初中物理能量解答题

某电热加湿器具有防干烧功能，可在水量不足时自动停止工作，其工作原理如图所示；水箱中的加热器具有高、低两挡功率调节功能，其内部电路（未画出）由开关 $S$和阻值分别为 $121\Omega$和 $48.4\Omega$的电阻丝 $R_1$、 $R_2$组成。轻弹簧的下端固定在水箱底部，上端与一立方体浮块相连，浮块内有水平放置的磁铁。该加湿器为防干烧已设定：仅当浮块处于图中虚线位置时，固定在水箱侧壁处的磁控开关方能闭合而接通电路。

（1）当处于高功率挡时，加热器工作 $2.5\mathit{min}$所产生的热量全部被 $1\mathit{kg}$的水吸收后，水温升高了 ${50}^{°}\text{C}$．已知加热器处于低功率挡时的功率为 $400W$，电压 $U=220V$，水的比热容 $c_{水}=4.2\times {10}^{3}J/\left(\mathit{kg}{\cdot }^{\circ }\text{C}}\right)$。

①求加热器处于高功率挡时的功率；

②请画出加热器内部电路。

（2）当向水箱内缓慢加水使浮块上升至图中虚线位置时，浮块下表面积距水箱底部的高度为 $20\mathit{cm}$，弹簧对浮块的弹力大小为 $6N$，浮块（含磁铁）的质量为 $0.4\mathit{kg}$， $g$取 $10N/\mathit{kg}$。

①求浮块上升至虚线位置时排开水的体积；

②该加湿器所设定的防干烧最低水面距水箱底部的高度为　　 $\mathit{cm}$，理由是　　。

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白光 $\mathit{LED}$灯

目前，常用的白光 $\mathit{LED}$以蓝光 $\mathit{LED}$为芯片，其上涂有黄色荧光粉，通电后， $\mathit{LED}$芯片发出蓝光，其中一部分照射到荧光粉上，荧光粉发出波长比蓝光长的黄光，该黄光与另一部分蓝光混合射出，人眼便感觉到白光，生活中常用的白光 $\mathit{LED}$灯是将多个白光 $\mathit{LED}$连接而成的。

实验表明，白光 $\mathit{LED}$的发光强度与其通过电流的占空比成正比。通常通过 $\mathit{LED}$的电流随时间变化的规律如图1所示，电流的占空比 $D=\frac{t_0}{T}$，在电流周期 $T$小于人眼视觉暂留时间（约 $0.1s)$的情形下，人眼便感觉不到灯的闪烁。

人眼对亮度的感觉（即“视觉亮度” $)$与 $\mathit{LED}$发光强度变化并不一致，当光强度均匀增大时，视觉亮度并非均匀增加。弱光时，光强增大一倍，视觉亮度的增加多于一倍；强光时，光强增大一倍，视觉亮度的增加不足一倍。

生活中，白光 $\mathit{LED}$调光台灯的电流设置了恰当的占空比变化规律，使视觉亮度均匀变化。

（1）文中所述人眼感觉到的白光是由　　混合而成的。

（2）文中所述白光 $\mathit{LED}$发出的两种色光　　。

$A$．均由荧光粉产生

$B$．均由 $\mathit{LED}$芯片产生

$C$．波长短的由 $\mathit{LED}$芯片产生，波长长的由荧光粉产生

$D$．波长短的由荧光粉产生，波长长的由 $\mathit{LED}$芯片产生

（3）白光 $\mathit{LED}$灯通入图中所示电流时，在 $0-2T$时间内，不发光的时间段为　　和　　。

（4）下列是四种电流的 $t_0$和 $T$值，它们的 $I_0$均相同。分别用它们对同一白光 $\mathit{LED}$灯供电，其中人眼感觉不到闪烁，且发光强度最大的是　　。

