初中物理能量综合题

问题解决 $--$制作电子拉力计：

现有如下器材：

一个电压恒为 $12V$的电源；一个阻值为 $20\Omega$的定值电阻 $R_0$；一个量程为 $0~0.6A$的电流表；一个开关；若干导线；一根长为 $8\mathit{cm}$、阻值为 $40\Omega$的均匀电阻丝 $R_1$（它的阻值与其长度成正比）；一根轻质弹簧，一端可以固定，另一端和金属滑片 $P$固定在一起 $(P$与 $R_1$间的摩擦不计），它的伸长量与受到的拉力关系图象如图乙所示。

（1）请利用上述器材制作电子拉力计，在图甲所示方框中画出设计的电路图。

（2）请推导出拉力 $F$与电流表示数 $I$的关系式，并在图丙所示的电流表表盘上标出拉力为 $0N$， $20N$， $40N$对应的刻度值。

如图是一种自动测定油箱内油面高度的装置，R是滑动变阻器，它的金属滑片是杠杆的一端，且受定位挡板限制只能在电阻上滑动．当油面在A处时，滑动变阻器的滑片恰好在最下端；当油面在B处时，滑动变阻器的滑片在最上端．从油量表（由电流表改装而成）指针所指的刻度，可以知道油箱内油面的高度．现已知油的密度ρ=0.8×10³kg/m³，电源电压是6V，定值电阻R′的阻值是12Ω．

（1）若浮标有2×10^-4m³的体积浸入油中，则油对它的浮力是多大？（g取10N/kg）提示：F_浮=ρ_油gV_排
（2）当油面处在A处时，电流表示数为多少？
（3）已知电流增大时，电流表指针向右偏转，则＿＿＿＿＿．

A．油面下降时，电流表指针向右偏转

B．油量表零刻度线一定与电流表原零刻度线相重合

C．油量表的刻度值从左往右是逐渐增大的

D．油箱内的油越少，流过电流表的电流越大

小金看到工人为水平广场换新的地砖，他发现砖已经被太阳晒得很热，这引起了他的兴趣：地砖经过一整天的暴晒，温度能达到多高？这么多地砖对广场地面会产生多大的压强？他发现地砖包装盒上印着砖的规格 $50\mathit{cm}\times 50\mathit{cm}\times 4\mathit{cm}$；每块质量为 $30\mathit{kg}$；密度为 $3\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$，小金用红外线温度计测得一天内，砖的最高温度为 ${52}^{°}\text{C}$，最低温度为 ${22}^{°}\text{C}$． $(g=10N/\mathit{kg}$，砖的比热为 $900J/\left(\mathit{kg}{·}^{°}\text{C}\right))$根据上述数据，回答下列问题：

（1）广场受到地砖产生的压强为多大。

（2）一块广场砖的温度从 ${22}^{°}\text{C}$升高到 ${52}^{°}\text{C}$，需要吸收热量是多少？

（3）小金查到，晴天时地球表面每平方接受到太阳辐射功率大约为 $1.2\times {10}^{3}W$．若根据这一数据，实际辐射到这块地砖上的太阳能将远远大于问题（2）的计算结果，由此可得地砖的温度将远远高于 ${52}^{°}\text{C}$，为什么出现如此大的差异呢？请你做出分析。

学习了电学知识后，小明、小亮和小慧所在的兴趣小组发现：电学量的变化往往能够用来反映力学、热学、光学等物理量的变化。在老师的点拨下，他们在探究过程中不断完善和优化方案，共同设计了一种用电学量的变化来反映力学量——距离变化的装置。
如图所示是他们最初设计的装置原理图。图中R₀是定值电阻，ab是沿竖直方向固定放置的金属杆，其总电阻为9Ω，长60cm，粗细均匀，电阻随长度均匀变化。M是上下均有挂环、可沿竖直导轨上下移动的小物块，M上连有一根左端有滑片P、电阻不计的水平金属细杆，细杆、导线及P与ab均接触良好，P在ab的中点时，对应于肘既不上移也不下移的位置。
除金属杆ab、小物块M、金属细杆和导轨外，他们还准备了以下器材：

A.电源（提供4 V的稳定电压）
B.电流表A（量程0—0.6 A）
C.电压表V_１（量程0～3 V）
D.电压表V₂（量程0～15V）
E.定值电阻R₀（1Ω、3Ω、5Ω和6Ω的电阻各一个）
F.开关S一个，导线（足够长）若干
（1）认真研究该原理图后，小慧认为图中只需一个电表即可，于是她将电流表去掉，则电流表所在处应该_____________ （填“让其断路”或“用一根导线替代”）。
（2）小明和小亮认为：该装置应该尽量大地反映M移动的距离范围，同时还希望电压表上的每根刻度线都能够表示出肘移动的距离值。要达到此目的，电压表应该选_______ （填器材序号字母）；定值电阻R₀应该选阻值为_______Ω的。
（3）在他们改进并初步完善的设计方案中，P在ab的中点，M既不上移也不下移时，电压表的示数是______________。

