理。

      3．若小明家用此空调器制冷，空调器的压缩机每天实际工作6 h，一个月仅空调一项所支付的电费约为多少?(当地的电价为0.5元／度)

      八、(12分)小军家客厅墙壁上有一个控制灯的开关和一个两孔插座装在一起的“一开两孔”的电工元件。图12是元件的面板、图13是元件壳体内部的原接线图。由于开关损坏，需要更换整个元件。小军爸爸决定自己动手完成，小军给爸爸当助手。

      小军爸爸断开家中进户线的总开关，在拆旧换新的过程中发现：拆下前没有留意元件中的A、B、D三根导线(B、C间已有一短导线在内部相连)与外面的①②③三根导线的连接关系(如图14)，因为室内导线都在水泥墙内，无法观察①②③各导线与墙内导线的连接情况。

    于是他闭合家中进户线的总开关，用试电笔检测各根导线，发现：第①根导线可以使试电笔发光；第②、⑨根导线不能使试电笔发光。

    根据小军爸爸的检测，能不能判断各根导线的连接情况?

  小军经过仔细思考后认为，不能判断每根导线的连接情况，如果在情况不明时盲目连接还可能出现更严重的问题。

      (2)你能不能利用常用的家用电器，如台灯等(均带有插头)，鉴别出①②③根导线应怎样分别与A、B、D接线柱相连接?说出你的方法并简述理由。

      (3)根据你的判断，将图14中①②⑧根导线与下面的A、B、D接线柱和上面的火线、零线及灯泡连接起来。

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  第十六届全国初中应用物理知识竞赛初赛试卷

  一、选择题  以下各小题给出的四个选项只有一个是正确的，把正确

  选项前面的字母填在题后的括号内(每小题3分，共15分)。

      1．小亮同学从超市买来一个玻璃瓶装的铁皮盖罐头，想把瓶盖打开，可是怎么也拧不动。小亮的哥哥用螺丝刀沿瓶盖的边轻轻撬了几下，一拧就打开了。这主要是因为用螺丝刀撬瓶盖可以  【 

  A．增大瓶盖直径，减小瓶盖侧壁对瓶的压力

  B．减小瓶盖与瓶口的接触面积

  C．减小瓶内外气体的压力差

  D．由于撬了盖的一边，而增大了盖的另一边的压力

    A．加强铁塔的稳定性

    C．防雷电，起到避雷针的作用

    D．作为备用线，供输电线断开时应急使用

  3．用普通照相机拍照时，要按被照物体距相机镜头的远近进行“调焦”，使用起来不太便捷。有一种“傻瓜”相机，只要把想拍摄的景物全部纳入取景器内，不论远处还是近处的物体，在照片上都比较清晰，从而使拍照的过程变得十分快捷。这种“傻瓜”相机不用“调焦”的奥秘是  【 

      A．采用了长焦距的镜头，使远近不同的物体成像的位置相差不大

      B．采用了短焦距的镜头，使远近不同的物体成像的位置相差不大

      C．采用了长焦距的镜头，使远近不同的物体成像的位置相同

      D．采用了短焦距的镜头，使远近不同的物体成像的位置相同

  4．磁带录音机既可以录音，也可用以放音，其主要部件为运行的磁带和绕有线圈的磁头。录音时，磁带上的磁粉被由声音信号转化而来的电流产生的磁场所磁化，这样便将声音信号转化为磁信号记录在磁带上；放音时，再把磁带上的磁信号通过磁头转化为电信号使扬声器发声。对于录音机录音、放音过程的基本原理，下列各种说法中正确的是  【 

      A．录音的基本原理是电磁感应，放音的基本原理是电流的磁效应

      B．录音的基本原理是电流的磁效应，放音的基本原理是电磁感应

      C．录音和放音的基本原理都是电流的磁效应

      D．录音和放音的基本原理都是电磁感应

  5．王勇同学在宾馆饭店看到一种自动门，当有人靠近时，门会实现自动开闭。王勇同学对此产生了浓厚的兴趣，他很想知道自动门是如何实现自动控制的。为此他反复做了几次试验：当他轻轻地靠近自动门时，门自动打开；当把一个足球滚向自动门时，门自动打开；当把一面底部装有滚珠的无色透明大玻璃板，直立着滑向自动门时，门不打开。王勇同学根据探究试验的结果，对自动门的自控原理提出了以下几种猜想，你认为其中最合理的猜想是  【 

      A．自动门“听”到来者的声音时，通过声控装置实现自动开闭

      B启动门探测到靠近的物体发射出的红外线，通过光控装置实现自动开闭

      C自动门本身能发射出一种红外线信号，当此种信号被靠近的物体反射时，就会实现自动开闭

      D．靠近门的物体通过空气能产生一种压力传给自动门，实现自动开闭

  二、填空题(共15分)

      1．(3分)如图3所不，小婷乘汽车到姥姥家去度假，汽车在平直公路上行驶。小婷的感觉是：远处的村庄相对于电线杆在向_________运动；近处的小树相对于电线杆在向_______运动；电线杆周围的景物看起来好像在绕电线杆做_____时针

      2．(3分)列车上出售的食品常常放在如图4所示的小推车上，若货物均匀摆在车内，当前轮遇到障碍物A时，售货员向下按扶把，这时手推车可以视为杠杆，支点是_____(写出支点位置的字母)；当后轮遇到障碍物A时，售货员向上提扶把，这时支点是______。后一种情况下，手推车可以视为______力杠杆。

      3．(3分)在海拔3000 m以上的高原地区，汽车发动机的冷却水容易沸腾，这是因为高原地区_______的缘故。常年生活在平原地区的人到达该地区后，由于空气稀薄会产生缺氧反应，为了得到足够的氧气，人会不自觉地进行深呼吸，这时肺的容积与在平原上相比要扩张得更_______(选填“大”或“小”)一些。