$A$． $t_0=1.8s$， $T=2s$

$B$． $t_0=0.8s$， $T=1.0s$

$C$． $t_0=0.05s$， $T=0.1s$

$D$． $t_0=0.02s$， $T=0.03s$

（5）某白光 $\mathit{LED}$调光台灯共有5级亮度，要使人眼对 $1~5$级的“视觉亮度”均匀增大，下列图象中电流的占空比设置符合要求的是　　。

如图所示的电路中，电源电压为 $9V$，灯泡 $L$上标有“ $6V1.2W$”的字样，闭合开关 $S$，灯泡恰好正常发光，求此时：

（1）通过灯泡 $L$的电流；

（2）电阻 $R$的阻值；

（3）整个电路消耗的电功率。

某市中考实验操作考试时，实验员为同学们“探究小灯泡的额定电功率”准备了以下器材：额定电压为 $2.5V$的小灯泡（正常发光时电阻约为 $10\Omega )$、规格为“ $10\Omega 1A$”的滑动变阻器、新干电池4节、开关、电流表、电压表、导线若干。

【设计实验与制定计划】

（1）请你用笔画代替导线，将图甲所示的电路连接完整；

（2）在闭合开关前，应将滑片 $P$移到最　　（选填“左”或“右” $)$端；

（3）在右边虚线方框内画出对应的电路图；

（4）经检查，电路连接无误，各元件完好。闭合开关后，无论怎样移动滑片 $P$，电压表的示数都调不到 $2.5V$，存在这种问题的原因是　　，让小灯泡正常发光最简便的方法是：　　；

（5）解决上述问题后，移动滑片 $P$使电压表的示数为 $2.5V$时，小灯泡正常发光，此时电流表示数图如乙所示，则小灯泡的额定功率是　　 $W$。

图甲为测定额定电压为“ $2.5V$”小灯泡电功率的实验电路，电源电压恒为 $3V$不变。

（1）请用笔画线代替导线，将图甲中的实物图连接完整。

（2）闭合开关前，滑片应移到滑动变阻器的最　　端（选填“左”或“右” $)$。

（3）正确连接好电路，闭合开关，发现灯泡不亮，电流表有示数，电压表无示数；移动滑片，发现除了电流表示数改变外，其余均无变化。经检查，电压表完好，则故障可能是小灯泡　　（选填“短路”或“断路” $)$。

（4）排除故障后，移动滑片，实验小组记下多组对应的电压表和电流表的示数，并绘制成图乙所示的 $I-U$图像，由图像可计算出小灯泡的额定功率为　　 $W$。

（5）实验过程中，当电压表示数为 $1V$时，滑动变阻器连入电路的阻值为　　 $\Omega$。

若架设在两地之间的输电线发生了短路，如何方便快捷地确定短路的位置？

针对这一实际问题，某物理兴趣小组模拟真实情景，运用“建模”思想进行了研究：用两条足够长的电阻丝模拟输电线（每条电阻丝单位长度阻值为 $r)$，将导线连在电阻丝 $A$处模拟输电线短路，如图1甲所示。他们把一个电源（电压恒为 $U_0)$、一个定值电阻（阻值为 $R_0)$和一块电压表用导线连接起来装入一个盒内，并引出两根导线到盒外，制成检测盒，如图1乙所示。检测时将盒外的两根导线分别与模拟输电线 $B$端的两接线柱相连，从而构成检测电路。通过读取盒内电压表的示数、经过计算得知短路处到 $B$端的距离。

请你解答如下问题：

（1）在图1乙所示的检测盒内画出元件连接情况的电路图；

（2）根据你设计的检测电路，推导出 $\mathit{AB}$间距离 $L$与电压表示数 $U$的关系式：

（3）进一步研究发现，当电压表的量程为 $0~\frac{U_0}{2}$时，如果短路位置改变，需考虑测量值超电压表量程的可能。于是在检测盒中增加两个单刀双掷开关（符号 $)$，通过操作这两个开关来改变电压表的连接，完成检测。请在改进后的检测盒内画出元件连接情况的电路图（如图2所示）。

