初中物理能量计算题

某次旅游，密闭大巴内坐满了游客，司机忘了打开换气设备，时间一久，车内二氧化碳浓度上升，令人头晕脑胀。为此，小明设计了车载自动换气设备

（一 $)$小明找来二氧化碳气敏电阻 $R_x$，其电阻值与空气中二氧化碳浓度关系如表格所示，其中二氧化碳浓度为0时， $R_x$阻值模糊不清，他对该电阻阻值进行测量

二氧化碳浓度 $/\%$	0	5	10	15	20	25	30
$R_x/\Omega$		28	22	17	13	10	8

小明把空气通过氢氧化钠溶液，得到二氧化碳浓度为0的空气，并收集于集气瓶中，再将 $R_x$置于其中

（1）图甲电源电压恒为 $6V$，请以笔画导线完成电路图剩余部分的连接。要求，滑片 $P$向 $B$端移动时，电压表、电流表的示数都变大

（2）开关 $S$闭合前，滑片 $P$应移至　　（选填“ $A$”或“ $B$” $)$端。

（3）闭合开关 $S$，发现电流表无示数，电压表有示数。电路某一故障可能为　　。

$A$、 $S$断路 $B$、 $R^{\text{'}}$断路 $C$、 $R_x$短路 $D$、 $R_x$断路

（4）排除故障后，移动滑片 $P$，电压表、电流表示数如图乙所示，二氧化碳为0时， $R_x$的阻值为　　 $\Omega$

（5）请在丙图中画出 $R_x$阻值与空气中二氧化碳浓度的关系图像

（二 $)$小明利用电磁继电器设计车载自动换气设备，如图丁所示，控制电路，恒为 $6V$的蓄电池，开关 $S$，定值电阻 $R_0$，二氧化碳气敏电阻 $R_x$，电磁继电器的线圈电阻不计，线圈电流大于 $0.1A$时衔铁被吸下，线圈电流小于 $0.1A$衔铁被弹回，受控电路包括，恒为 $24V$的蓄电池，额定电压均为 $24V$的绿灯、红灯、换气扇。

（6）请以笔画线完成电路连接，要求：闭合开关 $S$，周围空气中二氧化碳浓度小于 $8\%$时，绿灯亮；大于 $8\%$时，红灯亮且换气扇正常工作。

（7）定值电阻 $R_0$的阻值应为　　 $\Omega$。

2012年某日，太平洋某海域，“蛟龙号”完成了下潜前的准备，腹部挂好压载铁块；舱内科考队员均就位；舱门封闭如图甲所示，此时“蛟龙号”的工作参数如表格所示 $(g$取 $10N/\mathit{kg})$

状态	满载
整体体积	$22.3m^3$
整体质量	$24.95t$
海水密度	$1.1\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$

问：（1）在海水中 $1.2\mathit{km}$深处完成科考任务后，发现液压系统故障，无法抛掉压载铁块，只得启动“蛟龙号”两侧的螺旋桨，两侧螺旋桨共同作用使“蛟龙号”获得竖直向上的推力 $F_{推}$，帮助“蛟龙号”匀速上升，不计海水对“蛟龙号”的阻力，匀速上升过程中， $F_{推}$有多大？

（2）上升过程耗时 $2h$， $F_{推}$做功的功率多大？

（3）为保障电动机驱动螺旋桨用电，舱内其他用电器都被关闭，仪表显示上升过程中耗电 $2\mathit{kW}·h$，此过程中，电能转化为 $F_{推}$做功的效率有多大

（4）接近水面时，关闭两侧螺旋桨，轮船用滑轮组将“蛟龙号”从水中匀速吊离水面至高处，如图乙、丙所示，已知动滑轮总质量为 $50\mathit{kg}$，不计绳重及轮、轴之间摩擦，此过程中，滑轮组绳端拉力的最大值多大？与之对应的滑轮组机械效率的最大值为多大？

如图甲所示，1标准大气压下，普通煤炉把壶内 ${20}^{°}\text{C}$， $5\mathit{kg}$水烧开需完全燃烧一定质量的煤，此过程中，烧水效率为 $28\%$，为提高煤炉效率，浙江大学创意小组设计了双加热煤炉，如图乙所示，在消耗等量煤烧开壶内初温相同，等量水的过程中，还可额外把炉壁间 $10\mathit{kg}$水从 ${20}^{°}\text{C}$加热至 ${40}^{°}\text{C}$， $q_{煤}=3\times {10}^{7}J/\mathit{kg}$， $c_{水}=4.2\times {10}^{3}J/\left(\mathit{kg}{\cdot }^{\circ }\text{C}}\right)$，以上过程中，