  4．(3分)汽车上的机械式里程表是用安装在轮上的一组计数齿轮来实现计数的，而这些计数齿轮又通过特定的传动装置被车轮的转动所驱动。同时车轮的转动还通过特定的传动装置，传递给由电磁感应原理制成的传感器，传感器再将反映车轮转动情况的电信号显示在速度表上，从而指示此时的车速。当轮胎用久了有明显的磨损后，就会使所计里程和指示的时速产生误差。若里程表记录里程为12000 km，则汽车实际行驶的里程将 _______(填“大于”、“小于”或“等于”)示数；若此车从北京驶往上海，以速度表上指示的时速为依据，对整个行程所估算的行驶时间将________(选填“大于”、小于”或“等于”)实际行驶时间。

      5．(3分)2005年春节晚会上，一群聋哑青年用精美绝伦的舞蹈“千手观音”给人以美的享受，善的启迪。

      (1)如图5所示，观众看不见领舞者邰丽华身后站着的其他舞蹈者，这是因为光是______________传播的。

      (2)在观看演出的过程中，我们虽然没有看到乐队却也能分辨出是何种乐器在发声，这主要是因为不同乐器所发声音的_________是不同的。

      (3)电视观众看到莲花座上的千手观音身披绚丽霞光，这些光是由________、_______、______三原色依不同的比例混合而成的。

    1．(4分)火箭点火发射时，若高温火焰向下喷射到发射台上，发射台就会被烧

  毁。为了保护发射台，在它的底部建造了个大水池，从而巧妙地解决了这个技术问题。

      (1)火箭发射时，底部喷出的庞大的白色气团(图6)是由什么组成的?它是怎样形成的?

  (2)分析“大水池”对发射台起到保护作用的道理。

    2．(4分)在高压输电线路中常可看到 如图7所示的一些绝缘子。请说明为什么悬挂高压输电线的绝缘子的表面要涂光亮的瓷釉，而且做成一节一节的?

  3．(4分)小志家买了一种点缀节日用的小彩灯，他发现当其中一个小彩灯的灯丝烧断了以后，其余的小彩灯还能继续发光。于是小志对小彩灯之间的连接关系产生了兴趣，为此他请教了科技人员，得到以下信息。

    他用的小彩灯规格是“2．5 V，0．25 A”，通过串联一定数量的小彩灯，使单个小彩灯两端所加的电压比它的额定电压稍低，每个小彩灯都能基本正常发光。

      小彩灯的构造如图8所示，在灯丝导电支架上除了有灯丝和起固定作用的小玻璃珠以外，还绕有约4圈细金属丝。灯丝电阻冷时约为2．5 Ω，热时约为15 Ω。

      细金属丝的电阻为1 Ω，正常(低压)情况下，由于支架表面有一层氧化铜的缘故，它与灯丝支架是不导通的，没有电流流过。若加上较高的电压(如220 V)时氧化层可被击穿，细金属丝与灯丝支架导通。

      根据以上介绍的资料，请你说明为什么一个小彩灯的灯丝烧毁后，其他的小彩灯还能继续发光。

      4．(4分)向阳中学广播室想借助于双刀双掷开关控制南北两教学楼的喇

  叭：开关掷向A端时南面的三只喇叭接通，掷向B端时南北六只喇叭全部接通。

  请你用笔画线代替导线按上述要求完成图9中的电路图。

    5．(6分)长期以来，实心粘土砖一直是我国主要的建筑材料。由于粘土砖在生产过程中存在着诸多弊端，国家有关部门提出了减少粘土砖使用率、倡导新型

  材料的要求。如图10所示的空心水泥砖就是新型建筑材料的一种。请你从节能与环保等方面分析，使用空心水泥砖比使用实心粘土砖有哪些好处。(至少写出三条)

   四、(6分)李明同学家要买一个烧水用的水壶，超市里有两种容积相同但品种

  不同的铝质水壶可供选购，一种是放在液化气灶上用的，另一种是壶内装有电热器的，如图ll所示。李明想比较哪一种水壶烧水更省钱。他首先进行了调查，得到如下资料：当地居民用电的价格是0.5元／度；瓶装液化气的价格是60元／瓶(每瓶中液化气的质量约为15 kg，液化气的热值为4.2×10⁷J／kg),用液化气烧水的热效率约为30％，用电热水壶烧水的热效率约为90％。根据以上信息，请你通过计算分析一下用哪种水壶烧水更省钱。

      五、(8分)为了保护环境，治理水土流失，学校的环保小组设计并进行了河水含沙量的研究。

    第一阶段是理论分析：分别以ρ_水、ρ_沙、ρ_泥水表示水、泥沙、泥沙水的密度，以x表示每立方米泥沙水中所含泥沙的质量(称做含沙量)，导出了ρ_泥水与ρ_水、ρ_沙、x的关系式；然后作出了泥沙水的密度ρ_泥水随含沙量x变化的图象。

    第二阶段是实验验证：在一个量筒里放入一定量干燥的黄土，再倒入一定量的清水，计算出含沙量x，并测出泥沙水的密度ρ_泥水；接着再多次加入清水配制成不同密度的泥沙水，进行同样的计算和测量，由此得出ρ_泥水与x的多组数据；然后根据这些数据作出了表示泥沙水的密度与含沙量关系的ρ_泥水－x图象。他们惊喜地发现，实验结果与理论分析是一致的。

      第三阶段是实际测量：在一次山洪冲刷地面时，他们采集了40 L的水样，称出其总质量为40.56kg。此前已经测出干燥的泥沙的密度ρ_沙：2.4×10³kg／m³，于是求出了洪水中的平均含沙量。

      (1)请你参与环保小组第一阶段的工作，导出ρ_泥水与ρ_水、ρ_沙、x的关系式。然后根据关系式作出泥沙水的密度ρ泥水随含沙量x变化图象的草图。

  (2)请你参与环保小组第三阶段的计算工作，求出洪水中的平均含沙量。

      六、(10分)现在很流行的数码相机的主要优点是可以直接生成数码照片，从而可以方便地进行编辑与加工，保存的时间也更长。而且数码照片还可以直接在

  电脑上显示出来，或者通过电子邮件传送出去。

      下面是一款数码相机的电池的一些资料。根据右面提供的信息以及下面对数码相机工作过程的介绍，回答相关问题：

      (1)数码相机的电源打开后，就处于待机状态，这时要消耗一定的电能；拍摄时，拍摄与处理数据所消耗的电能就更大。假设用一个充满电的电池作电源进行拍照，每5min拍一张照片，相机使用过程中的平

  均工作电流为0.2A。请估算一节充满电的电池最多可以拍摄多少张照片。

      (2)对一个电能已全部耗尽的这种电池进行完全充电，充电的效率多大?

