初中物理能量综合题

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。

阅读短文，回答问题：

阳光动力2号

如图所示，是进行过环球飞行的全球最大的太阳能飞机“阳光动力2号”。它的翼展达到了 $72m$，比一种大型波音飞机的翼展还要宽 $3.5m$；机长 $22.4m$，接近一个篮球场的长度。但由于它的机身和机翼均采用极轻的碳纤维材料制造，因此，它的质量只有 $2300\mathit{kg}$，与一辆中型轿车相差无几。

“阳光动力2号”上面共贴敷了17248片太阳能电池。这些电池可以产生最大 $70\mathit{kW}$的功率，这些电力输送给四台电动机带动螺旋桨给飞机提供动力。

白天，它会爬升到 $9000m$的高空以避开气流并最大化利用太阳能，而夜晚则半滑翔飞行，逐渐降低到 $1500m$高度，其速度并不大，因此夜里对能源的需求也大大减少。

（1）这种“极轻的碳纤维材料”的密度约为 $1.7\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$，这个密度值表示的物理意义是：　                                                　。

（2）机身上的太阳能电池以最大功率工作，在 $30\mathit{min}$的时间内产生　       　 $\mathit{kW}·h$的电能。

（3）“阳光动力2号”从白天航行转为夜里航行过程中，它的重力势能　      　（填“逐渐增大”、“不变”或“逐渐减小”）。

马剑同学利用如图甲所示电器，测定自己制作的玩具小飞机所需要的电动机工作数据，已知电源电压恒定，当滑动变阻器滑片从一端滑至另一端的过程中，两个电压表的读数与电流表的读数变化关系如图乙所示，当通过电动机的电流大于 $0.4A$时，电动机转子才转动。

（1）开关 $S$闭合前，滑动变阻器滑片应滑至最　      　端（选填“左”或“右”）；由图可知电源电压为　      　 $V$，其中　　     （选填“ $a$”或“ $b$” $)$是表示 $V_1$与 $A$变化的规律；

（2）求电动机线圈的电阻和滑动变阻器的最大阻值；

（3）在这个过程中，求电动机的最大输出功率；当电动机输出功率最大时，求电动机的效率。

近年来，人们致力于研发以电池为动力的纯电动汽车，期望更加节能环保、安全而高效，并取得了长足的进步，对于某成熟品牌的电动汽车，已知其质量恒为 $m$，在水平路面上行进过程中所受阻力恒定（不计空气阻力）。

（1）该汽车匀速爬上倾角为 $30°$的斜坡时，汽车的动能　    　，重力势能　    　，机械能　    　（选填“增大”、“减小”或“不变”）；

（2）若斜坡长为 $L$，爬坡速度为 $v_1$，求汽车爬坡所用时间；

（3）如果该汽车以 $v_2$的速度在水平路面上行驶，且牵引力的功率为 $P$，行驶 $t_2$时间内，消耗的电能为 $E$，求：在这个过程中，摩擦阻力大小及汽车的效率；

（4）若汽车在相同的水平路面上以 $\frac{1}{2}{v}_2$的速度匀速行驶时间为 $t_3$，试求牵引力在 $t_3$时间内做的功。

在比较水和煤油吸热能力的实验中，使用了相同的酒精灯、相同的设备，首先分别对质量相同的水和煤油加热相同的时间，然后分析温度的变化量得出结论，这种实验探究方法叫做　         　，该实验是利用　         　（选填“热传递”或“做功”）的方法来改变水的内能，若被加热水的质量为 $0.2\mathit{kg}$，加热时间长 $5\mathit{min}$，温度升高了 ${50}^{°}\text{C}$，则水吸收的热量是　         　，已知 $c_{水}=4.2\times {10}^{3}J/\left(\mathit{kg}{\cdot }^{\circ }\text{C}\right)$；若某同学测出了加热前、后酒精灯质量的变化量为 $m$，并利用上面测出的水吸收的热量 $Q$，通过公式 $q=\frac{Q}{m}$计算出了酒精的热值，则该热值与实际酒精的热值相比　        　（选填“偏大”“偏小”或“不变”）

阅读短文，回答问题；

伽利略对摆动的研究

据说，某个星期天，伽利略在比萨大教堂参加活动，教堂穹顶上的吊灯因风吹而不停地摆动。伽利略被摆动的节奏性吸引住了。他发现，尽管吊灯的摆动幅度越来越小，但每一次摆动的时间似乎相等。

伽利略知道脉搏的跳动是有规律的，于是便按着脉搏注视着灯的摆动，发现每一次往返摆动的时间都相同。这使他又冒出一个疑问：假如吊灯受到强风吹动，摆得高了一些，每一次摆动的时间还相等吗？回到宿舍，他用铁块制成一个摆，把铁块拉到不同高度，用脉搏细心地测定摆动的时间。结果表明每次摆动的时间仍然相同。尽管用脉搏测量时间并不精确，但已经可以证明他最初的想法是正确的，即“不论摆动的幅度大些还是小些，完成一次摆动的时间是一样的”，这在物理学中叫做“摆的等时性”。