如图所示，滑动变阻器 $R$的最大阻值为 $20\Omega$，将其滑片移到 $b$端，闭合开关 $S$，电流表的示数为 $0.3A$，小灯泡的实际功率为 $0.9W$，闭合开关 $S$，将滑动变阻器滑片移到 $a$端，小灯泡恰能正常发光。不考虑灯丝电阻的变化，电源电压恒定，求：

（1）小灯泡的阻值和电源电压；

（2）小灯泡的额定功率；

（3）滑动变阻器 $R$的最大功率。

有一种WSJ﹣60型号电水壶，图甲是电水壶的电路图，L₁为电源指示灯、L₂为保温指示灯、L₃为加热指示灯，R₁、R₂、R₃；为指示灯的保护电阻，其大小为100kΩ左右；R为加热器，其电阻小于100Ω；S₁、S₂为压键开关；ST温控器是一个双金属片温控开关，当温度较低时，其处于闭合状态，当温度升高到一定值后，会自动断开，从而实现了自动温度开关控制．

当水壶放在底座上时，就分别压下开关键S₁、S₂，并通电路，如果插头插入插座后，就接通了电源，电源指示灯就亮，反之就断开．
该壶有手动和自动两种工作状态．
当钮子开关拨到手动挡时，加热电阻连入，开始加热，水沸腾以后再将钮子开关拨回．
当钮子开关拨到自动挡时，此时通过ST温控器将加热电阻连入，并开始加热；当水沸腾后，ST温控器的触点断开，进入保温状态，保温指示灯亮；当水的温度低于某温度后，ST温控器又重新接通，再次进入加热状态．
若加热器电阻阻值随温度改变而发生的变化可忽略不计，根据以上叙述与观察，请回答以下问题．
（1）在下列空格中填写“亮”或“不亮”．
a．手动状态通电工作时，电源指示灯      ．加热指示灯      ．保温指示灯      ．
b．自动状态通电工作时，水沸腾前：电源指示灯      ，加热指示灯      ，保温指示灯      ．水沸腾后：电源指示灯      ，加热指示灯      ，保温指示灯      ．
（2）现将一满壶25℃的水在标准大气压下烧开需时10min．请汁算该电水壶的热效率．水的比热容c=4.2×10³J/（kg•℃）．
（3）通过分析电水壶的电路，说明为什么处于自动状态下，水未沸腾前，保温指示灯是不亮的？

问题解决 $--$设计“超重报警器”：

小雨想利用电磁继电器自制一种“超重报警器”。要求：当物重达到 $150N$时，电铃响报警，反之绿灯亮显示正常。他找来以下器材：电磁继电器（部分电路已接好），轻质硬刻度尺、电铃、绿灯、滑轮各一个，线绳和导线若干，一根轻质硬弹簧，一端已经固定，另一端连接触点 $P$，弹簧的最大伸长量与触点 $P$、 $M$之间的距离相等，弹簧能承受的最大拉力为 $50N$。

请利用上述器材帮小雨制作“超重报警器”在虚线框中完成装置设计，并简述工作过程。

阅读短文，回答文后的问题，
风寒温度
人们都有这样的体验：走在街上，穿着的衣服感觉冷暖刚好适宜，这时突然起了一阵大风，顿时感觉周身寒冷，这就是风寒效应，风寒效应会影响人体对冷的感觉，导致人体感觉的温度与温度计的示数有明显的差别．原来，人体的主要散热部位是皮肤，通过皮肤红外辐射、接触传导热量、冷热空气对流和汗液蒸发等方式散热．当无风时，在人体皮肤和周围空气之间有一个比较稳定的空气层，由于空气是热的不良导体，可以起到保温作用；当刮风时，稳定的空气保温层不断被新来的冷空气所代替，并把热量带走，风速越大，人体散失的热量越快、越多，人也就感觉越寒冷．科学家提出用风寒温度描述刮风时人体皮肤感觉的温度，并通过大量实验找出了风寒温度和风速的关系．下表是在气温为5℃时，风寒温度和风速的关系．