  七、(12分)空调的“匹数”，是对空调输入功率的粗略标识。因相同匹数不同品牌空调的制冷效能有较大的差异，为便于比较，空调的效能常以“制冷量”来表示。在选择空调时，除了制冷量和制热量(对冷热空调而言)外，还要考虑“能效比”。

  空调的能效比=，它表示空调器是否高效节电。目前市场上空调器的能效比相差很大，一般在2～3之间，最高的可达到3．5左右，应尽量挑选能效比高的空调。房间所需的制冷量和制热量可按下面的公式计算：制冷量Q_冷＝S（房间面积）×140w－180 w；制热量Q_热=S(房间面积)×180 W－240 W(此公式适用于层高2．5 m的房间，如果层高偏大，则应适当加大功率)。

      下表是小明家准备购买的某一型号空调的使用说明书的一部分。

      请结合上面所介绍的知识和空调使用说明书，通过计算回答下面的问题：

      2小明家新购买楼房客厅的面积约为30 m2，层高为2．7 m，他想在客厅内安装上表所示的空调。请你通过计算说明这种选择是否合理。

      3．若小明家用此空调器制冷，空调器的压缩机每天实际工作6 h，一个月仅空调一项所支付的电费约为多少?(当地的电价为0.5元／度)

      八、(12分)小军家客厅墙壁上有一个控制灯的开关和一个两孔插座装在一起的“一开两孔”的电工元件。图12是元件的面板、图13是元件壳体内部的原接线图。由于开关损坏，需要更换整个元件。小军爸爸决定自己动手完成，小军给爸爸当助手。

      小军爸爸断开家中进户线的总开关，在拆旧换新的过程中发现：拆下前没有留意元件中的A、B、D三根导线(B、C间已有一短导线在内部相连)与外面的①②③三根导线的连接关系(如图14)，因为室内导线都在水泥墙内，无法观察①②③各导线与墙内导线的连接情况。

    于是他闭合家中进户线的总开关，用试电笔检测各根导线，发现：第①根导线可以使试电笔发光；第②、⑨根导线不能使试电笔发光。

    根据小军爸爸的检测，能不能判断各根导线的连接情况?

  小军经过仔细思考后认为，不能判断每根导线的连接情况，如果在情况不明时盲目连接还可能出现更严重的问题。

      (2)你能不能利用常用的家用电器，如台灯等(均带有插头)，鉴别出①②③根导线应怎样分别与A、B、D接线柱相连接?说出你的方法并简述理由。

      (3)根据你的判断，将图14中①②⑧根导线与下面的A、B、D接线柱和上面的火线、零线及灯泡连接起来。

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  二OO八年佳木斯市初中毕业学业考试

  1．考试时间120分钟．

  2．全卷共六道大题，总分100分

  一、单项选择题（每小题2分，共24分．每小题只有一个选项是正确的，请把正确选项的字母填在题后的括号内）

  1．你所答的这张物理试卷放在水平桌面上静止时，下列说法正确的是（    ）

  A．它对桌面的压力和桌面对它的支持力是平衡力

  B．它所受到的合力为零

  C．因为它是静止的，所以没有受到力的作用

  D．因为它受到摩擦力，所以静止在桌面上

  2．下列图中的现象和做法为了增大压强的是

  3．某同学对一些物理量进行了估测，其中最接近实际的是（    ）

  4．在日常生活和生产活动中，有时要增大摩擦力，有时又要设法减小摩擦力，下列四个实例中属于减小摩擦力的是（    ）

  5．关于光学器材或设备，下列说法错误的是．（    ）

  A．照相机、幻灯机的镜头都相当于凸透镜

  B．潜望镜利用了光的反射

  C．近视眼是将像成在了视网膜的后面

  D．电视机的遥控器可以发射出红外线

  6．在运动场上常见到这样一些场景，其中表现出的现象不能用惯性知识解释的是（    ）

  A．短跑运动员跑到终点后不能立即停下来

  B．跳远运动员要助跑一段距离才起跳

  C．投掷铅球时，铅球离开手后继续向前运动

  D．跳高运动员跳过后从最高点落向地面

  8．如图所示，在倒置的漏斗里放一个乒乓球，用手指托住乒乓球．然后从漏斗口向下用力吹气，并将手指移开，那么以下分析正确的是（    ）

  A．乒乓球会下落，因为其上方气体流速增大，压强变小

  B．乒乓球会下落，因为其上方气体流速增大，压强变大

  C．乒乓球不会下落，因为其上方气体流速增大，压强变小

  D．乒乓球不会下落，因为其上方气体流速增大，压强变大

  A．整理器材，结束实验

  B．分析数据，得出结论

  C．换用不同规格的小灯泡，再测出几组电压值

  D．换用电压表的另一量程，再测出一组电压值

  二、多项选择题（每小题3分，共9分．每小题有两个或两个以上选项是正确的，请把正确选项的字母填在题后的括号内．选项不全但都正确的得1分，有错误选项不得分）

  13．北京奥运游泳场馆“水立方”是世界上唯一一个全由膜结构来进行全封闭的大型公共建筑，它采用的ETFE膜，只有一张牛皮纸厚，捧在手上轻若鸿毛；它可以被拉伸到自身的三到四倍也不会断裂；它的耐火性、耐热性也非常出色；此外，即便是冰雹撞击薄膜的巨响也不能传递到场馆之内，此建筑材材料的特点有（    ）