后来，伽利略又把不同质量的铁块系在绳端做摆锤进行实验；他发现，只要用同一条摆绳，摆动一次的时间并不受摆锤质量的影响。随后伽利略又想，如果将绳缩短，会不会摆动得快些？于是他用相同的摆锤，用不同的绳长做实验，结果证明他的推测是对的。他当时得出了结论：“摆绳越长，往复摆动一次的时间（称为周期）就越长。

（1）他用铁块制成摆，把铁块拉到不同高度，高度越高，铁块的　      　能越大，铁块运动到最底端时速度越　      　。

（2）不论摆动的幅度大些还是小些，完成一次摆动的时间是一样的，这在物理学中叫做　        　。

（3）他用相同的摆锤，用不同的绳长做实验，结果证明他的推测是对的。这种研究问题的方法叫　      　法。

如图甲所示是一种家庭水箱水位测量装置示意图，电源电压 $18V$保持不变，电压表量程 $0-15V$，电流表量程 $0-3A$， $R_0$是阻值为 $10\Omega$的定值电阻， $R_1$是长 $20\mathit{cm}$、阻值为 $20\Omega$的电阻丝，滑片 $P$把电阻丝与轻质弹簧的指针连在一起。圆柱体 $M$长 $80\mathit{cm}$，底面积为 $200c{m}^2$．当水位处于最高处时， $M$刚好浸没在水中，滑片 $P$恰好在 $R_1$的最上端。轻质弹簧阻值不计， $M$全部露出水面前，弹簧的伸长长度△ $L$始终与受到的拉力 $F$成正比，如图乙所示。

（1）当水位下降时，电路中示数会随之减小的电表是　　。

（2）当水位处于最高处时，电压表的示数为多少？

（3）当水位下降，圆柱体露出水面部分的长度为 $50\mathit{cm}$时，电流表示数为多少？ $(g$取 $10N/\mathit{kg})$

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。

图甲是某小区高层住宅电梯结构的示意图，它主要是由轿厢、滑轮、配重、缆绳及电动机等部件组成，小明家住该小区某栋楼的16楼，他乘电梯从1楼匀速升到16楼用时 $50s$，已知每层楼的高度为 $3m$。小明重 $600N$．轿厢重 $5400N$，动滑轮和细绳的重力以及摩擦力均忽略不计，针对此时程，解答下列问题。

（1）拉力 $F$的功率为多大？

（2）动滑轮 $A$提升小明的机械效率为多少？

（3）图乙是该电梯超载自动报警系统工作原理的示意图，在工作电路中，当电梯没有超载时，触点 $K$与触点 $A$接触，闭合开关 $S$，电动机正常工作，当电梯超载时，触点 $K$与触点 $B$接触，电铃发出报警铃声，即使闭合开关 $S$，电动机也不工作，在控制电路中，已知电源电压为 $6V$，保护电阻 $R_2=100\Omega$，电阻式压力传感器 $R_1$的阻值随乘客压力 $\left(F_{压}\right)$大小变化如图丙所示，电磁铁线圈的阻值忽略不计，当电磁铁线圈电流超过 $0.02A$时，电铃就会发出警报声，若乘客人均重为 $700N$，该电梯最多可以乘载多少人？

某生态园设计了模拟日光和自动调温系统，实现照明、保温和加热的功能，其原理如图所示，电源电压恒为 $220V$， $R_1$和 $R_2$是两个电热丝（不考虑温度对电阻的影响）， $R_2=30\Omega$， $L$是标有“ $220V160W$”的照明灯泡，白天有日光的时候，只开启该系统的保温功能并连续工作 $10h$，此时 $R_1$与 $R_2$的电功率之比为 $1:3$，晚上温度较低的时候，需开启加热和照明功能。灯泡正常发光此状态下系统也需连续工作 $10h$， $q_{\mathit{沼气}}=1.8\times {10}^{7}J/m^3$，请解答下列问题：

（1）晚上工作时电路的总功率是多大？

（2）若一天中工作的 $20h$内电热丝放出的热量完全由该生态园自产的沼气提供，其热效率为 $50\%$，则每天需要完全燃烧多少 $m^3$的沼气？

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。

演绎式探究 $-$探究太阳的引力系数：

（1）宇宙中任何两个物体之间都存在万有引力，万有引力的大小 $F_{引}=G\frac{m_1{m}_2}{r^2}$，其中 $m_1$、 $m_2$分别为两个物体间的距离，万有引力常数 $G=6.67\times {10}^{-11}N·m^2/k{g}^2$．物体间引力和距离一定时，两个物体质量 $m_1$、 $m_2$分的关系可以用如图中图线　 $b$　来表示。

