初中物理综合题

汽车已进入千家万户。在综合实践活动中，合作小组的同学们对小亮家的汽车中有关物理学的知识进行了专项研究，请你帮助他们完成以下两方面的实践活动。

实践活动一：设计制作汽车加热坐垫

同学们想利用车上提供的电压为 $12V$的电源，设计具有加热和保温两挡功能的汽车座椅加热坐垫。他们在网上购买了两个阻值为 $6\Omega$的加热电阻片，若干导线和开关。

（1）请你帮助他们设计电路；

（2）求自制加热坐垫的加热和保温功率。

实践活动二：研究汽车中的动力学

（1）如图甲所示，是小亮家汽车的动力系统。该汽车发动机实质是汽油机，它把燃料燃烧产生的内能转化为＿＿＿＿＿能，再通过传动机构，将动力传给车轮，使汽车行驶。

（2）请在图乙中画出汽车在水平地面上静止时受力的示意图。

（3）汽车整车质量约为 $1.6t$，静止时车轮与地面的总接触面积约为 $0.16m^2$，求汽车静止时对水平地面的压强。（ $g$取 $10N/kg$）

（4）如图丙所示，是合作小组的同学们利用频闪摄影技术研究汽车的运动状态时，相机每隔 $0.5s$曝光一次，拍摄到的汽车在平直公路上行驶的频闪照片。若车身长 $3m$，求拍摄过程中汽车的行驶速度。

（5）查阅资料可知，汽车行驶时所受阻力约为车重的 $0.3$倍，求拍摄过程中汽车发动机的输出功率。

如图甲所示电路，电源电压不变，灯泡L上标有“5V 2.5W”字样，电压表量程为0～3V，电流表量程为0～0.6A。闭合开关S，将滑动变阻器的滑片P由b端滑到中点的过程中，灯泡L的电功率与电流的 $P﹣I$关系图像如图乙所示，忽略温度对灯丝电阻的影响。求：

（1）灯泡L正常发光时的电阻；

（2）滑片P在b端时，1min内灯泡L消耗的电能；

（3）电源电压；

（4）在确保电路元件安全的情况下，滑动变阻器允许连入电路的最小阻值。

如图所示，工人师傅用滑轮组将重为500N的物体在30s内匀速提升到6m高的楼上，已知动滑轮重为100N，不计绳重及摩擦。求：

（1）拉力F；

（2）拉力的功率；

（3）滑轮组的机械效率。（计算结果保留一位小数）

如图所示是百色起义纪念公园内的一块景观石，其质量为 $5200\mathit{kg}$，体积为 $2m^3$，景观石与底座的接触面积为 $1.3m^2$。求：

（1）景观石的密度；

（2）景观石的重力；

（3）景观石对底座的压强。

“测量小灯泡的电功率”实验，小丹同学设计了如图甲所示的电路图。所用电学器材如下：电源（ $6V$）、额定电压为 $2.5V$的小灯泡（正常发光时电阻约为 $11\Omega$）、电流表（ $0～0.6A，0～3A$）、电压表（ $0～3V，0～15V$）、滑动变阻器 $R_1$标有“ $10\Omega 1A$”、滑动变阻器 $R_2$标有“ $20\Omega 1.5A$”、开关、导线若干。

（1）进行实验

①连接电路时，应选用滑动变阻器＿＿＿＿＿（选填“ $R_1$”或“ $R_2$”）进行实验，电流表量程应选＿＿＿＿＿（选填“ $0～0.6A$”或“ $0～3A$”）更合理。

②闭合开关，调节滑动变阻器滑片 $P$，使小灯泡两端的电压分别低于、等于、高于额定电压，记下电压值和电流值，并观察小灯泡的亮度，把实验数据和观察到的现象记录在表格里。

次数	电压U/V	电流I/A	电功率P/W	小灯泡亮暗情况
1	2	0.2		较暗
2	2.5	0.22		正常
3	3	0.24		较亮

（2）分析与归纳

由表格中数据可得：

①小灯泡额定功率为＿＿＿＿＿ $W$。

②小灯泡亮度由＿＿＿＿＿功率决定。

（3）完成上述实验后，小丹同学在缺少电压表的情况下，为了测量另一个额定电流为 $0.25A$的小灯泡的额定功率，设计了如图乙所示的电路。电源电压（未知）保持不变。请完成实验步骤：