  15．如图所示，电源电压保持不变．当闭合开关后，滑动变阻器的滑片向左移动的过程中，下列说法正确的是（    ）

  A．电流表示数变大，灯泡变亮

  B．电流表示数变大，电压表示数变大，灯泡变暗

  C．电压表示数变小，灯泡变亮

  D．电流表示数变小，电压表示数变小，灯泡变暗

  三、填空题（每小题2分，共24分．将正确答案写在题中横线上的空白处）

  16．把装有水深为10cm的茶杯放在水平桌面上，如图所示，水对杯底的压强为_______Pa。现要使水对杯低的压强增大，可采取的方法是_____（g取10N／kg）

  l7．某导体的电阻是2Ω，当通过1A电流时，导体的功率是_______W，通电1min时，导体上产生的热量是_______J

  l8．如图所示，我省运动员王濛在年国际短道速滑世界杯的比赛中收获了两枚金牌．滑冰时，冰面在冰刀压力作用下，稍有熔化，由此，你能猜想到冰的熔点可能与_______有关，这层水的作用跟润滑油的作用一样，减小了_______

  19．有一潜水艇悬浮在水中，如图所示．当用压缩空气把水舱中的水排出一部分时，潜水艇将_______（填“上浮”或“下沉”）．在未露出水面之前，潜水艇所受的浮力将_______．（填“变大”“变小”或“不变”）．

  20．雷电是一种剧烈的放电现象，放电时的_______可达十几万安，会对建筑物等造成严重的破坏．因此，北京奥运场馆安装了防雷电定位系统，它由多个定位仪器组成，可以根据接收到闪电产生的_______达到不同定位仪的时间差，精确地测定闪电发生的位置．

  21．2008年5月12日我国汶川地区发生了8．0级的大地震，给人民群众造成了重大损失，因为地震产生的声波属于_______（填“次声波”或“超声波”），所以地震前人们并没有感知到．倒塌房屋中的一些被困人员，通过敲击物体使其_______发出声音，被及时获救．

  22．通电螺线管上方的小磁针静止时的指向如图所示，a端是电源的_______极，c端为通电螺线管的_______极．

  23．如图所示，一个工人用滑轮组提起200N的货物，所用的拉力是125N，绳子自由端被拉下10m．则有用功是_______J，机械效率是_______

  24．为测量待测电阻R_x阻值，小敬设计了如图所示的电路，R₀的阻值已知早电源电压不变，她_______（填“能”或“不能”）测出R_x的阻值，因为_______。

  25。如图所示，凸透镜的焦距为10cm，保持透镜位置不变，当蜡烛在10cm刻度处时，为了在光屏的中心找到像，应调整光屏的_______，并将光屏向_______方向移动（选填“远离透镜”或“靠近透镜"）．

  26．小星家电能表月初的示数如图所示，如果他家一个月用了120度电，则月末电能表的示数应为，他家本月应交电费．_______元（当地电费价格为0．5元／kW．h）

  27．小华用电压表和电流表测量小灯泡的电功率，她用电源电压恒为3V的电池组，额定电压为2．5V的小灯泡等元件连成如图所示的电路．．实验中，小华调节滑动变阻器，发现当电压表的示数为2．5V时，小灯泡却不能正常发光．请分析：在不改变电路连接情况下，当电压表示数为_______V时，小灯泡正常发光，若此时电流为0.3A，则该小灯泡的额定功率为_______W．

  四、实验与探究题（28题5分，29题5分，30题8分，共18分）

  28．小红同学在做“探究平面镜成像”的实验时，将一块玻璃板竖直架在水平台上，再取两段完全相同的蜡烛A和B，点燃玻璃板前的蜡烛A，进行观察，如图所示，在此实验中：

  （1）小红选择玻璃板代替镜子进行实验的目的是_______．

  （2）所用刻度尺的作用是便于比较像与物_______关系．

  （3）选取两段完全相同的蜡烛是为了比较像与物的_______关系．

  （4）移去后面的蜡烛B，并在其所在位置上放一光屏，则光屏上_______接收到蜡烛烛焰的像（选填“能”或“不能"）．

  （5）小红将蜡烛逐渐远离玻璃板时，它的像_______（填“变大”、“变小”或“不变”）．

  29．今年6月8日是我国的传统节日——端午节，法定放假一天．早晨小星正在吃妈妈煮的鸡蛋，忽然想到熟鸡蛋的密度有多大呢？他决定利用身边现有的弹簧测力计、水、水杯、线等器材，自己动手进行测量．请你简述他的实验步骤．

  请对小星的实验过程提出两点注意事项：

  30．我们已进行过“探究欧姆定律”的实验，请回答下列问题。

  （1）请在图甲中把余下部分的电路用笔划线代替导线连接好．

  （2）在某次测量中，电流表的示数如图乙，值为_______A．

  （3）丙、丁两图是某实验小组在探究过程中，根据实验数据绘制的图象，其中表示电阻不变，电流随电压变化的图象是_______（填“丙”或“丁”）．

  （4）在探究电阻一定时，电阻上的电流跟两端电压的关系的过程中，使用滑动变阻器的目的是_______和_______．

  （5）有同学想利用图甲的实验原理测“220V 40W”的白炽灯的额定功率，如果要使实验可行，请对原理图中实验器材的规格提出一条合理的要求．

  【答题示例】：电压表的量程至少要220V．

  如果在家里做测白炽灯功率的实验，因家里一般没有电压表和电流表，所以可以利用家庭中都有的_______和_______测量更方便．

  五、分析与简答题（每小题5分，共10分）

  31．阅读短文，回答下列问题

  2007年10月24日l8时05分，中国西昌卫星发射中心，嫦娥一号卫星从这里开始自己的奔月之旅，开启了中国深空探测的新里程。

  嫦娥一号卫星由长征三号甲运载火箭送入到运行周期约为16小时，近地点200公里，远地点51000公里的轨道，星箭分离后，先在这条轨道运行两圈，在这个期间将在远地点作一次小的轨道变轨，将近地点抬高到600公里，在16小时轨道上运行第三圈到达近地点进行第一次大的轨道变轨，将轨道周期变为24小时。在轨道上运行三圈，再次到达近地点，作第二次大轨道变轨，将轨道周期增加到48小时。

