纳米发电机问世阅读题及答案

时间:2021-08-31

纳米发电机问世阅读题及答案

  试题内容:

  阅读下面的材料,完成1~8题。

  材料一

  华裔物理学家王中林和其博士生宋金会成功地在纳米(十亿分之一米)尺度下将机械能转换成电能,在世界上首次研制成功纳米发电机。这一最新成果开启了纳米科学和技术的新篇章。

  近十年来,纳米科学界对纳米材料合成和应用的研究方兴未艾。尺寸微小、功耗低、反应灵敏的纳米器件和纳米机器人,一直是纳米学术界的前沿,因为它们可以完成微观医疗以及遥感等普通人力难以启及的使命。但对于全球众多的研究者而言,最大的问题是:不管纳米器械做到多小,仍然不得不依赖庞大的外接电源。如果真正让这些微小器件工作起来,保持纳米系统微小而且体内可植入等特性,小型化的供电系统必不可少。只有实现了自带电源的纳米器件才可视为真正的纳米系统,也才能在多领域得到广泛的应用。

  王中林和宋金会巧妙地利用竖直结构的氧化锌纳米线的独特性质,在原子力显微镜的帮助下,研制出将机械能转化为电能的世界上最小的发电装置---纳米发电机。他们充分利用了氧化锌纳米线的半导体性能和压电效应: 通过外界环境震动,无论是超声波,还是人的行走、潮汐的运动,甚至心脏跳动(如果被植入人体内部的话),使得纳米线因机械运动所产生的动能传导,而产生微小的共振、摆动、变形,从而在表面积累起电荷,再由纳米线所附着的电极板输出电流,从而完美地实现纳米尺度的发电功能。据测算,当时这一纳米发电机竟然能达到17%~30%的发电效率,为自发电的纳米器件奠定了物理基础。

  王中林教授早在七年前就敏锐地认识到氧化锌具有独特的半导体、光学和生物特性等其他纳米材料不可替代的作用。他带领科研小组,一直致力于以氧化锌为基础的纳米材料的合成和应用的研究,并且取得了令人瞩目的成果。2001年,他们首次合成氧化锌半导体纳米带,这一重大科研成果震动了整个纳米学界。

  王中林团队的科研成果表明,纳米发电机的发明势必是纳米科技界的重大科研里程碑,其应用前景不可估量。

  (取材于《纳米发电机问世》)

  1.下列对“材料一”中加点字词的解说,正确的一项是(2分)

  A.方兴未艾:艾,读作“yì”,为“停止”之意。

  B.“难以启及”“潮汐”“附着”三词书写都正确。

  C.电荷:“荷”字与“荷枪实弹”中的“荷”同音。

  D.震动:意为“使人心不平静”,可与“振动”替换。

  2. 根据“材料一”,下列对“纳米发电机”的解说,正确的一项是(3分)

  A. 首次实现机械能与电能的相互转换。

  B. 具有功耗低、反应灵敏等特点。

  C. 能为纳米器械工作提供电源保障。

  D. 在科技发展史中具有里程碑意义。

  3.根据“材料一”,下列各项中,不属于纳米发电机实现发电所需条件的一项是(3分)

  A.机械运动                        B.氧化锌纳米线

  C.原子力显微镜                    D.电极板

  材料二

  摩擦运动产生的微小能量收集起来能不能发电?王中林教授的回答是“能”。2011年,王中林教授发现表面上修饰着纳米结构的塑料薄膜,互相摩擦就有静电产生,而且这种方式产生的电压电流是过去用压电产生的几十倍。基于这样的发现,王中林团队研制出了摩擦纳米发电机,并在2014年将其输出功率提高了五个数量级。

  从2006年开始,王中林团队先后发明了压电式纳米发电机、热势纳米发电机、混合型纳米发电机、摩擦纳米发电机,用单根氧化锌纳米线实现了从机械能到电能的转化。此外,美国另一科学家与中国科学家联合开发一种能从汽车车轮与地面的`摩擦中收获能量的纳米发电机,将车辆的燃油效率提高10%。而中科院纳米能源所2014年也成功研制出旋转型摩擦纳米发电机,首次实现了恒定电源的输出。

  纳米发电机可以收集机械能,如人体运动、肌肉收缩等所产生的能量;还可收集震动能和流体能量,如声波和超声波产生的能量;体液流动、血液流动和动脉收缩产生的能量。然后将这些能量转化为电能,提供给纳米器件。

  纳米发电机在生物医学、军事、无线通信、无线传感等方面具有广泛的应用性。例如:每个人的衣服、鞋子里放置这样的电源,肢体运动时就可以将机械能转化为电能,从而为身上携带的电子设备(包括MP3、手机等)提供能量。还可用来植入皮下,利用肌肉活动来供电,不需要更换电池,就可以检测血脂、血糖和心脏活动。甚至可应用到安保方面,将传感器安装到门把手上、地面上、屋子里,有人触碰上就可产生信号,实现报警或启动监视状态。

  目前,纳米发电机可以预想的主要有三大应用领域:第一大领域是移动通讯、移动能源,也就是逐渐流行的可穿戴智能设备。第二个应用是自驱动的传感,包括健康监测、物联网、环境监测方面等等。第三大领域则较为长远,利用大能源发电。比如现有的风力发电机,体积庞大,风力太小带动不起来。而利用纳米发电技术,在一堵墙上做出蜂窝状的小洞,只要有风就可以发电,也就是说,纳米发电机具有大规模收集和转化自然界中机械能的潜力,有望成为绿色能源供给的全新途径。

  和传统的电磁发电机相比,纳米发电机具有诸多优势。例如,摩擦发电机由薄膜高分子材料和薄膜电极材料制成,具有极轻的重量和极小的体积,特别适合于为小型电器提供电能;摩擦发电机的制作材料均为大规模工业化原料,其结构简单,制作成型简便,制作成本大大低于其他发电技术,为其广泛应用提供极为有利的条件。

  (取材于《可收集摩擦发电的纳米发电机》)

  4.根据“材料二”,下面的理解和推断,正确的一项是(3分)

  A. 2011年,王中林团队发明摩擦纳米发电机,并将其输出功率提高五个数量级。

  B. 摩擦纳米发电机可以收集摩擦运动中产生的能量,来提高车辆的燃油效率。