初中物理二力平衡条件的应用解答题

为研究纸锥下落的运动情况，小华查阅资料了解到，物体下落过程中会受到空气阻力的作用，阻力 $f$的大小与物体的迎风面积 $S$和速度 $v$的二次方成正比，公式为 $f=\mathit{kS}{v}^2(k$为比例常数）。

现用一张半径为 $R$、面密度 $\rho$（厚度和质量分布均匀的物体，其质量与面积之比称为面密度）的圆纸片，按图甲所示将圆纸片裁剪成圆心角为 $n°$的扇形，然后做成如图乙所示的纸锥，纸锥的底面积为 $S_0$（即为纸锥的迎风面积），让纸锥从足够高处静止下落。

（1）纸锥在整个竖直下落过程中的运动状态是　　。

$A$．一直加速

$B$．一直匀速

$C$．先加速后匀速

$D$．先加速后减速

（2）下落过程中纸锥能达到的最大速度为　　。

现有一质地均匀密度为 ${\rho }_0$的实心圆柱体，底面积为 $S_0$、高为 $h_0$，将其中间挖去底面积为 $\frac{S_0}{2}$的小圆柱体，使其成为空心管，如图1所示。先用硬塑料片将空心管底端管口密封（硬塑料片的体积和质量均不计），再将其底端向下竖直放在底面积为 $S$的柱形平底容器底部，如图2所示。然后沿容器内壁缓慢注入密度为 $\rho$的液体，在注入液体的过程中空心管始终保持竖直状态。

（1）当注入一定量的液体时，空心管对容器底的压力刚好为零，且空心管尚有部分露在液面外，求此时容器中液体的深度。

（2）去掉塑料片后，空心管仍竖直立在容器底部，管外液体可以进入管内，继续向容器中注入该液体。若使空心管对容器底的压力最小，注入液体的总质量最小是多少？

阅读短文，回答文后的问题。

浮子流量计

气体的流量一般指单位时间内流过通气管道的气体体积，流量等于气体的流速和通道横截面积的乘积。生活生产中经常要对气体的流量进行控制，例如医院给病人输氧时，用阀门控制氧气瓶输出氧气的流量，在管道中接入流量计，可以反映流量的大小。

浮子流量计是一种常用的流量计。其结构如图所示，一个上粗下细的锥形管，管内倒放着一个铝制的圆锥体浮子。工作时，气体从锥形管下端流入，向上冲击浮子，然后流过圆锥体浮子底面与锥形管之间的环形空隙，从上端流出。如果浮子受到气流的冲力大，就会向上移动，环形空隙加大，气体流速变小，对浮子的冲力就会变小，这样浮子最终稳定在某一位置，这个位置的高低就反映了气体流量的大小。

（1）浮子流量计使用时，锥形管应处于 　　；

$A$ ．水平方向 $B$ ．竖直方向 $C$ ．斜向上 $D$ ．斜向下

（2）浮子所受气体浮力很小，可以忽略。当浮子稳定在某一位置时，气流对浮子的冲力和浮子重力的关系是 　　。

（3）对于某个制成的浮子流量计，浮子和锥形管之间的环形空隙的面积和浮子高度成正比，比例系数为 $k_1$ ；气流对浮子的冲力和流速成正比，比例系数为 $k_2$ ；浮子的质量为 $m$ 。当浮子稳定在高度 $h$ 时，气体流量 $Q$ 的表达式为 $Q=$ 　　。

（4）浮子流量计能反映的最大流量是有限的，如果要让这个浮子流量计能反映更大的流量，请你提出一条可行的改进措施： 　　。

如图甲所示，滑轮组通过轻质弹簧悬挂于 $O$点，下端悬挂一柱形物体并浸没于装有水的柱形容器中，物体上表面恰好与水平面相平，绳子 $A$端固定，忽略滑轮重，绳重及摩擦。已知容器底面积为 $200c{m}^2$，水深 $20\mathit{cm}$，物体的底面积为 $100c{m}^2$，高为 $12\mathit{cm}$，重为 $24N$， ${\rho }_{水}=1.0\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$， $g$取 $10N/\mathit{kg}$。