①闭合开关，移动滑动变阻器滑片P，使电流表示数为 $0.25A$。

②断开开关，用 $5\Omega$的定值电阻替换灯泡，滑动变阻器滑片 $P$ ＿＿＿＿＿（选填“向左移动”、“向右移动”或“保持不动”）。闭合开关，电流表的示数为 $0.3A$。

③将滑动变阻器滑片 $P$移到最左端，电流表示数为 $0.9A$，可得电源电压为＿＿＿＿＿ $V$。

④小灯泡的额定功率为＿＿＿＿＿ $W$。

阅读下列短文，回答问题。

直流充电桩

直流充电桩是一种为电动汽车补给能量的装置，如图甲所示。它能够将电网中的交流电转化为直流电，再将电能充入汽车动力电池（以下简称电池）。通常，直流充电桩比交流充电桩的充电电压更高、电流更大，因而可实现快速充电。

设电池当前储能占充满状态储能的百分比为D。充电时，充电桩的充电功率P会随着电池的D的变化而变化，同时用户还可以通过充电桩显示屏了解充电过程中的其他相关信息。

现实际测试一个直流充电桩对某辆电动汽车的充电性能。假定测试中充电桩输出的电能全部转化为电池的储能。充电前，D为30%，充电桩显示屏中充电时长、充电度数、充电费用示数均为0。开始充电后，P与D的关系如图乙所示（为方便计算，图像已作近似处理）。充满后，立即停止充电。当D达到70%时充电桩显示屏的部分即时信息如表。

充电电压（ $V$）	充电电流（ $A$）	充电时长（ $min$）	充电度数（ $kW•h$）	充电费用（元）
$400$		$45$	$24.0$	$28.80$

（1）通常，直流充电桩比交流充电桩的充电电压更高、电流更大，故充电功率更＿＿＿＿＿。

（2）在D从 $30\%$增至 $70\%$的过程中，充电功率大致的变化规律是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。当D为 $70\%$时，充电电流为＿＿＿＿＿ $A$。

（3）若充电过程中充电电费单价不变，则测试全过程的充电费用为＿＿＿＿＿元。

（4）设D从 $70\%$增至 $80\%$所需时间为 $t_1$，从 $80\%$增至 $90\%$所需时间为 $t_2$，且 $t_1：t_2＝2：3$，则测试全过程的充电总时长为＿＿＿＿＿ $min$。

我国自主研制的载人深潜器下潜深度已突破 $10000m$，在载人深潜领域达到世界领先水平。（取 ${\rho }_{\mathrm{海水}}＝1.03\times {10}^{3}kg/m^3，{\rho }_{水}＝1.0\times {10}^{3}kg/m^3，g＝10N/kg$）

（1）潜水艇活动的海水深度一般为 $300m$至 $600m$。它可以通过水舱排水或充水来改变 　＿＿＿＿＿，从而实现浮沉。

（2）深潜器可进入更深的水域，在 $10000m$的深处，海水产生的压强为＿＿＿＿＿ $Pa$。由于深海海水压强太大，深潜器实现浮沉的方法与潜水艇有所不同。

（3）小明阅读资料后，利用如图的装置模拟深潜器在水中的运动过程。物体甲、乙由一条细线连接且在水中处于静止状态，已知乙的质量为 $0.2kg$，体积为 $25c{m}^3$，则乙所受浮力的大小为＿＿＿＿＿ $N$，乙受到细线的拉力为＿＿＿＿＿ $N$。若剪断细线，甲将＿＿＿＿＿（选填“上浮”“悬浮”或“下沉”），此时甲所受浮力＿＿＿＿＿（填字母）。

A．	增大，且大于重力
B．	不变，且等于重力
C．	不变，且大于重力
D．	减小，且小于重力

我国万米深潜作业次数和下潜人数位居世界首位。图甲所示为我国“奋斗者”号载人潜水器的海试现场。

（1）潜水器的前边固定着一个采样篮，里面放着海底沉积物采样器等工具，采样器是一个下端开口的圆柱形玻璃管。潜水器两侧各连着一只机械手臂，其中一只机械手臂的简化示意图如图乙所示，它由金属杆AB、OC和可以伸缩的液压杆AC组成，C点为机械手臂和潜水器的连接点。当液压杆伸长或缩短时，会带动金属杆AB绕着O点转动，金属杆B端就会向上提或向下压采样器。（ ${\rho }_{\mathrm{海水}}＝1.0\times {10}^{3}kg/m^3$）