（2）行星绕恒星的运动可以近似地看作匀速圆周运动。行星受到一个恒定的指向恒星的向心力，向心力的大小 $F_{向}=m{\omega }^{2}r$，其中 $m$为行星质量， $r$为两星之间的距离， $\omega$为行星做圆周运动的角速度，其大小等于单位时间内行星与恒星连线转过的角度。行星绕恒星运动一周所用的时间用周期 $T$表示，角速度 $\omega$与转动周期 $T$的关系为： $\omega =\frac{2\pi }{T}$．行星所受向心力 $F_{向}$的大小等于恒星对行星的引力 $F_{引}$的大小。

每个星球对在它表面附件的物体都存在引力，引力与物体质量的比值叫作引力系数，用 $g$表示，我们学过地球的引力系数 $g_{地}=10N/\mathit{kg}$。对于每个星球来讲，下列公式成立： $R^{2}g=\mathit{GM}$，其中 $R$为星球半径， $g$为星球引力系数， $M$为星球质量，万有引力常数 $G=6.67\times {10}^{-11}N·m^2/k{g}^2$。

已知地球质量为 $m$，地球到太阳的距离为 $L$，太阳半径为 $R$，地球的公转周期为 $T$．请你推导出太阳的引力系数 $g_{日}=\frac{4{\pi }^2{L}^3}{R^2{T}^2}$。

进入三月份以来，东营街头出现了一种共享电动汽车。下表是这种汽车的主要参数。 $(g$取 $10N/\mathit{kg})$

空车质量	$800\mathit{kg}$
每个轮胎与地面接触面积	$50c{m}^2$
电池容量	$44\mathit{kW}·h$
标准承载	$200\mathit{kg}$
最大续航（充满电最大行驶路程）	$200\mathit{km}$
所受阻力与汽车总重的比值	0.09

（1）电动机是电动汽车的核心部分，电动机工作时能量的转化是　　。电动机的工作原理是　　。

（2）标准承载下，电动汽车静止时对水平地面的压强是多少？

（3）图2是电动汽车行驶在某路段的路程与时间图象，标准承载下，电动汽车以速度匀速行驶1分钟的耗电量为 $0.4\mathit{kW}·h$，电动机的效率是多少？

（4）若某燃油汽车百公里耗油6升，每升油5.5元，电动汽车充电每度0.8元，通过计算比较使用燃油汽车与电动汽车哪种更经济？

某品牌智能滚筒洗衣机具有洗净度高、不伤衣物、可设定洗涤温度、方便安全等优点。其简化等效电路如图所示，此时处于空挡位置。闭合开关 $S$，旋钮绕 $P$转动，实现挡位转换，旋至1档时 $R_1$、 $R_2$同时工作，洗衣机处于加热状态；旋至2档时 $R_2$和电动机同时工作，洗衣机处于保温洗涤状态。 $R_1$和 $R_2$均为电热丝，其阻值不受温度影响， $R_1=22\Omega$，主要参数如下表。 $\left(c_{水}=4.2\times {10}^{3}J/\left(\mathit{kg}{\cdot }^{\circ }\text{C}}\right)\right)$

$\ast \ast$牌智能滚筒洗衣机
额定电压	$220V$
加热功率	$2400W$
设定温度范围	${30}^{°}\text{C}~{90}^{°}\text{C}$
电动机功率	$240W$
防电墙电阻	$1\times {10}^6\Omega$

（1）洗衣机内注入 $10\mathit{kg}$的水，在额定电压下连续加热1050秒，水温由 ${20}^{°}\text{C}$上升到 ${50}^{°}\text{C}$，此过程中的加热效率是多少？

（2） $R_2$阻值是多少？

（3）洗衣机处于保温洗涤状态时，干路电流是多少？

（4）防电墙技术的应用是洗衣机未来发展的趋势。防电墙通过在洗衣机内部形成永久性电阻保证人的安全。异常漏电情况下，电流依次经防电墙和人体流入大地，若人体的最大电阻为 $1\times {10}^5\Omega$，人体的安全电压不高于 $36V$，通过计算判断防电墙技术能否保证人的安全。

如图，将标有“ $6V3W$”字样的灯泡 $L_1$和标有“ $6V6W$”字样的灯泡 $L_2$串联在电路中，使其中一个灯泡正常发光，另一个灯泡的实际功率不超过其额定功率，不考虑温度对电阻的影响。求：

（1）灯泡 $L_1$正常工作时的电流；

（2）灯泡 $L_2$的电阻；

（3）电源电压；

（4）此电路工作2分钟消耗的电能。