（1）风会使人感觉更寒冷的原因主要是加强了下列_______散热方式．

A．辐射

B．传导

C．对流

D．汗液蒸发

（2）一个质量为50kg的人散失热量4.2×10⁵J，如果人体没有产生相应的热量，则体温将下降_______℃．[人体的比热容取4.2×10³J/（kg．℃）]
（3）利用表格给出的数据作出风寒温度风速图像．

（4）当气温为5℃，风速为35km/h时，地面的水会结冰吗？
答：_____________________．
（5）根据所给数据，用T表示风寒温度，t表示气温，v表示风速，请你写出三者关系的表达式：____________________________．

体育课上，小明在同位置用相同的力多次将足球踢出，发现足球斜向上飞出的角度越大，球运动得越高，但并不能运动得越远，这是什么原因呢？

小明向老师请教，老师说：这是常见的种抛体运动，将足球以一定的速度向斜上方踢出，足球所做的运动叫做斜抛运动，其运动轨迹如图甲所示。足球起始运动方向与水平方向的夹角叫做抛射角，抛出点到落地点的水平距离叫做射程，射程与抛出速度和抛射角的大小有关。

若不计空气阻力，请回答下列问题：

（1）足球的质量是0.4kg，它受到的重力是多少？（取g＝10N/kg）

（2）若足球从地面踢出时具有的动能是120J，踢出后能达到的最大高度是5m，足球在最高点时具有的动能是多少？

（3）若足球的射程X与抛出速度v、抛射角θ之间满足公式X $=\frac{2v^2\mathit{sin\theta cos\theta }}{g}$，当足球以20m/s的速度且与水平方向成45°角踢出，足球的射程是多少？（取g＝10N/kg）

（4）足球以30°抛射角踢出，其动能E_k随水平位置s变化关系的图象如图乙所示。若该球在同位置以60°抛射角且与前次大小相同的速度踢出，请你在答题卡的同一坐标中画出此次足球的动能随水平位置变化关系的大致图象。

某安全设备厂研发了一种新型抗压材料，要求对该材料能承受的撞击力进行测试。如图甲所示，材料样品（不计质量）平放在压力传感器上，闭合开关 $S$ ，将重物从样品正上方 $h=5m$ 处静止释放，撞击后重物和样品材料仍完好无损。从重物开始下落到撞击样品，并最终静止在样品上的过程中，电流表的示数 $I$ 随时间 $t$ 变化的图像如图乙所示，压力传感器的电阻 $R$ 随压力 $F$ 变化的图像如图丙所示。已知电源电压 $U=12V$ ，定值电阻 $R_0=10\Omega$ ，重物下落时空气阻力忽略不计。求：

（1）重物下落时，重物作 　　速直线运动，其重力势能转化为 　　能；

（2） $0~t_1$ 时间内，重物在空中下落，电流表示数是 　　 $A$ ，压力传感器的电阻是 　　 $\Omega$ ；

（3） $t_1~t_3$ 时间内，重物与样品撞击，通过电流表的最大电流是 　　 $A$ ，样品受到的最大撞击力是 　　 $N$ ；撞击后重物静止在样品上，定值电阻 $R_0$ 的功率是 　　 $W$ ；

（4）重物在空中下落的过程中，重力做功是多少？

小聪利用光敏电阻为社区设计了一种自动草坪灯，其工作原理如图所示。工作电路中有两盏规格均为"220V 44W"的灯泡L，天暗时灯自动发光，天亮时灯自动熄灭。控制电路中电源电压U恒为6V，定值电阻R ₀为200Ω。在一定范围内，光敏电阻R的阻值与光照强度E（光照强度E的单位为lx，光越强光照强度越大）之间存在一定关系，部分数据如表所示。电磁铁的线圈电阻忽略不计，当天色渐暗，通过线圈的电流为0.02A时，恰好启动工作电路的照明系统。试问：

光照强度E/lx	1.0	2.0	3.0	4.0	5.0
光敏电阻R/Ω	120	60	40	30	24

（1）随着光照强度减小，光敏电阻R的阻值 　    　（选填"增大"或"减小"），电磁铁的磁性 　    　（选填"增强"或"减弱"），当光照强度减小到一定值时，衔铁会被 　    　（选填"吸下"或"释放"），照明系统启动。

