初中物理力和机械综合题

天然水流蕴藏着巨大的能量，是人类可以利用的重要能源之一。兴建水电站可以把天然水流蕴藏着的巨大能量转换成电能，是水能利用的主要形式。有一处水利工程，在河流上修建了 $115m$高的拦河大坝，如图所示。年平均水流总量为 $3\times {10}^{10}{m}^3$．该水利工程的主要任务包括防洪、发电和航运，在发电方面，年平均发电总量为 $6\times {10}^9\mathit{kW}·h$．现安装水轮发电机20台，每台水轮发电机装机容量（即发电功率）为 $9.26\times {10}^4\mathit{kW}$．（水的密度为 $1.0\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$， $g$取 $10N/\mathit{kg})$求：

（1）年平均水流总量所受的重力；

（2）若上、下游水位差为 $100m$，年平均水流总量做的总功及转化为电能的效率；

（3）若每台发电机平均年发电时间为180天，则平均每天约有多少台发电机在工作。

图甲是某起重船的示意图，A处为卷扬机，吊臂前端滑轮组如图乙所示。在一次吊装施工中，当起重船从运输船上吊起重物时，起重船浸入海水中的体积增加了18m ³，重物在空中匀速竖直上升了3m，所用时间为30s。已知动滑轮总重为2×10 ⁴N，不计钢丝绳重及摩擦。（ρ _海水＝1.0×10 ³kg/m ³）

（1）求该重物的重力是多少？

（2）求钢丝绳拉力F做功的功率是多少？

（3）求该重物在空中匀速上升过程中滑轮组的机械效率。

解放前，我国经济很落后，一些地区过着极其原始的生活。如图所示，就是为了解决饮水问题，需要到很远地方挑水的示意图。为了防止道路不好水溅出桶外，在水面上覆盖木板（如图），若一个木板质量为 $500g$，密度为 $0.8\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$，每个桶内水深 $30\mathit{cm}\left({\rho }_{水}=1.0\times {10}^3\mathit{kg}/m^3\right)$，求：

（1）桶底受到的水产生的压强；

（2）一个木板受到的浮力及静止时露出水面的体积；

（3）扁担与绳质量忽略不计，扁担长度 $1.5m$，每桶水总重 $180N$，扁担与肩膀接触点距离扁担右端 $55\mathit{cm}$，支撑手距离扁担左端也是 $55\mathit{cm}$，则支撑手受到的扁担产生的压力。

康康家有一台动感单车，结构如图1所示。使用时人可以像骑自行车一样骑行，由于车轮不接触地面，所以在骑行时整车的位置不发生移动。

（1）康康骑车时，车轮转动发出“唰唰”声，分析表明，声音是由物体的　　产生的。

（2）关于动感单车，下列说法正确的是　　。

$A$．单车的脚踏、曲柄和齿轮共同组成轮轴

$B$．车座下方的弹簧受力越大，其弹性形变越小

$C$．移动单车时，让车前端小轮着地，用滚动代替滑动来增大摩擦

$D$．单车静止在水平地面上时，地面对单车的支持力和单车对地面的压力是一对平衡力

（3）如图2所示是某次康康移动单车时的操作图，请在图2中画出他在 $A$点所施加动力 $F_1$的力臂 $l_1$；

（4）单车的骑行阻力可调节。如图3所示，在车轮上方有一个摩擦片，逆时针旋转“刹车球头”，与之相连的摩擦片上移，顺时针旋转“刹车球头”，摩擦片下移。通过调节“刹车球头”，就可以方便调节骑行阻力。如果想增大阻力，你将如何调节“刹车球头”：　　。

（5）如图4所示是动感单车的扶手。按压电子仪表的“开始按钮”同时将双手握住“手握感应片”，电子仪表的显示屏就可以显示骑行人的心率，若双手没握或握不紧“手感应片”时，显示屏就不显示骑行人的心率。你认为这个“手握感应片”在电路中的作用相当于一个　　（选填“开关”或“电源” $)$。