①请在图乙中画出水平金属杆的B端竖直向下压采样器时，采样器对金属杆AB的力的示意图。

②若OA、OC和AC的长分别是 $18cm、24cm$和 $30cm$，OB的长是 $72cm$，这只机械手臂的液压杆AC对水平金属杆A端的拉力是 $200N$，玻璃管水平的圆环形管口和海底沉积物的接触面积是 $2c{m}^2$时，则竖直状态下的玻璃管的圆环形管口对海底沉积物产生的压强是多少 $Pa$？（不考虑金属杆AB和采样器它们受到的重力和浮力）

（2）总质量是 $36t$且处于悬浮状态的潜水器在海底完成作业后，会抛卸吸附在舱外的压载铁再上浮。为了确保舱内作业人员的安全，科学家们在设计“奋斗者”号时，可以让潜水器在不能抛卸压载铁时进行“断臂求生”，即让潜水器在深海抛掉两只机械手臂和采样篮等物体后再上浮。若某次深海演练抛掉质量是 $1.8t$、体积是 $0.3m^3$的两只机械手臂和采样篮等物体，则此时潜水器受到的浮力是多少 $N$？浮力比重力大多少 $N$？

小明利用如图甲所示电路研究“电流与电压关系”时，闭合开关S，滑动变阻器的滑片从右端移动到左端的整个过程中，定值电阻的 $U﹣I$关系图象如图乙所示。其中 $U_0、U_m、I_0$均为已知量，电源电压不变。

请解答如下问题：

（1）写出电源电压值；

（2）在图乙所示的坐标系中，画出滑片整个移动过程中滑动变阻器的 $U﹣I$关系图象，并标出端点的坐标；

（3）滑片移动过程中，当电压表 $V_1$示数由 $U_1$变为 $U_2$时，电流表示数增加了 $\Delta I$，请你推导出定值电阻的电功率变化量 $\Delta P$的数学表达式（用 $U_1、U_2$和 $\Delta I$表示）。

音乐喷泉是集光机电技术于一体的装置，让红、绿、蓝三种色灯照射到水柱上，通过电脑控制三种色灯功率的比例就能让水柱变换颜色，呈现美轮美奂的视觉效果。图甲是某段时间内红、绿两色灯功率随时间变化的图像。

（1）第 $28s$红灯两端的电压为 $100V$，求此时通过红灯的电流；

（2）请计算 $0～30s$内红灯和绿灯消耗的总电能；

（3）图乙是控制喷泉水柱工作的模拟电路。 $AB$两端输入如图丙所示的周期性变化的电压 $U_{AB}$，定值电阻 $R＝2\Omega$， $D$为特殊电子元件。当 $U_{AB}＜6V$时， $D$两端的电压 $U_D＝U_{AB}$；当 $U_{AB}\ge 6V$时， $U_D$恒为 $6V$不变。当通过 $R$的电流满足 $I\ge 2A$时，电路启动喷水，此时 $U_{AB}$至少为多少伏？该电路工作 $10min$，其中喷水时间有多少秒？

浮筒法，是海洋沉船打捞技术中常用的方法之一。先让浮筒灌满海水，靠自重自由下沉。到达海底沉船处，将若干个浮筒与沉船固定。给浮筒充气，排出筒内海水，产生向上的上举力，让沉船上浮。已知，每个浮筒质量为 $4.8\times {10}^{3}kg$，体积为 $160m^3$，海水密度为 $1.03\times {10}^{3}kg/m^3$。求：

（1）每个浮筒在海底沉船处，充气，海水全部排出后，受到的浮力大小和产生的上举力大小；

（2）若沉船在海平面下方 $200m$处，海平面大气压为 $1.0\times {10}^{5}Pa$，浮筒排出海水时，充气压强的最小值；

（3）若沉船需要受到向上 $4.1\times {10}^{7}N$的上举力，才能上浮，则至少需要多少个浮筒与沉船固定。

小明想了解热水在图1的哪个杯子中降温更快，他往两杯子中倒入等质量热水，同时开始计时，测得水温随时间变化的图象如图2。

（1）由图2可推测＿＿＿＿＿杯（选填“甲”“乙”）中的热水先降温至 $40℃$。

（2）＿＿＿＿＿杯（选填“甲”“乙”）中的水在 $0～10min$放出的热量较多，依据是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。