（1）求水对容器底的压强；

（2）求水对物体的浮力大小；

（3）求弹簧所受拉力的大小；

（4）若要使柱形物体有 $\frac{3}{4}$的长度露出水面，需打开阀门 $K$放出多少 $\mathit{kg}$的水？（题中弹簧所受拉力 $F$与其伸长量△ $x$的关系如图乙所示）

某汽车在平直路面上以 $75\mathit{km}/h$的速度匀速行驶 $1h$的过程中，消耗了 $5\mathit{kg}$汽油，汽油燃烧释放能量的 $40\%$随废气通过热电转换装置，如图所示，汽油热值近似取 $q=5\times {10}^{7}J/\mathit{kg}$，设汽油在气缸内完全燃烧。

（1）图示时刻，四冲程汽油机处于　　冲程；若该汽油机每分钟完成7200个冲程，则它每秒钟完成　　个工作循环

（2）若上述过程中汽油燃烧释放能量的 $30\%$用来驱动汽车行驶，求汽车所受的阻力 $f$；

（3）研究表明新材料的出现可将热电转换装置的效率大幅提高到 $15\%$，据此计算，上述过程中随废气排放的能量通过转换装置后可获得多少电能？这些电能可供车内总功率为 $1000W$的用电器持续工作多长时间？

目前全国少数城市已投入使用超级电容公交车。超级电容器是一种新型电能存储设备，像蓄电池一样也有正、负两极，可通过安装在各公交站点的充电桩快速充满电，让车能够继续正常行驶。在制动过程中，电车又能通过发电机回收部分能量为超级电容充电，安全高效环保。

假设某型号的超级电容公交车载满乘客时总质量为15吨，某次运行时从充电桩充满电后电车储存的能量约为 $2\times {10}^7$焦，能以10米 $/$秒的速度保持匀速直线行驶6千米，能量利用的效率为 $90\%$。

（1）电车发电机的工作原理是　　。

（2）若公交车载满乘客时车胎与地面的总接触面积为0.4米 ${}^2$，求公交车对地面的压强。

（3）若公交车在该次运行中受到的阻力恒定，则牵引力大小是多少？

（4）若公交车在该次运行中电容器输出电压为300伏，不计电容器输出电能时的能量损耗，则工作电路的电流有多大？

如图所示，将密度为0.6克 $/$厘米 ${}^3$、高度为10厘米，底面积为20厘米 ${}^2$的圆柱体放入底面积为50厘米 ${}^2$的容器中，并向容器内加水。 $(g$取10牛 $/$千克）

（1）当水加到2厘米时，求圆柱体对容器底的压力大小。

（2）继续向容器中加水，当圆柱体对容器底压力为0时，求圆柱体在液面上方和下方的长度之比。

在“探究浮力大小与哪些因素有关”实验中；

（1）如图甲所示，依次将物体缓缓浸入水中。

①从位置2→3的过程中，物体受到的重力　 　，受到的浮力　   　。（均选填“变大”、“变小”或“不变”）

②从位置3→4的过程中，物体受到的浮力不变，说明物体受到的浮力与浸没的深度

　   　（选填“有关”或“无关”）。

③图乙中的　   　（选填“a”或“b”）能反映测力计示数在甲图实验过程中的变化。

④实验中用手提着测力计，可能会使测力计示数不稳定，你的改进建议是　                                      　。

（2）课本中提到，物体在空气中也会受到浮力作用，因此小禹设计了一个测量空气浮力大小的实验；

①排尽一个大气球内部的空气，测出气球的重力G_球；

②将适量的氢气充入气球，用细线扎紧封口，按图丙所示测出拉力的大小F_拉；

③根据F_浮＝F_拉+G_球，求出气球所受浮力大小（细线重力和摩擦忽略不计）。小禹的实验方案中，计算浮力的方法有误，错误是　                 　。