阅读短文，回答问题。

水陆两栖飞机“鲲龙” $\mathit{AG}600$

2018年10月20日，国产大型水陆两栖飞机“鲲龙” $\mathit{AG}600$成功实现水上起降，如图所示。 $\mathit{AG}600$装有4台国产 $\mathit{WJ}6$涡轮螺旋桨发动机，是国家为满足森林灭火和水上救援的迫切需要，研制的大型特种用途民用飞机，既能在陆地上起降，又能在水面上起降，是一艘会飞的船。

飞机发动机的热效率和推进效率是反映飞机性能的重要指标。发动机的热效率是指发动机获得的机械能与燃料完全燃烧产生的内能之比，推进效率是指发动机传递给飞机的推进功（推力所做的功）与获得的机械能之比。

飞机的部分参数如下表所示：

$\mathit{WJ}6$发动机数量	4台	最大起飞质量	$53.5t$
最大巡航速度	$500\mathit{km}/h$	发动机巡航推力	$4.6\times {10}^{4}N$
发动机的热效率	$40\%$	发动机的推进效率	$\dots \dots$

（1）“鲲龙” $\mathit{AG}600$在水面降落的过程中，重力势能　　，动能　　。

（2）机翼外形做成上凸下平的流线型是利用了　　的原理，从水面产生较大的升力。

（3） $\mathit{AG}600$以最大速度满载巡航 $2h$，消耗燃油 $5000\mathit{kg}$，燃油完全燃烧获得的内能是　　 $J$，此过程中发动机的推进效率为　　。（燃油的热值为 $q=4.6\times {10}^{7}J/\mathit{kg})$

（4）观看“鲲龙” $\mathit{AG}600$在水面上起降后，小明发现“鲲龙” $\mathit{AG}600$与普通飞机不同，机身下部制成“ $V$”形，除了能减小阻力外，这样设计的目的还有　　。

在如图所示的电路中，闭合开关 $S$ 后，至少有一个电表发生变化，已知电路中只有一处故障，且发生在电阻 $R_1$ 或 $R_2$ 上。请写出两电表的变化情况及其对应的故障。

阅读短文，回答文后的问题。

热阻

当物体或物体的不同部分之间存在温度差时，就会发生热传递。传导是热传递的一种方式，物体对热量的传导有阻碍作用，称为热阻，用 $R$表示。物体的热阻与物体在热传导方向上的长度 $l$成正比、与横截面积 $S$成反比，还与物体的材料有关，关系式为 $R=\frac{l}{\mathit{\lambda S}}$，式中 $\lambda$称为材料的导热系数，不同材料的导热系数一般不同。房屋的墙壁为了保温，往往使用导热系数较小的材料。如果墙壁一侧是高温环境，温度始终为 $t_1$；另一侧是低温环境，温度始终为 $t_2$，墙壁中形成稳定的热量流动，则单位时间内从高温环境传导到低温环境的热量 $Q$与墙壁两侧的温度差成正比，与墙壁的热阻成反比。

（1）热量传导过程和电流相似，温度差相当于电路中　　

$A$．电流

$B$．电压

$C$．电阻

$D$．电功率

（2）铜汤勺放在热汤中，把手很快就会烫手，而塑料把手的汤勺不会烫手。由此可知铜和塑料的导热系数大小： ${\lambda }_{铜}$　　 ${\lambda }_{\mathit{塑料}}$（填“ $>$”“ $<$”或“ $=$” $)$。

（3）如图甲所示，热量在墙壁中传导，虚线标出的墙壁正中间处的温度为　　。

（4）如图乙所示，热量在墙壁中传导，在传导方向上的长度为 $L_1$，横截面积为 $S$，导热系数为 ${\lambda }_1$；在墙壁一侧紧贴一层保温层，保温层与墙壁面积相同，在热传导方向上的长度为 $L_2$，导热系数为 ${\lambda }_2$，则单位时间内从高温环境传导到低温环境的热量 $Q=$　　。