  嫦娥一号卫星在这三条大椭圆轨道上运行共7天，当它在调相轨道运行结束到达近地点时，再做第三次大的轨道变轨，使卫星进入地月转移轨道，随后嫦娥一号卫星将沿着这条轨道飞向月球。

  （1）就你观察图片和文中所提供的相关信息，提出两个与物理知识有关的问题，并解答．

  【答题示例】问题：火箭在升空过程中为什么会越来越快？

  回答：力可以改变物体的运动状态．

  （2）卫星与火箭脱离后，嫦娥一号卫星打开太阳能帆板，其作用是什么？

  32．“炖”菜是佳木斯人喜欢的一道美食，最好的“炖”菜是应用煮食法，即把汤料和水置于炖盅内，而炖盅则浸在大煲的水中，并用蒸架把盅和煲底隔离，如图所示，当煲中的水沸腾后，盅内的汤水是否能沸腾？为什么？（设汤水的沸点与水的沸点相同）

  六、综合运用题（33题8分，39题7分，共15分）

  33．如图，质量为800kg的小轿车，每个轮胎与地面的接触面积为200cm²．

  （1）小轿车对水平地面的压强是多大？（g取10N／kg）

  （2）该车在水平公路上匀速直线行驶18krn，用了10min．如果小轿车的功率为60kw，求它的速度和牵引力各是多大？

  （3、行驶的车辆对环境产生哪些污染？（至少写一条）

  （4）为了减小污染，请你提出一条合理的建议．

  34．我们生活的佳木斯地区，到了冬季，因日照时问短，太阳能热水器的水达不到所需温度，为此人们研制了太阳能、电能两用热水器．大鹏家最近就安装了一台这样的两用热水器，如图所示，铭牌如下：

  （1）太阳能热水器贮满水，水温从20℃加热到50℃时需要吸收多少热量？（1L=10^-3m³）

  （2）大鹏将水箱装满水，只使用电加热器将水从20℃加热到50℃时，需加热器正常工作多长时间？（设电能全部转化为热能）

  （3）在上述（2）情况下，加热器正常工作实际用了3小时，则此热水器的效率为多少？

  （4）仅就太阳能热水器与电热水器相比有哪些优点？（写出一条即可）

• 科目： 来源： 题型：阅读理解

  阅读下面的文字，完成下题。

  人们常将风力发电视为最洁净、无污染的发电技术之一,但风力发电也有它的不足，在风力微弱的情况下，风车翼片无外力推动，就会静止不动，无法发电。另外，如果联网的风车群有部分不工作，只有几台运转就可能出现过载现象。电给人们带来诸多便利，如果没有电，后果难以设想。可是，电通常只能是发多少，消耗多少，难以存储。虽有一些存储方法，但成本昂贵，难以普及。

  在深夜，居民和企业用电均处于低峰，如果是核电站或热力电站，便可以将水压进位于高处的储水站，当需要用电时将水排出,推动涡轮发电机发电。那么,风力发电能否也仿照上述方式，将空气存储起来，到需要时再使用呢？德国工程技术人员找到了一种存储空气的新方法，即在地下建一座大型储气站，用空气压缩机将空气压缩，进行存储。需要时打开阀门，由高压空气推动涡轮机发电。空气排放前，如果再用燃气加热，效率将更高。

  70年代末，德国就建成了世界上第一座空气发电站，它的两个储气站位于地下658米和800米,储气量为31万立方米，足够供功率290兆瓦的发电机组工作3小时。美国Norton电站储气站在地下800米，储气量达900万立方米，可发电2700兆瓦，相当于两个大型核电站的峰值发电量，可满足68万户居民的两天用电。

  目前，该技术除了能应用于空气电站应急发电外，也是一种获取洁净能源的办法。如果将其与风力发电机组合使用，它将开辟一条全新的提供能源的途径。一个风力发电机群加上压缩空气电站，无论从技术还是从经济角度看，均可以与油、燃气、煤或核能一比高下。如我国的内蒙地区，风力资源丰富，建造风力发电机群，加上空气电站，将有取之不尽的能源。

  风速高时，风力发电机群同时工作会出现电力过剩情况，这时就可以将空气压缩进地下储气站，到需要时再放出。

  空气发电技术现在还少有人问津，原因是目前矿物能源的价格太低，以致人们还无需去考虑。一旦矿物能源耗尽，政府对二氧化碳排放标准严加限制，对洁净能源的需求就会骤然而升。当然，空气发电也并非是零排放，但与热力发电相比，仅是它的二十分之一，每度电的二氧化碳排放量为10至15克。如果该技术能够投入使用,那么它将是生态能源领域的一项新突破。

