初中物理能量计算题

小华家使用的是天然气热水器，他尝试估测该热水器的效率，以核对铭牌上的数值是否准确。当只有该热水器使用天然气时，把 $50\mathit{kg}$的水从 ${20}^{°}\text{C}$加热到 ${54}^{°}\text{C}$，天然气表的示数由 $1365.05m^3$变为 $1365.17m^3$，已知水的比热容 $c_{水}=4.2\times {10}^{3}J/\left(\mathit{kg}{\cdot }^{\circ }\text{C}\right)$。天然气的热值 $q=7.0\times {10}^{7}J/m^3$．求：

（1）水吸收的热量；

（2）消耗的天然气完全燃烧放出的热量；

（3）该热水器的效率。

如图所示，水平桌面上放置一圆柱形容器，其内底面积为 $200c{m}^2$，容器侧面称近底部的位置有一个由阀门 $K$控制的出水口，均匀物体 $A$是边长为 $10\mathit{cm}$的正方体，用不可伸长的轻质细线悬挂放入水中静止，此时物体 $A$有 $\frac{1}{5}$的体积露出水面，细线受到的拉力为 $12N$，容器中水深为 $18\mathit{cm}$。已知细线能承受的最大拉力为 $15N$，打开阀门 $K$，使水缓慢流出，当细线断裂时立即关闭阀门 $K$，关闭阀门 $K$时水流损失不计，细线断裂后物体 $A$下落过程中不翻转，物体 $A$不吸水。

（1）从细线断裂到物体 $A$下落到容器底部的过程中，求重力对物体 $A$所做的功。

（2）物体 $A$下落到容器底部稳定后，求水对容器底部的压强。

（3）阅读后解答：

当细线断裂后，物体 $A$所受重力与浮力将不平衡，物体 $A$所受重力与浮力之差称为物体 $A$所受的合外力 $F$（不计水对物体 $A$的阻力），由牛顿第二定律可知：所受的合外力会使物体产生运动的加速度 $a$，并且合外力与加速度之间关系式为： $F=\mathit{ma}$（式中的 $F$单位为 $N$， $a$的单位为 $m/s^2$， $m$为物体的质量，其单位为 $\mathit{kg})$

通过阅读以上材料，求物体 $A$从全部浸没于水面之下时至恰好沉到圆柱形容器底部的过程中加速度 $a$的大小。

如图甲所示的电路，电源电压保持不变。小灯泡 $L$标有“ $4V1.6W$ “的字样，滑动变阻器 $R_1$的最大阻值为 $20\Omega$，定值电阻 $R_2=20\Omega$，电流表的量程为 $0~0.6A$，电压表的量程为 $0~3V$．求：

（1）小灯泡正工作时的电阻是多少？

（2）只闭合开关 $S$、 $S_2$和 $S_3$移动滑动变阻器 $R_1$的滑片 $P$使电流表示数为 $0.5A$时， $R_2$消耗的电功率为 $1.25W$．此时滑动变阻器 $R_1$接入电路中的阻值是多少？

（3）只闭合开关 $S$和 $S_1$，移动滑动变阻器 $R_1$的滑片 $P$，小灯泡 $L$的 $I-U$图象如图乙所示，在保证各元件安全工作的情况下，滑动变阻器 $R_1$允许的取值范围是多少？

如图所示是一款新型四轮沙滩卡丁车，其满载时的质量为 $600\mathit{kg}$，每个车轮与沙滩接触的面积为 $500c{m}^2$，卡丁车满载时在水平沙滩上匀速直线运动， $10\mathit{min}$行驶 $6\mathit{km}$，它的发动机功率恒为 $11.5\mathit{kW}$。

（1）当卡丁车满载并静止在水平沙滩上时，它对沙滩的压强为多少帕？

（2）此次行驶中卡丁车所受的阻力为多少牛？

（3）该卡丁车以汽油为燃料，若在这次行驶中消耗汽油 $0.6\mathit{kg}$，求该卡丁车汽油机的效率。 $\left(q_{\mathit{汽油}}=4.6\times {10}^{7}J/\mathit{kg}\right)$