如图为某校物理小组设计的具有加热和保温功能的电热器内部简化电路。为热敏电阻，阻值随温度升高而减小。、、均为电热丝，且．闭合开关、，电热器开始加热。

（1）控制电路中，电磁铁的上端是　　极。

（2）加热时，动触点与上方静触点，接通，工作电路的总功率是多少？

（3）电磁铁对衔铁的吸引力与控制电路中电流的关系如图所示。当电磁铁对衔铁的吸引力为时，动触点与下方静触点接通，进入保温状态，此时热敏电阻的阻值是多少？

（4）保温状态下，的功率为，则工作电路消耗的电能是多少？

小萍同学想利用如图甲所示电路研究通过小灯泡（额定电压为3伏）的电流与它两端电压的关系。她根据图甲完成图乙的部分连接，待连接完整后，移动滑动变阻器滑片，记录了多组数据，作出了图像 $a$ ，还作出了电流大小与电源电压大小的关系图像 $b$ （如图丙所示）。（已知滑动变阻器最大阻值为20欧）。

（1）根据图甲将图乙中的实物图连接完整。（要求：滑动变阻器滑片向右移动，小灯泡变亮）

（2）根据图像 $a$ ，描述通过小灯泡的电流与小灯泡两端电压的关系。 　　

（3）当电流表示数为 $0.12A$ 时，电压表的示数为多少？

（4）图丙阴影部分的面积表示 　　。

阅读短文，回答问题。

地铁

南通即将进入地铁时代。乘坐地铁需文明出行、确保安全。地铁站的站台上标有黄色警戒线；乘客应留意车厢内红、绿色的线路指示灯。手持式安检仪用于检测乘客是否携带违禁金属物品，工作人员能根据安检仪发出低沉或尖锐的警报声，判断金属物品的大小；手持式安检仪的电池容量为 $2\times {10}^3\mathit{mAh}$，额定电压为 $9V$，额定功率为 $0.36W$，电池容量指放电电流与放电总时间的乘积；当剩余电量减为电池容量的 $10\%$时，安检仪不能正常工作。

图甲为另一种安检仪的原理模型，固定的矩形虚线区域内存在方向竖直向上的磁场，宽度为 $0.6m$。边长 $0.2m$的正方形金属线圈 $\mathit{abcd}$放在水平传送带上，可随传送带一起以速度 $v$匀速运动。线圈进、出磁场过程中会产生电流，从而线圈会受到大小随线圈速度增大而增大、方向水平的磁场力作用，因此线圈与传送带间也存在摩擦力；运动过程中线圈整体处于磁场中时，线圈中无电流产生。在线圈与传送带间无相对滑动时，传送带克服线圈摩擦力做功的功率 $P$与对应的速度 $v$的数据如表。

$v/m·s^{-1}$	0.2	0.3	0.5	0.6	0.8
$P/W$	0.016	0.036		0.144	0.256

（1）候车时乘客越过黄色警戒线会有危险，那是因为流体的流速越大，压强越　　；有乘客手捧鲜花进入车厢，所有乘客都闻到了花香，这是因为分子在　　。

（2）下列说法中，正确的是　　。

$A$．手持式安检仪也能检测出酒精等易燃违禁物品

$B$．通过手持式安检仪报警声的音调可判断金属物大小

$C$．站立的乘客拉住扶手是为了避免受惯性作用造成伤害

$D$．佩戴紫色眼镜的乘客也能准确辨别出线路指示灯的颜色

（3）手持式安检仪正常工作时的电流为　　 $\mathit{mA}$；电池充满电后，安检仪能正常工作的最长时间为　　 $h$。

（4）分析表中数据，当传送带速度为 $0.5m/s$时，传送带克服线圈摩擦力做功的功率 $P=$　　 $W$；线圈进入磁场时受到的摩擦力 $f$与传送带匀速运动的速度 $v$的变化关系如图乙所示，则当 $v>$　　 $m/s$时线圈将在传送带上滑动。