形状规则、质量分布均匀的物体，它的重心在它的　   　上。图所示为质量分布均匀但形状不规则带有小孔的薄木板，请用细棉线、刻度尺、笔和铁架台来确定它的重心。

（1）操作方法：　　。

（2）判断方法：　　即为薄木板的重心。

（3）实验中没有利用到的物理知识：　　（填写序号）

①二力平衡的条件

②重力的方向是竖直向下的

③重力的大小跟物体质量成正比

如图所示，物体 $A$随平板车在水平地面上向右匀速运动，作出物体 $A$的受力示意图。

自动驾驶汽车是一种通过电脑系统实现无人驾驶的智能汽车，正不断走进我们的生活。

（1）驾驶员进入汽车后，电脑系统会对驾驶员的脸部特征进行识别。从生物学角度看，人的脸部特征是由　　决定的。

（2）2019年8月，红旗 $\mathit{EV}$自动驾驶汽车在湖南长沙开展测试。汽车从长沙出发，历时3小时20分钟到达武汉，行驶距离286千米。测试过程中红旗 $\mathit{EV}$汽车的平均速度是多少千米 $/$时？

（3）质量为1.8吨的红旗 $\mathit{EV}$自动驾驶汽车，在水平公路上匀速直线行驶时，受到的阻力为车重的0.2倍，此时汽车受到的牵引力为多少牛？

有一个木球静止在水面上，在图中画出它的受力示意图。

小柯利用实验室的器材开展了下列实验。根据要求回答问题：

（1）如图甲，将液体压强计的金属盒放入水里，并不断改变金属盒在水中的深度，观察U形玻璃管两边液面的高度差。这样做是想研究　　。

（2）如图乙，在直导线下方放置一枚小磁针，当导线中有电流通过时，磁针发生偏转，表明通电导线周围存在磁场；如果导线下方不放小磁针，当导线中有电流通过时，则该通电导线周围　　（选填“存在”或“不存在”）磁场。

（3）如图丙，在测量滑动摩擦力的实验中，水平桌面上的物块，受到2N水平向右的拉力F，做匀速直线运动。当拉力F大小变为4N时，物块受到的摩擦力为　　N。

如图是"测量滑动摩擦力大小"的实验装置示意图。

（1）如图甲中，将木板固定水平拉动木块，木块受到的滑动摩擦力与其受到的水平拉力 　不一定　大小相等；图乙中，水平拉动木板，待测力计示数稳定后，木块受到的滑动摩擦力与其受到的水平拉力 　　大小相等。（选填"一定"或"不一定" $)$

（2）如图丙中，水平拉动木板，待测力计示数稳定后，测力计 $A$ 的示数为 $4.0N$ ，测力计 $B$ 的示数为 $2.5N$ ，木块受到的滑动摩擦力大小为 　　 $N$ ．若增大拉力，当 $A$ 的示数为 $4.8N$ 时， $B$ 的示数为 　　 $N$ 。

某物理学习小组在“探究二力平衡的条件”实验时。自制了一套如图所示的试验装置，将系于小卡片（重力可忽略不计）两对角的细线，分别跨过左右支架上的定滑轮。

（1）本实验中的研究对象是　　，定滑轮的作用是　　。

（2）在细线的两端挂上钩码，使作用在小卡片上的两个拉力方向　　（选填“相同”或者“相反” $)$，并通过调整钩码的数量来改变两端拉力的　　。

（3）当两端所挂钩码数量相同时，把小卡片转至如图所示位置，松手时小卡片将　　（选填“转动”或“静止” $)$，说明不在同一直线上的两个力　　（选填“能”或“不能” $)$平衡。