问：（1）普通煤炉完全燃烧煤的质量有多大？

（2）双加热煤炉的烧水效率有多大？

张老师向同学们展示了一只具有高、低温两挡调节功能的自制电加热器，并告知其内部电路由电阻丝 $R_1$、 $R_2$、和开关 $S_1$三个元件组成，两根电阻丝允许通过的最大电流均为 $1A$， $R_1=10\Omega$，在不拆解加热器的情况下，小军用图1电路对其进行探究：他先闭合 $S_2$，电流表的示数为 $0.24A$；再闭合 $S_1$，电流表的示数变为 $0.84A$，所用电源电压为 $6V$．

（1）电阻丝 $R_2$的阻值为　　 $\Omega$；

（2）若电源电压可调，闭合 $S_1$和 $S_2$后，为保证电路安全，求此电加热器允许消耗的最大电功率；

（3）张老师指导小军仅利用原有元件对该电加热器的内部电路进行改装，要求改装后的电加热器须同时满足下列两个条件：

①具备高、低温两挡调节功能；

②在 $6V$电源电压下，用高温挡给 $0.1\mathit{kg}$的水加热 $14\mathit{min}$，可使水温升高 ${7.2}^{°}\text{C}$，设电加热器消耗的电能全部转化为水的内能。

请在图2虚线框中画出内部改装电路图，并通过计算说明。

最近，一项“中国原创”重大发明成为世界关注的焦点！它被称为“空中奔跑的巴士”（又称巴铁），预计今年7月进行测试，其模型如图所示，巴铁依靠电力驱动在钢轨上行驶，相当于40辆柴油公交车的运量，若1辆柴油公交车日常行驶时发动机的平均输出功率为 $60\mathit{kW}$，发动机的效率为 $30\%$，每消耗 $1\mathit{kg}$柴油排放二氧化碳约为 $3\mathit{kg}$，柴油的热值近似取 $q=4.0\times {10}^{7}J/\mathit{kg}$。

（1）若巴铁在 $100s$内沿直线行驶了 $1500m$，求这段时间内巴铁的平均速度；

（2）按柴油公交车每日行驶 $10h$计算，镇江若引进1辆巴铁取代40辆柴油公交车，则每日可减少二氧化碳排放量多少千克？

（3）巴铁车内电器每天需消耗 $60\mathit{kW}·h$的电能，若这些电能全部由车顶上的太阳能电池板来提供，已知该太阳能电池板 $1m^2$面积上接收到的太阳平均辐射功率为 $1\mathit{kW}$，光电转化效率为 $20\%$，每天日照时间按 $6h$计算，求需太阳能电池板的最小面积。

用如图所示的滑轮组将重 $90N$的货物匀速提升 $1m$的过程中，所用拉力 $F=50N$，不计绳重及滑轮与轴之间的摩擦。

（1）求上述过程中的有用功 $W_{\mathit{有用}}$；

（2）求上述过程中的总功 $W_{总}$；

（3）求滑轮组的机械效率 $\eta$。

阅读短文，回答问题

空气净化器

由于雾霾天气的增多，空气净化器逐渐走入家庭，其工作过程（如图甲）是：脏空气进入净化器时，灰尘被正电钨丝放电而带上正电，流到负电路栅板时，带电灰尘被吸附。此后经过活性炭层时，化学有毒气体被吸附，排出空气的污染物浓度大幅降低，多次循环后变成洁净空气。

洁净空气量 $\left(\mathit{CADR}\right)$是反映其净化能力的性能指标， $\mathit{CADR}$值越大，其净化效率越高。利用 $\mathit{CADR}$值，可以评估其在运行一定时间后，去除室内空气污染物的效果。按下列公式计算 $\mathit{CADR}:$

$\mathit{CADR}=\frac{2.3V}{t}(V$：房间容积； $t$：空气净化器使房间污染物的浓度下降 $90\%$运行的时间。 $)$

其铭牌如表：

规格	额定电压	频率	额定功率	洁净空气量 $\left(\mathit{CADR}\right)$
$\mathit{GH}-2034A$型	$220V$	$50\mathit{HZ}$	$44W$	$138m^3/h$