（5）设传送带的速度保持 $0.2m/s$不变。已知线圈的 $\mathit{bc}$边进入磁场时， $\mathit{bc}$边受到的磁场力方向水平向左，当 $\mathit{bc}$边出磁场时，由于 $\mathit{ad}$边受到磁场力作用，线圈会受到方向水平向　　（选填“左”或“右” $)$的摩擦力的作用；将多个与图甲中相同的线圈每隔相同时间△ $t$从传送带的左端逐一释放，释放后线圈即与传送带保持 $0.2m/s$的速度一起运动。则△ $t=$　　 $s$时，一段时间后，传送带就会不间断的受到一个线圈的摩擦力作用。

如图所示是某款有加热和保温功能的电热饮水机的电路原理图，机内有温控开关 $S_0$，该饮水机的部分参数已知：额定电压为 $220V$，加热时的总功率为 $880W$，保温时的功率为 $80W$， $R_1$、 $R_2$为加热电阻丝（假设它们的阻值不变）。饮水机在额定电压下工作时，求：

（1）加热时电路中的总电流为多少？

（2）保温状态下，5分钟消耗的电能是多少焦？

（3）当开关 $S$和 $S_0$都闭合时是在加热状态还是保温状态？并请你求出 $R_1$的电阻是多大？

如图1为一款利用高温水蒸气熨烫衣服的便携式挂烫机，它的正常工作电压为 $220V$，水箱装水最多 $0.3\mathit{kg}$，加热功率有大小两个挡位，设计师最初设计的内部电路有如图2甲、乙两种接法，其中电热丝 $R_1=56\Omega$， $R_2=44\Omega$。

（1）高温水蒸气熨烫衣服时，水蒸气遇到衣服迅速　　成小水珠，放出热量，将衣服熨平（填物态变化名称）；

（2）如果选择甲电路，电路中最大电流为　　 $A$，如果选择乙电路，电路中最大电流为　　 $A$，由于两个电路中所选熔断器里的熔丝允许通过的最大电流为 $8.2A$，故设计师最终选择了甲电路；（计算结果保留一位小数）

（3）请分别计算这款挂烫机两个挡位的额定功率；

（4）若将水箱中 $0.22\mathit{kg}$的水从 ${25}^{°}\text{C}$加热到 ${100}^{°}\text{C}$，挂烫机至少需要加热多长时间？ $[$水的比热容 $c=4.2\times {10}^{3}J/\left(\mathit{kg}{\cdot }^{°}\text{C}\right)]$。

在综合实践活动中，科技小组设计了一个由压敏电阻控制的报警电路如图所示，电源电压恒为 $18V$，电阻箱最大阻值为 $999.9\Omega$．报警器（电阻不计）通过的电流达到或超过 $10\mathit{mA}$会报警，超过 $20\mathit{mA}$会损坏。压敏电阻 $\mathit{Rx}$在压力不超过 $800N$的前提下，其阻值随压力 $F$的变化规律如下表所示。

压力 $F/N$	0	50	100	150	200	250	300	$\dots$
电阻 $\mathit{Rx}/\Omega$	580	560	540	520	500	480	460	$\dots$

（1）为不损坏元件，报警电路允许消耗的最大功率是多少？

（2）在压敏电阻 $\mathit{Rx}$所受压力不超过 $800N$的前提下，报警电路所选滑动变阻器的最大阻值不得小于多少？

（3）现要求压敏电阻受到的压力达到或超过 $200N$时，电路报警按照下列步骤调试此报警电路：

①电路接通前，滑动变阻器滑片 $P$置于 $b$端；根据实验要求，应将电阻箱调到一定的阻值，这一阻值为　　 $\Omega$；

②将开关向　　端（填数字）闭合，调节　　，直至　　；

③保持　　，将开关向另一端闭合，报警电路即可正常使用。

（4）对（3）中已调试好的报警电路，现要求压敏电阻受到的压力达到或超过 $700N$时，电路报警，若电源电压可调，其它条件不变，则将电源电压调为　　 $V$即可。