  有关风力发电与空气发电的说法，正确的一项是

  A.风力发电靠的是自然风力，空气发电靠的是人造空气。

  B.利用风力所发的电不能存储；利用压缩空气发的电可以存储。

  C.风力发电因受风力影响而有所不足，而空气发电可以不受风的影响而独立发电。

  D.风力发电受自然条件的限制，稳定性不够；空气发电能用于应急发电，还能获取洁净能源。

  A.核电站或热力电站，在居民和企业用电均处于低峰时，可以将水像压缩空气一样压缩,当需要用电时将水排出，推动涡轮发电机发电。

  B.无论从技术还是从经济角度看，空气发电十分优越，它可以与油、燃气、煤或核能一比高下。

  C.风速高时，风力发电机群同时工作会出现电力过剩情况，可以将空气压缩进地下储气站，到需要时再放出。

  D.空气发电技术现在还少有人问津，因为空气发电不是零排放，而政府对二氧化碳排放限制又很严。

  A.被压缩储存的空气在释放发电前加热，会获得更高的发电效率，核电站或热力电站被压进高处的水也可以仿照这种做法。

  B.空气发电技术是生态能源领域的新突破，它投入使用后，能解决世界的能源危机。

  C.将风力发电和空气发电两者组合，我们将获得比风力发电稳定持久的能源。

  D.一旦矿物能源耗尽，我国必将大力发展风力发电和空气发电，尤其内蒙地区将全面采　用两种发电技术相结合的模式。

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  第十一届全国初中应用物理知识竞赛复赛试题

    一、[8分]1kg20℃的水吸收4.2×10⁵J的热量后，它的可能温度是多少?在下列4个答案中选出正确答案的序号并说明选择该答案的理由。

    二、[8分]小浩制作了一个弹簧测力计，如图l所示，弹簧一共20匝。经检验，该弹簧测力计在测量范围内(0～5N)示数是准确的。该弹簧不但“伸长的长度跟所受的拉力成正比”，而且弹簧受拉力伸长时，各匝伸长的长度都相等。

    有一次不慎把弹簧靠近O端的一小部分挤压变形，小浩把变形的3匝剪去，并把弹簧上端重新固定在D点，然后把指针C适当向下移，使它在弹簧测力计竖直放置时指针C仍指在“0”刻线处。

    1．写出这个新改制的弹簧测力计受到的拉力F与它的示数F测的关系式并说明理由。

  2．用这个新改制的弹簧测力计称量一个重物，它的示数为4.0N，该物实重是多少? 

    三、[10分]1．如图2所示，甲、乙、丙三人要合扛一重物。物重600N，三人肩头所能承受的最大压力均为200N。现有两根一样长的硬棒及必要的绳子(硬棒及绳的自重不计)，请你设计出一种方法，使三人肩头承受的压力都不超过最大压力。画出示意图表示你设计的扛重物方法。

  2．小明推一辆满载重物的独轮车，如图3所示，手握在车把A处(图中未画人)，遇到一个较高的台阶，他自己推不上去，小华赶快跑来帮忙。小华选择了一种最省力且效果最好的施力方法，请画出小华所施力F的示意图。

  四、[20分]教学中常用的投影仪的结构如图4所示，在水平放置的凸透镜的正上方放一与水平成45°角的平面镜，右边竖直放一屏幕。物体的光线经凸透镜和平面镜后，可在屏幕上成一清晰的像。图5是这一装置的示意图，A"B"是物AB的像。图中BO₁=30cm，O₁O₂=20cm，O₂O₃=90cm。

      l．对凸透镜而言，物距和像距各是多少?

  3．若将凸透镜向上移动一点，像将向何方移动?

  4．说明螺纹透镜的作用。

    五、[16分]图6(甲)所示为一个电磁继电器的示意图，a、b是它的两个端点；B是衔铁，D是安在一块金属板上的触点，B和D都安在一个弹性片C上，C的左端固定。c和c’、d和d’分别是安在绝缘板上的金属触点，当线圈A不通电时，D上的触点与c及c’接触，把c和c’连接起来，因此c、c’称为常闭触点；而d及d’此时是断开的，称为常开触点。当线圈A通电时，衔铁B被吸下，c和c’断开而d和d’被连接起来。

      现在利用这个电磁断电器控制带动水泵的电动机工作，使水泵往水箱中抽水。在水箱中竖直立一根绝缘棒，在棒上分别安有P、Q、R三个电极，如图6(乙)所示。现在希望控制水箱内的水位总在Q、R之间，即水位降到Q处，电动机启动，开始抽水，水位达到R处，电动机自动关机，停止抽水。(水是导电的)

      图6(丙)图6(丁)分别是控制电路和电动机的供电电路，图中R₀是与电磁继电器线圈并联的一个电阻，它的阻值很小，当R₀接入电路后，电磁继电器的线圈相当于被短路。丙、丁两图中标有l～6的6个接线柱是与电磁继电器的线圈或触点相连的。

      1．写出这6个接线柱分别与电磁继电器的何处连接。

     2．开始水箱内没有水，说明闭开关S后，水箱内的水位为什么能保持在Q、R之间。

  六、[18分]课外活动小组的同学设计制作了一个电热水孵卵器，他们用两根额定电压和额定功率都相同的电热丝作热源，再连入一个电阻R₀，使这台孵卵器即使断了一根电热丝，单丝工作产生热量的效果仍然与双丝工作时产生的热量效果完全相同。若电源两端的电压为U，两丝的额定电压均为U_L、额定功率均为P_L。

  1．画出孵卵器的电路图。2．R₀的阻值是多大? 3．R₀在单丝工作与双丝工作状态下消耗功率之比是多少?

    七、[20分]小刚家的一个水龙头拧不紧，水一滴一滴断续地滴落到地上。小刚发现，在耳朵听到前一滴水滴在地上的声音的同时，看到下一滴水刚好开始下落(如图7所示)。他为了测算水滴下落的平均速度和一天浪费的水量，找来了秒表和卷尺。首先量出水龙头口离地面的高度h，再用秒表计时。计时的方法是：当听到某一水滴滴在地上的声音的同时，开启秒表开始计时，并数“l”，以后每听到一声水滴声，依次数“2、3……”一直数到“n”时，按下秒表停止计时，读出秒表的示数为t。

      1．写出用上述测量量表示水滴在空中运动的平均速度v的表达式。

  4．小刚为进一步找出水滴下落的平均速度v和下落高度h的关系，又做了以下实验：找来一块挡板，让水滴落到挡板上。改变档板和水龙头口之间的距离h，并仔细调节水龙头滴水的快慢，使得耳朵听到的前一滴水滴在挡板上的声音的同时，下一滴水刚好开始下落。计时方法仍和上面一样。他从实验中又获得了如下表所示的6组数据(连同上面的一组共有7组数据)。请你帮小刚继续完成以下的工作：(1)把这些数据分别标示在图8(甲)(乙)两个坐标系中，并作出相应的图象。其中图8(甲)的纵坐标是水滴在空中的平均速度v，图8(乙)的纵坐标是水滴在空中的平均速度的平方，即v²。，它们的横坐标都是高度h。(2)根据图象写出v与h的函数关系。

      5．考虑到声音传播的速度远小于光的传播速度这一因素，上面测出的水滴的平均速度会有一定的误差，测量值与真实值相比，是偏大还是偏小?为什么?