额定电压为 $9V$的小灯泡的 $I-U$图像如图（a）所示。将小灯泡接入图（b）所示的电路中，电源电压恒定。将滑动变阻器的滑片移至最右端，闭合开关 $S$和 $S_1$，小灯泡正常发光，电流表示数为 $0.4A$．求：

（1）小灯泡的额定功率；

（2）定值电阻 $R$的阻值；

（3）只闭合开关 $S$，将滑动变阻器的滑片由右端逐渐向左移动，求滑动变阻器允许接入电路的最大阻值。

塔吊是一种常见的起重设备，图是塔吊的示意图。电动起重机在 $2\mathit{min}$内将质量为 $3t$的物体匀速提升 $30m$高，又用 $1\mathit{min}$使物体在水平方向平移 $15m$。 $(g$取 $10N/\mathit{kg})$求：

（1）吊物体的钢丝绳 $3\mathit{min}$内对物体所做的功；

（2）吊物体的钢丝绳 $3\mathit{min}$内对物体所做功的功率；

（3）若电动机提升物体时的效率为 $90\%$，平移物体时的功率为 $2\mathit{kW}$，求电动机 $3\mathit{min}$内消耗的电能。

如图所示电路中，电源电压保持恒定，电阻 $R_1$的阻值为 $10\Omega$，电阻 $R_2$的阻值为 $40\Omega$，只闭合开关 $S$和 $S_1$，将滑动变阻器 $R$的滑动触头从最左端移到最右端的过程中，电流表的示数为 $0.2A$逐渐增大到 $0.6A$，求：

（1）电源的电压 $U$；

（2）滑动变阻器 $R$的最大阻值；

（3）要使整个电路消耗的电功率为最大，请写出开关 $S_1$、 $S_2$的开闭状态和滑动变阻器滑片 $R$的滑动触头所在位置，并计算出电功率的最大值。

空气炸锅，因其烹制食物脂防含量低，美味酥脆，无油烟味，深受广大市民青睐。如图甲所示，为某品牌空气炸锅，其发热元件为两个电阻。 $R_1=50\Omega$， $R_2=200\Omega$．额定工作电压为 $220V$，内部电路可简化为图乙所示电路，当开关 $S_1$闭合，开关 $S$接 $b$端时为高温挡；开关 $S_1$闭合，开关 $S$断开时为中温挡。

（1）中温挡正常工作时，求流过电阻 $R_2$的电流。

（2）高温挡正常工作时，求电阻 $R_1$、 $R_2$消耗的总功率。

（3）若用此空气炸锅加工薯条，原料薯条温度为 ${20}^{°}\text{C}$，炸熟至少需要达到 ${170}^{°}\text{C}$，求一次炸熟 $200g$薯条需要吸收的热量。 $c_{\mathit{薯条}}$取 $3.63\times {10}^{3}J/\left(\mathit{kg}{\cdot }^{°}\text{C}\right)$

（4）若使用空气炸锅高温挡完成以上烹制，空气炸锅电能转化为热能效率为 $75\%$，求烹制一次薯条需要的时间。

植保无人机因其操控简单、喷洒均匀、省时高效等优点，在现代农业中发挥着重要作用，图为某型号双起落架植保无人机，其项目参数如下表：

项目	参数
外形尺寸（长宽高）	$3090\mathit{mm}*3090\mathit{mm}*680\mathit{mm}$
飞机质量	$20\mathit{kg}$
药箱容量	$30L$
起落架底面积（单个）	$1\times {10}^{-2}{m}^2$
聚合物动力电池	$30000\mathit{mA}·h$
充电电压	$40V$
最佳作业速度	$8m/s$