（2）两盏灯均正常发光时，工作电路中的总电流是多少？

（3）照明系统恰好启动时，光敏电阻R的阻值为多少？此时光照强度为多少？

如图甲是某品牌家用电吹风，其电路如图乙所示，R₁、R₂为电阻丝，M为电动机。通过调节开关，可使电吹风分别处于“停止”“冷风”“暖风”或“热风”四种状态。

（1）要使电吹风正常工作，图甲中的A处应安装 　    　，B处应安装 　    　。（选填“电动机”或“电阻丝”）

（2）如图乙，要使电吹风处于“冷风”状态，应闭合开关 　    　，要使电吹风处于“暖风”状态，应闭合开关 　    　。

（3）已知电吹风处于“暖风”状态时，从出风口吹出的空气温度升高了20℃；处于“热风”状态时，从出风口吹出的空气温度升高了30℃。假设这两种状态下的热效率相同，相同时间内吹出的空气质量相同，则R₁：R₂＝　    　。

（4）电吹风用了几年后，由于电阻丝的升华，实际发热功率会 　    　（选填“变大”、“变小”或“不变”）。

武都引水工程被誉为“第二个都江堰”，具有防洪、灌溉、生态环保、国土资源保护、工业生活供水、旅游以及发电等综合利用功能的大型骨干水利工程。作为武引一期工程的骨干屯水库 $--$沉抗水库位于绵阳市的游仙区沉抗镇境内，距离绵阳市区15公里，现已成为绵阳的著名旅游景点“仙海风景区”。作为二期工程内容的武都水库位于我市江油武都镇的涪江干流上。总库容5.72亿立方米，碾压混凝土大坝高120米，设计控灌面积228万亩。武都电站是依托武都水库兴建的坝后式电站，装有三台机组，总装机容量15万千瓦 $\left(g=10N/\mathit{kg},{\rho }_{水}=1.0\times {10}^3\mathit{kg}/m^3\right)$。

①若电站实际年平均发电量为6.1亿 $\mathit{kW}\cdot h$，电力系统吸收的有效电量为5.745亿 $\mathit{kW}\cdot h$，其中电厂用电 $0.5\%$，出厂后专用输变电损失 $1\%$，按平均上网电价0.28元 $/\mathit{kW}\cdot h$计算，电站年收益多少亿元？（保留三位数）

②若电站水面落差（水面与发电机之间的高度差）为 $80m$，按装机容量满负荷发电，发电机机械能转化为电能的效率为 $75\%$，水的流量 $Q$为多少？（流量 $Q:$单位时间内流过截面积的体积）

③仙海中学兴趣小组在仙海湖面上做实验，用一机动船拖拉一无动力的木船以 $1.5m/s$匀速前进，机动船的质量为 $2\times {10}^3\mathit{kg}$，内燃机功率为 $170\mathit{kW}$，木船下部都可以视为长方体，底面面积为 $12m^2$，吃水深度 $0.4m$，两船受到的阻力都是船重的0.5倍，机动船的内燃机效率是多少？

在赤峰市某中小学科技小制作活动中，小华同学设计了一个简易的能调节亮度的小台灯，原理图如图所示，其中灯泡 $L$上标有“ $6V6W$”字样。当开关 $S$接 $a$时， $L$恰好正常发光；当开关 $S$接 $b$时， $L$中的电流为 $0.2A$． $R_1$为定值电阻，且电源电压和小灯泡 $L$电阻保持不变。求：

（1）小灯泡 $L$的电阻及电源电压；

（2） $R_1$的阻值；

（3）开关 $S$接 $b$时，小灯泡 $L$的实际功率；

（4）开关 $S$接 $b$时， $10s$时间内 $R_1$上产生的热量。

某实验小组在"探究电流与电阻的关系"实验中，按如图甲所示的电路图正确连接电路，逐次将不同阻值的电阻 $R$ 接在 $a$ 、 $b$ 间，每次闭合开关前，滑动变阻器的滑片均移到阻值最大端。

（1）当接入的电阻 $R$ 为 $5\Omega$ 时，闭合开关，电流表无示数，电压表示数如图乙所示，移动滑片，两表指针保持不动。若电路中只有一处故障，则故障是 　　；电源两端的电压为 　　 ____ $V$ 。

（2）排除故障后进行如下操作：①闭合开关，记录电流表示数；②移动滑片使电压表示数为 $U_0$ 时，记录电流表示数；③当接入的电阻 $R$ 分别为 $10\Omega$ 、 $15\Omega$ 时，闭合开关，重复步骤②；④当接入的电阻 $R$ 为 $\mathit{Rx}$ 时，闭合开关，电压表示数大于 $U_0$ ，记录电流表示数：⑤利用测得的数据绘制出如图丙所示的图象。

（3）实验中，滑动变阻器消耗的最大功率为 　　 $W$ 。

（4）仍使用原有器材，若使以上四个电阻都能为实验所用，应控制 $a$ 、 $b$ 之间的电压至少为 　　 $V$ 。