• 科目：中档 来源：河北省期中题 题型：阅读理解与欣赏

  　　1914年8月1日，德国向法国宣战。所有符合条件的公民，包括实验室的职员和学生，都加入了军队的行列，镭研究所实验室里只剩下我和一个有严重心脏病的技师。每一个有责任感的人，在国难当头的危急时刻，都应该义无反顾地尽其所能，帮助国家渡过难关。我当然也不能例外。我把实验室所储存的镭，放到绝对安全的地方藏起来，努力发挥自己的专长和学识，尽一切努力为国家作应有的贡献。我主要的工作是为各个军事医院提供X射线检查，同时负责组织战地医疗队。
  　　战争期间，利用X射线能够查出伤员弹片所在的确切位置，医生手术时十分迅速和准确。如果是骨骼和身体器官受到损伤，通过X射线也能一目了然地发现。借助这一手段，医生对许多内伤的恢复情况也能了然于心。但是战争开始的时候，没有一所军事医院配备X射线治疗仪器，也没有必要的技师，在其他的医院里这种设备也是寥若晨星。
  　　我决心自己来解决设施和技师这两大难题。我四处奔走，把所有的实验室X射线设备集中在一起，1914年8月和9月两个月里，建成了几个X射线医疗站，由我培训的志愿者在医疗站里负责具体操作。在马恩战役中，这几个X射线医疗站起了很好的作用，只是这种设备和人员太少，无法满足整个巴黎地区所有医院的需要。
  　　我向红十字会请求帮助，他们给了我一辆普通的敞篷汽车，经过我的设计和改装，这辆车变成了流动X射线医疗车。车上有一台设备齐全的X射线放射设备，一台发电机固定在车厢里，利用汽车上的发动机带动发电机以供应X射线设备所需的电力，只要有医院需要，我们便迅速开车赶到。
  　　医生们尝到了流动医疗车的好处，这种车的需求量在短时间内急剧增加。我向政府提出了增加流动医疗车的计划，很快得到“全国伤员救护会”的大力帮助，他们的工作效率很高，我的计划在最短的时间里变成了现实。法国与比利时之间的作战区以及法国其他地区，总共创建和改造了200多处X射线医疗站，还为军队装备了20辆流动X射线医疗车。这些车辆都是各界人士慷慨捐助的，还有些人捐赠了整套的X射线放射设备。这些私人捐赠对救助战地受伤士兵发挥了极其重要的作用。
  　　当时，称职的司机很少，没办法我自己学会了开车，一旦遇到紧急情况就亲自开车前往。那些医院和救护站的医生、护士们大公无私、勇于牺牲的精神，使我们心生钦佩之情，并常以她们的精神鞭策自己去克服一切困难。那些被抬到救护车上的伤员们鲜血淋漓、血肉模糊，令人不忍目睹。在作X光检查时，他们咬紧牙关强忍着搬动身体所带来的剧痛，从来没有任何抱怨。他们在面对常人难以想象的巨大痛苦时所表现出的坚强毅力和坚忍不拔的顽强精神，经常让我们感动得热泪盈眶。我们目睹了战争的残酷以及对人类生命的摧残，永远忘不了那血腥恐怖的场面，我坚决反对一切战争。
  　　当时我最为头痛的一件事是没有得力的助手，帮助我进行X光检测。因为X射线技术在医学领域使用不久，掌握这方面知识和技术的人几乎是凤毛麟角。战争时期，符合条件的人大多数都去服兵役了，我决定培养妇女做我的助手。于是，我向卫生部建议，在伊迪斯·卡维尔医院下属的护士学校里，增加一个X射线照相科。我的建议很快得到批准。1916年，镭研究所开始组建这个科并培训学员，在整个战争期间共培训了150名妇女。所学习的课程有基础理论和解剖学，此外还要接受一般的实习和训练。她们的文化基础都比较低，但只要肯努力学习，便能够以优异的成绩毕业。在这里毕业的学员后来都成了优秀的X射线照相技师，得到了卫生部的赞赏。其实，按她们所学的课程只能成为医士的助手，但是她们当中却有很多人能够独立操作这项技术，真是非常的难能可贵。
  　　由于战争期间从事了大量医疗救护工作，我在X射线在医疗的应用上积累了丰富的经验，掌握了大量的医疗检验新技术知识。为了说明、证实X射线照相术对医疗的重大价值，尤其是对在战争时期的发展与和平时期的用途进行比较和说明，我编写了一本名为《战争中的放射学》的书，并将它出版发行。（选自《相伴一生的伟大传记》，有删节）
  1．下列对文章的分析和概括，不正确的两项是（　　）
  A．第一次世界大战期间，法国因为有了居里夫人，所以能够利用当时在医疗技术上领先的又极少人能掌握的X射线技术，来做好医疗救护工作。
  B．战争期间，法国称职司机很少，居里夫人自己学会开车，各个军事医院都是由居里夫人亲自驾驶流动医疗车去提供X射线检查的。
  C．因为居里夫人是女科学家，安排的培训课程就十分切合女学员实际，所以培养的妇女X射线照相技师得到了法国卫生部的赞赏。
  D．居里夫人不仅在科学研究上立下卓著的功勋，而且在国难当头的时刻，努力发挥自己的专长和学识，尽一切努力为国家作应有的贡献。
  E．居里夫人的自传思路清晰，表述准确具体，文笔朴实无华，体现了她作为一名自然科学家的行文风格。
  2．请找出最能概括居里夫人在战争时期行动的指导思想的一段话，并作简要分析。
  3．在国难当头的危急时刻，居里夫人是怎样努力发挥自己的专长和学识，为国家做出贡献的？请用摘要原文、编写要点提纲的方式列出居里夫人所做的主要工作。
  4．“自传”顾名思义应当写自己，居里夫人却用了许多笔墨去写读者不一定想知道的医生、护士、学员、伤员和工作人员。请你就此，谈谈居里夫人这样处理的得失。
  