（6）康康受显示屏可以显示心率的启发，想设计一个体重秤，当人坐在车座上，身体其它部位不接触车体时，就可粗略显示骑行者受到的重力。如图5是其工作原理的部分示意图。他所选用的压敏电阻 $R$的电阻值会随压力增大而减小，他将电压表的示数转换为相应的重力值，当人的体重越大时，电压表的示数就越大，则他应在图5所示的 $A$、 $B$、 $C$、 $D$四个点中选择　　两个点将电压表接入电路。

“贵阳至南宁高速铁路”项目于2016年12月开工，全线长约512km，设计最高行车速度达350km/h。该高铁线途径河池市的环江、金城江、都安等地，预计2021年正适通车运行，通车后河池市将步入高铁时代。建设中用到的某种起重机的结构示意图如图所示，用该起重机将放在水平地面上的长方体混凝土墩放入水中。起重机的吊臂OAB粗细不计，可以看作杠杆，吊臂B端连着滑轮组，已知混凝土墩的密度为2.5×10³kg/m³、底面积为4m²、高为2m，ρ_水＝1.0×10³kg/m³．求：

（1）混凝土墩的质量；

（2）混凝土墩被提起到最高点静止时，立柱CA恰好竖直，OA：OB＝1：6．若忽略滑轮组、钢丝绳和吊臂的重力及各种摩擦，则起重机立柱CA对吊臂A点竖直向上的作用力是多少N。

（3）混凝土浸没在水中后，它匀速下降过程中所受钢丝绳的拉力。（不计水的阻力）

阅读短文，回答问题。

探索月球背面

2018年12月8日，我国嫦娥四号和巡视器（月球车）组合体发射升空，经历20多天的漫长旅程，终于在2019年1月3日着陆月球背面并成功分离。月球车首次近距离拍摄了月球背面照片，并通过卫星传回地面，月球车也因此被命名为“玉兔二号”。图1是“玉兔二号”在月球背面留下的第一道印迹。嫦娥四号探测器在月球背面成功着陆还是人类首次，踏出了全人类在月球背面的第一步。

人类从地球上直接观看月球，只能观测到一面，看不到月球背面。为什么总看不到月球背面呢？月球围绕地球公转的同时也在自转。万有引力定律告诉我们：地球和月球之间存在相互作用的引力，月球上离地球越远的位置，受到地球的引力越小。如果月球自转的周期与公转的周期不相等，月球上同一部分受到地球的引力就会发生变化，这导致月球不同岩石之间产生摩擦，逐渐减慢自转的速度，最终使得月球自转与绕地球公转的周期相同，因此总是同一面朝向地球。

（1）嫦娥四号需要的能量主要由太阳能电池板提供，太阳能电池板工作时是将　     　能转化为电能；

（2）物体在月球上所受“重力”是在地球上所受重力的六分之一，“玉兔二号”在地球上对地面的压强是其对月球表面压强的　     　倍（假设接触面积不变）。但是因月球表面较软，所以印迹较为明显（如图1）；

（3）如图2所示，如果 $A$和 $B$是月球上两块质量相同的岩石，它们受到地球的引力分别为 $F_A$和 $F_B$，那么 $F_A$　     　 $F_B$（填“大于”“小于”或“等于”）。

某实验小组在研究某种物质的属性时，日常需将物体浸没在煤油中保存，将体积为 $1\times {10}^{-3}{m}^3$、重 $6N$的该物体用细线系在底面积为 $250c{m}^2$的圆柱形容器的底部，物体浸没在煤油中，如图所示， $\left(g=10N/\mathit{kg},{\rho }_{\mathit{煤油}}=0.8\times {10}^3\mathit{kg}/m^3\right)$

（1）细线受到的拉力是多大？

（2）若细线与物体脱落，待物体静止后煤油对容器底的压强变化了多少？

党的十九大报告提出，要建设生态宜居、生活富裕的新农村。某兴趣小组在社会实践中来到某乡村建筑工地，建筑工地工人们用如图甲所示的滑轮组来提升重物，不计绳重和摩擦。

（1）一个工人质量为 $60\mathit{kg}$ ，竖直向上匀速拉动 $700N$ 的重物时，绳上拉力为 $400N$ ，将重物提升 $2m$ 用时 $20s$ ，滑轮组的机械效率为多少？