（1）负电格栅板吸附灰尘的原理是　　。

（2）取出使用一段时间后的活性炭，可以闻到刺激性的气味，说明分子在　　。

（3）该空气净化器正常工作时的电流为　　 $A$。

（4）某房间的使用面积为 $18m^2$，高度是 $3m$。此空气净化器　　（能 $/$不能）在1小时内使房间污染物浓度下降 $90\%$。

（5）可变电阻是制作二氧化碳传感器的常用元件，图乙为其控制电路，电源电压保持 $6V$恒定， $R_1$为可变电阻，其阻值随二氧化碳浓度变化如图丙， $R_0$为定值电阻，当浓度为 $0.031\%$时，电压表示数为 $1V$，则 $R_0$阻值为　　 $\Omega$，当电压表示数大于 $3V$时，二氧化碳浓度大于　　 $\%$，此时空气净化器会自动报警。

如表为某品牌取暖用油汀的铭牌，其内部电路如图所示。 $R_1$和 $R_2$均为电热丝， $S_1$是温度自动控制开关。闭合开关 $S$， $30\mathit{min}$内油汀消耗的电能为 $0.88\mathit{kW}·h$．求：

额定电压		$220V$
额定 功率	低温挡	$880W$
	高温挡	$2200W$

（1）通过 $R_1$的电流；

（2）电热丝 $R_2$的电阻；

（3） $30\mathit{min}$内开关 $S_1$闭合的时间。

小明的质量为 $50\mathit{kg}$，每只鞋与地面接触面积为 $250c{m}^2$． $g$取 $10N/\mathit{kg}$。

（1）求小明的重力大小；

（2）求小明单脚站立时对地面的压强；

（3）小明从教学楼1楼走到5楼，估算他上楼时做的功。

阅读短文，回答文后的问题。

                                     体脂率

脂肪是人体的重要成分，主要分布在内脏周围和皮肤下面，脂肪供给维持生命必需的能量，氧化热值约为 $3.8\times {10}^{7}J/\mathit{kg}$，皮下脂肪还能防止热量散失，脂肪过量使人肥胖、并导致一些慢性疾病，人体脂肪率表示脂肪含量的多少、简称体脂率，是人体中脂肪质量与人体总质量的百分比，脂肪的密度约为 $0.9g/c{m}^3$、肌肉、骨骼等人体其他成分的精密度为 $1.1g/c{m}^3$，只要测出人体组织密度就可以算出体脂率，人体阻值密度可以采用水下称重法测量：先测出受试人的肺活量 $V$，然后用称量设备测出人的重力 $G_1$，受试人进入，浸没在水面下尽力呼气，此时体内剩余气体约为肺活量的 $\frac{1}{4}$，用称量设备测量体重的重力为 $G_2$，水的密度为 ${\rho }_{水}$．由此可以计算出人体阻值密度和体脂率，另外，因为脂肪几乎不含水分，其导电性和其他成分不同，所以还可以用测量人体电阻的办法来计算体脂肪率。

（1） $1\mathit{kg}$脂肪氧化最多可以释放的热量为　　 $J$。

（2）比较脂肪和人体其他成分的物理属性，下列说法错误的是　　。

$A$．密度较小    $B$．导热性较差 $C$．导电性较差   $D$．比热容较大

（3）人体组织密度的表达式为 ${\rho }_{人}=$　　（不用化简）。

（4）对过于肥胖无法自行浸没在水面下的人，可以采取什么措施进行水下称重？

如图所示电路，电源电压保持不变。

（1）滑动变阻器的铭牌上标有“ $10\Omega 2A$”字样，求滑动变阻器两端允许加的最大电压。

（2）当滑动变阻器接入电路的阻值分别为 $2\Omega$和 $8\Omega$时，滑动变阻器消耗的功率相同，求电阻 $R_0$的阻值。

在做“探究导体中电流跟电阻的关系”的实验中，实验器材有：学生电源 $(3V$不变），电流表、电压表、定值电阻四只 $(5\Omega$、 $10\Omega$、 $20\Omega$、 $25\Omega$各一只），滑动变阻器 $M\left(10\Omega 1A\right)$，滑动变阻器 $N\left(20\Omega 1A\right)$，开关、导线若干。

（1）请你用笔画线代替导线，将图中的实物电路连接完整，要求滑片 $P$向 $B$端移动时电路中电流变大。

（2）实验过程中，使用不同定值电阻进行探究时，调节滑动变阻器的阻值，使电阻 $R$两端电压保持不变，这种方法是　　（填字母编号）；

$A$．转换法    $B$．控制变量法    $C$．等效替代法

（3）某次实验中，连接好电路，闭合开关时，发现电流表示数几乎为零，电压表示数约 $3V$，调节滑动变阻器的阻值，两电表示数均无明显变化，电路故障原因可能是　　；

（4）排除故障后，更换不同定值电阻进行了实验，记录实验数据如表：

实验次数	1	2	3	4
电阻 $/\Omega$	5	10	20	25
电流 $/A$	0.40	0.20	0.10	0.08

分析表中数据可得到的结论是：　　；

（5）实验中选择的滑动变阻器应是　　（选填“ $M$”或“ $N$” $)$。

如图所示电路， $R_1=20\Omega$， $R_2=10\Omega$，电源电压保持不变，当 $S_1$闭合， $S_2$、 $S_3$断开时，电流表的示数为 $0.6A$。