• 科目： 来源： 题型：阅读理解

  阅读下面的内容，完成下面3题

  1914年8月1日，德国向法国宣战。所有符合条件的公民，包括实验室的职员和学生，都加入了军队的行列，镭研究所实验室里只剩下我和一个有严重心脏病的技师。每一个有责任感的人，在国难当头的危急时刻，都应该义无反顾地尽其所能，帮助国家渡过难关。我当然也不能例外。我把实验室所储存的镭，放到绝对安全的地方藏起来，努力发挥自己的专长和学识，尽一切努力为国家作应有的贡献。我主要的工作是为各个军事医院提供X射线检查，同时负责组织战地医疗队。

      战争期间，利用X射线能够查出伤员弹片所在的确切位置，医生手术时十分迅速和准确。如果是骨骼和身体器官受到损伤，通过X射线也能一目了然地发现。借助这一手段，医生对许多内伤的恢复情况也能了然于心。但是战争开始的时候，没有一所军事医院配备X射线治疗仪器，也没有必要的技师，在其他的医院里这种设备也是寥若晨星。

      我决心自己来解决设施和技师这两大难题。我四处奔走，把所有的实验室X射线设备集中在一起，1914年8月和9月两个月里，建成了几个X射线医疗站，由我培训的志愿者在医疗站里负责具体操作。在马恩战役中，这几个X射线医疗站起了很好的作用，只是这种设备和人员太少，无法满足整个巴黎地区所有医院的需要。

      我向红十字会请求帮助，他们给了我一辆普通的敞篷汽车，经过我的设计和改装，这辆车变成了流动X射线医疗车。车上有一台设备齐全的X射线放射设备，一台发电机固定在车厢里，利用汽车上的发动机带动发电机以供应X射线设备所需的电力，只要有医院需要，我们便迅速开车赶到。

  医生们尝到了流动医疗车的好处，这种车的需求量在短时间内急剧增加。我向政府提出了增加流动医疗车的计划，很快得到“全国伤员救护会”的大力帮助，他们的工作效率很高，我的计划在最短的时间里变成了现实。法国与比利时之间的作战区以及法国其他地区，总共创建和改造了200多处X射线医疗站，还为军队装备了20辆流动X射线医疗车。这些车辆都是各界人士慷慨捐助的，还有些人捐赠了整套的X射线放射设备。这些私人捐赠对救助战地受伤士兵发挥了极其重要的作用。

  当时，称职的司机很少，没办法我自己学会了开车，一旦遇到紧急情况就亲自开车前往。那些医院和救护站的医生、护士们大公无私、勇于牺牲的精神，使我们心生钦佩之情，并常以她们的精神鞭策自己去克服一切困难。那些被抬到救护车上的伤员们鲜血淋漓、血肉模糊，令人不忍目睹。在作X光检查时，他们咬紧牙关强忍着搬动身体所带来的剧痛，从来没有任何抱怨。他们在面对常人难以想象的巨大痛苦时所表现出的坚强毅力和坚忍不拔的顽强精神，经常让我们感动得热泪盈眶。我们目睹了战争的残酷以及对人类生命的摧残，永远忘不了那血腥恐怖的场面，我坚决反对一切战争。

  当时我最为头痛的一件事是没有得力的助手，帮助我进行X光检测。因为X射线技术在医学领域使用不久，掌握这方面知识和技术的人几乎是凤毛麟角。战争时期，符合条件的人大多数都去服兵役了，我决定培养妇女做我的助手。于是，我向卫生部建议，在伊迪斯??卡维尔医院下属的护士学校里，增加一个X射线照相科。我的建议很快得到批准。1916年，镭研究所开始组建这个科并培训学员，在整个战争期间共培训了150名妇女。所学习的课程有基础理论和解剖学，此外还要接受一般的实习和训练。她们的文化基础都比较低，但只要肯努力学习，便能够以优异的成绩毕业。在这里毕业的学员后来都成了优秀的X射线照相技师，得到了卫生部的赞赏。其实，按她们所学的课程只能成为医士的助手，但是她们当中却有很多人能够独立操作这项技术，真是非常的难能可贵。

      由于战争期间从事了大量医疗救护工作，我在X射线在医疗的应用上积累了丰富的经验，掌握了大量的医疗检验新技术知识。为了说明、证实X射线照相术对医疗的重大价值，尤其是对在战争时期的发展与和平时期的用途进行比较和说明，我编写了一本名为《战争中的放射学》的书，并将它出版发行。

  （选自《相伴一生的伟大传记》，有删节）

  下列对文章的分析和概括,不正确的两项是

  A． 第一次世界大战期间，法国因为有了居里夫人，所以能够利用当时在医疗技术上领先的又极少人能掌握的X射线技术，来做好医疗救护工作。

  B． 战争期间，法国称职司机很少，居里夫人自己学会开车，各个军事医院都是由居里夫人亲自驾驶流动医疗车去提供X射线检查的。

  C． 因为居里夫人是女科学家，安排的培训课程就十分切合女学员实际，所以培养的妇女X射线照相技师得到了法国卫生部的赞赏。

  D． 居里夫人不仅在科学研究上立下卓著的功勋，而且在国难当头的时刻，努力发挥自己的专长和学识，尽一切努力为国家作应有的贡献。

  E． 居里夫人的自传思路清晰，表述准确具体，文笔朴实无华，体现了她作为一名自然科学家的行文风格。

  请找出最能概括居里夫人在战争时期行动的指导思想的一段话，并作简要分析。

  第一次世界大战期间，居里夫人中断了伟大的镭研究工作，而去做普及的战地救护工作；“自传”顾名思义应当写自己，可传主却用了许多笔墨去写读者不一定想知道的医生、护士、学员、伤员和工作人员。请就此二事，谈谈你对居里夫人这样处理的看法。