（1）若以最佳作业速度飞行，求无人机 $2\mathit{min}$飞行的距离。

（2）求加满药箱的农药质量 $({\rho }_{\mathit{农药}}$取 $1.1\times {10}^3\mathit{kg}/m^3)$。

（3）求空载时静止在水平地面上的无人机产生的压强 $(g$取 $10N/\mathit{kg})$。

（4）电池充满电后，求无人机储存的电能。

如图甲所示，电源电压保持不变，小灯泡 $L$正常发光时的电阻为 $6\Omega$，闭合开关 $S$，调节滑动变阻器的滑片 $P$，从最上端 $a$滑至最下端 $b$的过程中，电流表示数与两电压表示数的关系图像如图乙所示。

求：（1）小灯泡的额定功率和定值电阻 $R_0$的阻值；

（2）滑动变阻器的最大阻值；

（3）电路总功率的变化范围。

救援队用吊绳打捞沉到水池底部的实心长方体沉箱，如图甲所示，提升过程中始终以 $0.15m/s$的速度竖直向上匀速提起，图乙是吊绳的拉力 $F$随时间 $t$变化的图像，整个提起过程用时 $80s$， $g$取 $10N/\mathit{kg}$，水的密度为 $1.0\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$，不计水的阻力及水面高度的变化。

求：（1）开始提起 $(t=0)$时，沉箱下表面受到水的压强（不计大气压）；

（2） $0~40s$内拉力的功率；

（3）沉箱的密度为多大。

国家提倡节能减排，各地“煤改气”正在积极进行，某同学计算他家天然气烧水的热效率，将 $2\mathit{kg}$的水倒入烧水壶中，并测出水温为 ${20}^{°}\text{C}$，在一个标准大气压下，把水刚加热到 ${100}^{°}\text{C}$时，测出消耗天然气 $0.048m^3$，已知水的比热容 $c_{水}=4.2\times {10}^{3}J/\left(\mathit{kg}{\cdot }^{\circ }\text{C}\right)$，天然气热值约为 $q=4.0\times {10}^{7}J/m^3$。

求：（1）将这些水烧开，需吸收多少热量；

（2）在这种情况下，燃烧的天然气放出了多少热量；

（3）他家天然气灶的效率。

如图甲所示电路中，电源电压保持不变， $R_0$为定值电阻， $R$为滑动变阻器。闭合开关 $S$．移动滑片 $P$，滑动变阻器消耗的电功率与电流关系的图象如图乙所示求

（1）滑动变阻器的最大阻值；

（2） $R_0$的阻值和电源电压。

骨胳、肌肉和关节构成了人体的运动系统，最基本的运动都是肌肉牵引骨胳绕关节转动产生的，其模型就是杠杆。如图所示是踮脚时的示意图，人体的重力为阻力，小腿肌肉施加的拉力为动力。重 $600N$的小明在 $1\mathit{min}$内完成50个双脚同时踮起动作，每次踮脚过程中脚跟离开地面的高度是 $9\mathit{cm}$。求：

（1）小腿肌肉对每只脚的拉力；

（2）小明踮脚过程中克服重力做功的功率。

如图甲所示的电路，电源电压保持不变。小灯泡 $L$标有“ $2.5V0.25A$”字样，滑动变阻器 $R_1$的最大值为 $30\Omega$，定值电阻 $R_2=30\Omega$，电流表的量程为 $0~0.6A$，电压表的量程为 $0~3V$．求：

（1）小灯泡的额定功率是多少？

（2）只闭合 $S$、 $S_2$和 $S_3$，将变阻器 $R_1$的滑片 $P$调到中点时，电流表示数为 $0.45A$，则电源电压是多少？

（3）只闭合开关 $S$、 $S_1$，移动变阻器的滑片 $P$，小灯泡 $L$的 $I-U$图像如图乙所示。在保证各元件安全的情况下，滑动变阻器 $R_1$允许的取值范围是多少？