（2）在这 $20s$ 的时间内拉力的功率为多少 $W$ ？

（3）该工人能够提升的最重的物体约为多少 $\mathit{kg}$ ？

（4）请你设计另一种最省力的绕线方式，并画于图乙中。

（5）利用最省力的方式，提升 $800N$ 的重物，求绳上拉力的大小？

（6）利用最省力的方式，竖直向上以 $0.15m/s$ 的速度匀速拉动绳子，求 $20s$ 物体上升的距离？

平衡车作为一种新兴的代步工具，深得年轻人的喜欢，小华最近购入一台平衡车，他仔细阅读此款平衡车的说明书，主要参数如下：

平衡车整车参数
净重	12kg
最高车速	16km/h
电动机额定功率	900W
额定输入电压	220V
额定输出电压	63V
最大载重	85kg

（1）小华的质量为60kg，当他站立在平衡车上静止时，车轮与水平地面的接触总面积为4×10 ^{﹣ 3}m ²，则此时平衡车对水平地面的压强有多大？

（2）小华家距公园1.6km，他骑行此款平衡车以最高车速从家到公园，需要多长时间？

（3）若平衡车正常工作时，发动机提供的牵引力为180N，则小华以最高车速从家行驶到公园，牵引力的功率为多少？（假设小华从家到公园做匀速直线运动）

阅读短文，回答问题

胡克定律

弹力的大小和形变的大小有关系，形变越大，弹力也越大，形变消失，弹力就随着消失。对于拉伸（或压缩）形变来说，伸长（或缩短）的长度越大，产生的弹力就越大。把一个物体挂在弹簧上，物体越重，把弹簧拉得越长，弹簧的拉力也越大。物体发生弯曲时产生的形变叫做弯曲形变。对于弯曲形变来说，弯曲得越厉害，产生的弹力就越大。例如，把弓拉得越满，箭就射得越远；把物体放在支持物上，物体越重，支持物弯曲得越厉害，支持力就越大。

在金属丝的下面挂一个横杆，用力扭这个横杆，金属丝就发生形变，这种形变叫扭转形变。放开手，发生扭转形变的金属丝产生的弹力会把横杆扭回来。金属丝扭转角度越大，弹力就越大。

定量的研究各种形变中弹力和形变的关系比较复杂，我们经常遇到的是弹簧的拉伸（或压缩）形变。实验表明：弹簧弹力的大小 $F$和弹簧伸长（或缩短）的长度 $x$成正比。写成公式就是 $F=\mathit{kx}$，其中 $k$是比例常数，叫做弹簧的劲度系数，在数值上等于弹簧伸长（或缩短）单位长度时的弹力。劲度系数跟弹簧的长度、材料、粗细等都有关系。弹簧丝粗的硬弹簧比弹簧丝细的软弹簧劲度系数大。对于直杆和线的拉伸（或压缩）形变，也有上述比例关系。这个规律是英国科学家胡克发现的，叫做胡克定律。

胡克定律有它的适用范围。物体形变过大，超出一定的限度，上述比例关系不再用，这时即使撤去外力，物体也不能完全恢复原状。这个限度叫做弹性限度。胡克定律在弹性限度内适用。弹性限度内的形变叫做弹性形变。

（1）弹簧测力计的工作原理遵从　      　定律。当用弹簧测力计测物体重力时弹簧的形变主要　      　是（选填“拉伸形变”、“弯曲形变”或“扭转形变”）。

（2）使用弹簧测力计时注意不能超过它的量程，是为了避免超过弹簧的　     　。

（3）弹簧的　      　在数值上等于弹簧伸长（或缩短）单位长度时的弹力，它与受力大小　       　（选填“有关”或“无关”），它的单位是　      　（选填“ $N/m$”、“ $N/m^2$“或“ $N·m$”）。

为了探究滑动摩擦力大小与什么因素有关，小夏设计了如图所示实验（实验所用棉布比木板表面粗糙）。

（1）实验过程中，弹簧测力计应沿水平方向拉着物块做 　      　运动，根据 　      　知识，可知滑动摩擦力的大小等于弹簧测力计的示数。

（2）在这四次实验中，滑动摩擦力最小的是 　      　（选填"甲"、"乙"、"丙"或"丁"）。

（3）比较甲、乙两次实验，是为了探究滑动摩擦力大小与 　      　是否有关；比较乙、丙两次实验，是为了探究滑动摩擦力大小与 　      　是否有关。

（4）比较甲、丁两次实验，发现甲实验中弹簧测力计的示数大于丁实验中弹簧测力计的示数，小夏由此得出结论：滑动摩擦力大小与接触面积的大小有关。你认为他的结论是 　      　的（选填"正确"或"错误"），理由是 　      　。