（1）求电源电压；

（2）当 $S_2$断开， $S_1$、 $S_3$闭合时，求电流表的示数；

（3）电路如何连接时，电路消耗的电功率最小？并求出该最小值。

某太阳能热水器中装有 $40\mathit{kg}$的水，阳光照射一段时间后，水温从 ${10}^{°}\text{C}$升高到 ${60}^{°}\text{C}$，已知 $c_{水}=4.2\times {10}^{3}J/\left(\mathit{kg}{\cdot }^{\circ }\text{C}}\right)$。求：

（1）热水器中的水所吸收的热量；

（2）如果水吸收的热量用天然气来提供，需要完全燃烧多少立方米的天然气？（天然气的热值为 $8.4\times {10}^{7}J/m^3$，假设天然气完全燃烧放出的热量全部被水吸收）

阅读短文，回答问题。

智能洁具

智能洁具（智能马桶、全自动洗碗机、智能浴缸等），具有温水洗净、暖风烘干、杀菌等功能，已进入百姓家庭。

某智能洁具为确保安全，插头带漏电保护装置，工作原理如图甲，连接洁具的火线与零线穿过环形铁芯，正常工作时，两线中的电流相等；若火线与零线中的电流不等，绕在铁芯上的线圈会产生电流，经放大后通过电磁铁吸起铁质开关 $S$切断电源。

这种洁具装有红外线感应装置，当人靠近时，感应装置自动升起洁具盖子；启动洗净功能，加热器将水快速加热至温控装置预设的温度，水泵喷水实施清洗，喷水杆采用纳米银（直径为纳米级的银单质）材料，杀菌效果好；清洗结束，暖风烘干机自动开启烘干功能。表一为该洁具的部分参数，表二为水泵的性能测试参数（表中流量指单位时间内水泵抽送水的体积；扬程指水泵能将水提升的高度）。

表一

额定电压	$220V$	清洗喷水量	$0.8L/\mathit{min}~1.2L/\mathit{min}$
烘干机额定功率	$180W$	加热器额定功率	$2100W$

表二

流量 $Q/(\times {10}^{-4}{m}^3\cdot s^{-1})$	0.5	0.6	0.8	1.0	1.2
扬程 $H/m$	1.25	1.80		5.00	7.20

（1）该智能洁具应选用　　线插头。当图甲电磁铁线圈中电流从 $a$流向 $b$时，电磁铁下端是　　极。

（2）下列说法正确的是　　。

$A$．红外线感应装置利用超声波进行工作

$B$．暖风烘干是靠增大面积来加快水的汽化

$C$．纳米银是银分子，喷水杆材料具有良好的导电性

$D$．漏电保护装置内的火线与零线短路时，开关 $S$不会被吸起

（3）洁具正常工作，按最大喷水量用设定为 ${38}^{°}\text{C}$的温水清洗，加热器的效率为　　 $\%$；清洗结束，暖风烘干机工作 $40s$，消耗的电能会使标有“ $3000\mathit{imp}/(\mathit{kW}\cdot h)$”的电能表指示灯闪烁　　次。 $[$水的比热容 $c=4.2\times {10}^{3}J/\left(\mathit{kg}{\cdot }^{°}\text{C}\right)$，室温为 ${18}^{°}\text{C}]$

（4）分析表二数据可得，当该水泵的流量为 $0.8\times {10}^{-4}{m}^3/s$时，其扬程为　　 $m$；当水泵的流量为 $1.0\times {10}^{-4}{m}^3/s$时，输出的水达到对应的扬程，此过程中水泵克服水重力做功的功率 $P=$　　 $W$． $(g$取 $10N/\mathit{kg})$

（5）图乙为洁具的温控装置原理图。 $R_1$是滑动变阻器， $R_2$是热敏电阻，其阻值随温度升高而减小。当 $R_1$两端电压 $U_1$增大到一定值时，控制电路将切断加热电路实现对水温的控制。

①适当　　（填“增大”或“减小” $)$电源电压，可使控制水温的预设值升高；

②电源电压设定为 $10V$，当 $R_1$接入电路的阻值为 $6\Omega$时， $R_2$的电功率为 $4W$，此时加热电路恰好被切断。若预设的水温相对较高，则控制电压 $U_1$是　　 $V$。