（3）是什么因素造成了两杯热水降温快慢的不同？小明猜想可能是两杯子开口散热面积的不同和杯身散热的不同。请设计实验探究热水降温快慢与玻璃杯开口大小是否有关，写出实验步骤（已提供足量热水，从图3中自选器材）。

实验步骤：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。

遵义某现代农业园内，一批名贵果树苗急需持续浇灌。正在园区研学的某中学创客小组为园区设计了一个自动给水系统，电路如图甲所示。控制电路的电源电压 $U_1$恒为 $24V$，线圈电阻不计，定值电阻 $R_0$为 $50\Omega$， $R$为压敏电阻，其阻值随所受压力的变化图像如图乙所示。工作电路电源电压 $U_2$恒为 $220V$，包括注水装置和给水装置两部分（图中未明确）。图丙为系统结构简图，其中压敏电阻位于圆柱形水箱底部的受力板正下方，受力板面积 $S_1$和水箱底面积 $S_2$分别为 $0.02m^2$和 $0.45m^2$。给水装置始终不停歇给水，当通过线圈的电流 $I＝0.16A$时，衔铁刚好被吸下，注水装置停止注水，此时电流表示数 $I_1＝0.2A$，当水箱水位下降至 $0.5m$时，衔铁刚好被拉回，注水装置又开始向水箱注水，此时电流表示数 $I_2＝2.2A$。（ ${\rho }_{水}＝1.0\times {10}^{3}kg/m^3，g取10N/kg$）

（1）图甲中，甲、乙分别为＿＿＿＿＿装置；

A．	给水、注水
B．	注水、给水

（2）求当注水装置停止注水时，水箱内水位的高度；

（3）若注水装置每分钟向水箱注水 $0.3m^3$，给水装置每分钟给水量为 $0.12m^3$，求注水装置从最低水位加注至最高水位的过程中所消耗的电能。

如图所示，放置在水平桌面上的甲、乙两个相同薄壁圆柱形容器，高度为 $h_1$，底面积为 $S_1＝100c{m}^2$。甲容器内装有水，圆柱形实心物体浸没在水底。物体高度为 $h_2＝8cm$，底面积为 $S_2＝30c{m}^2$，密度为 ${\rho }_2$。乙容器内装有质量为 $m$，密度为 ${\rho }_3$的某种液体。忽略物体吸附液体等次要因素，已知 ${\rho }_{水}＝1.0\times {10}^{3}kg/m^3，g＝10N/kg$。

（1）求物体浸没水底时所受的浮力大小。

（2）将物体从甲容器底部竖直缓慢提升，直到物体上表面高出水面 $5cm$时停止，求这个过程中，水对容器底部的压强变化量。

（3）将物体从甲容器取出后，再缓慢放入乙容器内，为保证液体不会溢出，求乙容器内液体质量m的取值范围（用 ${\rho }_2、{\rho }_3、h_1、h_2、S_1、S_2$表示）。

研究物体的沉浮条件时，一实验小组将一质量为54g的橡皮泥放入盛水的水槽中，橡皮泥下沉。老师请大家思考能否让橡皮泥漂浮在水面上呢？他们经过思考后将橡皮泥捏成了如图所示的厚度均匀的半球状“小碗”，将碗口朝上轻轻放在水面上，小碗漂浮。（ ${\rho }_{泥}＝1.2g/c{m}^3，{\rho }_{水}＝1.0g/c{m}^3$，半球的体积公式是 $V=\frac{2}{3}\pi R^3$， $\pi 取3$， $\sqrt[3]{4.5}取1.65$）

（1）橡皮泥放入水槽前，水的深度是 $0.1m$，求水对水槽底部的压强；

（2）求橡皮泥的体积；

（3）橡皮泥“小碗”漂浮在水面上受到的浮力是多少？

（4）橡皮泥“小碗”的厚度 $d$要满足什么条件，才能够漂浮在水面上？