（5）小夏对实验装置进行改进后，如图戊所示，当他再进行实验时，发现效果更好。请你说出改进后的优点是 　      　（写出一条即可）。

某制作小组所设计的电饭锅，其结构如图所示，控制系统中的感温磁体与受热面固定在一起，当温度低于 ${103}^{°}\text{C}$ 时，感温磁体具有磁性。

煮饭时用手向下按动开关，通过轻质传动杆 $\mathit{AOB}$ 使永久磁体和感温磁体吸合，触点闭合，电路接通，发热板开始发热。当温度达到 ${103}^{°}\text{C}$ 时，感温磁体失去磁性，永久磁体受重力及弹簧的弹力作用而落下，通过传动杆使触点分开，发热板停止发热。

（1）画出使触点分开时 $B$ 点受到的力和力臂。

（2）若用 $4N$ 的力按下开关， $B$ 端受到的阻力为 $1N$ ，则动力臂和阻力臂之比为 　　，如果手按下的距离为 $0.5\mathit{cm}$ ，则永久磁体和感温磁体之间的距离至少是 　　 $\mathit{cm}$ 。

（3）用电饭锅烧水（在标准气压下），水沸腾时 　　（能 $/$ 不能）自动断电。

汽车已经成为现代生活不可缺少的一部分，某研究小组对汽车开展调查研究。

（1）图甲是汽车的刹车结构示意图，根据图片分析，这是 　　杠杆（选填"省力"、"费力"或"等臂" $)$ ；某段道路的标志牌如图乙所示，为什么同样的道路上，对不同车型设定不一样的最高行驶速度 　　。

（2）（多选）汽车在行驶过程中遇到危急情况要紧急刹车。从发现情况到汽车停止的距离叫做停车距离，停车距离等于反应距离加上制动距离。下列行为会使停车距离变长的是 　　。

$A.$ 疲劳驾驶

$B.$ 酒后驾驶

$C.$ 接听电话

$D.$ 开车前系好安全带

（3）内燃机有四个工作冲程，图丙是内燃机的 　　冲程。

（4）假设某款纯电动汽车在平直公路上匀速行驶时，每百公里耗电30千瓦时，若电能转化为机械能效率为 $85\%$ ，则汽车匀速行驶时受到阻力为 　　 $N$ 。若质量和外形完全相同的燃油汽车，它的能量转化率为 $30\%$ ，以相同速度在同一路面上匀速行驶，每行驶百公里需要消耗的燃油为 　　 $\mathit{kg}$ 。（汽油的热值为 $q=4.6\times {10}^{7}J/\mathit{kg}$ ，结果保留1位小数）

（5）若电价为0.6元 $/$ 千瓦时，汽油价格为7.0元 $/$ 升，每行驶百公里，电动汽车比燃油汽车节省 　　元。（汽油的密度 $\rho =0.71\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$ ，结果保留1位小数）

如图甲所示，用电动机和滑轮组把密度为 $3\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$，体积为 $1m^3$的矿石，从水底匀速整个打捞起来， $g$取 $10N/\mathit{kg}$，水的密度为 $1\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$．求：

（1）矿石的重力；

（2）矿石浸没在水中受到的浮力；

（3）矿石露出水面前，电动机对绳子拉力的功率为 $2.5\mathit{kW}$，矿石上升过程中的 $s-t$图象如图乙所示，求滑轮组的机械效率；

（4）如果不计绳重及绳子与滑轮间的摩擦，矿石露出水面后与露出水面前相比，滑轮组机械效率会如何改变？为什么？

如图是静止在水平地面上的拉杆旅行箱的示意图， $O$ 是轮子的转轴， $O\text{'}$ 是箱体的重心。以 $O$ 为支点，画出力 $F$ 的力臂和箱体所受重力的示意图。