初中物理机械能计算题

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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　　 $V$。

工人用图甲所示的滑轮组运送建材上楼，每次运送量不定，滑轮组的机械效率随建材重力变化的图象如图乙，滑轮和钢绳的摩擦力及绳重忽略不计， $g$取 $10N/\mathit{kg}$。

（1）若某次运送建材的质量为 $50\mathit{kg}$，则建材的重力是多少？

（2）若工人在 $1\mathit{min}$内将建材匀速竖直向上提升了 $12m$，作用在钢绳上的拉力为 $200N$，求拉力的功率；

（3）当滑轮组的机械效率为 $60\%$时，运送建材的重力是多大？

十八世纪，瓦特发明的冷凝器蒸汽机，推动了人类第一次工业革命。如图为利用瓦特蒸汽机提升物体的工作示意图，蒸汽机的工作原理为：打开阀门 $A$、关闭阀门 $B$，高压蒸汽进入汽缸，推动活塞上行。当活塞到达汽缸顶部时，关闭阀门 $A$、打开阀门 $B$，蒸汽进入冷凝器，汽缸内压强减小，活塞下降。如此循环往复。

（1）蒸汽推动活塞上行过程中，能量转化是　　。

（2）蒸汽机活塞上行过程与汽油机的　　冲程相似。

（3）蒸汽机工作时，汽缸内部压强为 $1.1\times {10}^6$帕，若活塞面积为0.1米 ${}^2$，则活塞受到蒸气的压力是多少？

（4）蒸汽机活塞往复运动，通过杠杆和定滑轮对重物做功。若物体质量为200千克，活塞每次上升高度为0.6米，则活塞上升一次蒸汽机对物体做了多少有用功？假设活塞每分钟向上运动100次，该蒸汽机对物体做有用功的功率为多少？

举世瞩目的港珠澳大桥于2018年10月24日正式通车，是集桥、岛、隧道于一体的跨海桥梁。图甲是建造大桥时所用的起吊装置示意图，若使用柴油机和滑轮组将高 $h=1m$的实心长方体 $A$从海底以 $0.1m/s$的速度匀速吊出海面；图乙是物体 $A$所受拉力 $F_1$随时间 $t$变化的图象。 $({\rho }_{海}=1.0\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$， $g$取 $10N/\mathit{kg}$，不计摩擦、水的阻力及绳重）。求：

（1）物体 $A$的密度。

（2）当物体 $A$在计时起点的位置时，上表面受到海水的压力。

（3）物体 $A$露出水面前，柴油机对绳的拉力 $F$做的功 $W$随时间 $t$的变化图象，如图丙，求此过程滑轮组的机械效率。

如图所示，是一辆汽车通过滑轮组将深井中的物体拉至井口的装置图，已知井深 $10m$，物体重 $G=4\times {10}^{3}N$，汽车重 $G_{车}=3\times {10}^{4}N$，汽车匀速拉绳子时的拉力 $F=2\times {10}^{3}N$，汽车受到的阻力为车重的0.05倍。请计算：

（1）若汽车运动的速度为 $1.2m/s$，则将物体由井底拉至井口，需要多长时间？

（2）滑轮组的机械效率是多少？（保留一位小数）

（3）汽车的牵引力是多大？

（4）将物体由井底拉至井口，汽车的牵引力做的功是多少？

某人站在水平高台上用如图所示的滑轮组提升重物，不计绳重和摩擦。第一次他匀速提升重物 $G_1=150N$时，人竖直向上拉绳的力为 $F_1$，人对高台的压强为 $p_1$；第二次他匀速提升另一重物 $G_2=270N$时，人竖直向上拉绳的力为 $F_2$，人对高台的压强为 $p_2$．两次物体匀速上升的速度均为 $0.5m/s$，人的重力 $G_{人}=500N$，且 $p_1:p_2=14:15$．求：

（1）若人的双脚与高台的总接触面积为 $4\times {10}^{-2}{m}^2$，当人站在高台上没有拉绳时，人对高台的压强；

（2）第一次提升重物时，克服物体重力做功的功率；

（3）第二次提升重物时，滑轮组的机械效率。

2019年4月15日起正式实施电动自行车新国家标准，小金买了一辆按新国标生产的电动自行车（如图），部分参数如表所示，已知小金质量为60千克，假定电动自行车在水平骑行过程中受到的阻力始终为总重的0.08倍。

项目	参数
最高车速（千来 $/$小时）	25
整车质量（千克）	40
电动自行车最大功率（瓦 $)$	400

（1）车轮上刻花纹的目的是　　；

（2）小金在水平地面骑行时，车轮与地面的总接触面积为50厘米 ${}^2$，则骑行的电动自行车对地面产生的压强是多少帕？

（3）小金在水平公路上骑电动自行车，匀速行驶10千米过程中克服阻力做了多少功？

（4）若小金骑行过程中电动车以最大功率输出，匀速行驶时的车速为多少？

如图是工人将重 $160N$的物体匀速放下的过程，已知物体下降的距离为 $3m$，用时 $3s$，工人的拉力为 $50N$，工人质量为 $50\mathit{kg}$。（物体未浸入水中，且不计绳重及摩擦）

（1）求工人放绳的速度。

（2）求滑轮组的效率 ${\eta }_1$

（3）如果物体完全浸没水中后滑轮的机械效率为 ${\eta }_2$，已知 ${\eta }_1:{\eta }_2=4:3$（物体在水中仍匀速下降，动滑轮不会浸入水中且不计绳重及摩擦， $g=10N/\mathit{kg})$。求当物体完全浸没水中后，工人对地面的压力。

随着人们网上购物量的剧增，一种充电机器人当起了快件投递员。已知机器人携带快件满载时总重G＝13500N，以10m/s的速度匀速直线行驶时，所受平均阻力f为0.03G。

（1）求机器人匀速直线行驶过程中的功率；

（2）假设给机器人提供1度的电能，可供其匀速直线行驶8km，求机器人工作时的效率；

（3）机器人靠摄像头来识别道路，为防止镜头上雾，需贴一张电热膜，电路如图所示。已知电热膜的额定电压22V，额定功率4.84W．为满足不同季节使用的需要，还可以通过调节滑动变阻器R，使电热膜的功率在额定功率的25%～100%之间变化，请求出R的最大阻值。

人类探索太空的奥秘的过程中产生了大量垃圾，为探究太空垃圾对飞行器造成的危害，科学家做了一个模拟太空实验：用质量约为 $1g$的塑料圆柱体代替垃圾碎片，用固定不动的大块铝板代替飞行器，当塑料圆柱体以 $6700m/s$的速度撞击铝板时，在铝板上形成一个比塑料圆柱体直径大好多倍且表面光滑的圆形大坑，如图所示，请你解释铝板上光滑圆形大坑的形成原因。（物体的动能 $E=\frac{1}{2}m{v}^2)$。

如图甲、乙所示，物体 $M$ 先后浸没在水和浓盐水中 $({\rho }_{\mathit{盐水}}>{\rho }_{水})$ ，用同一滑轮组从两种液体中将物体 $M$ 匀速提出水面，拉力 $F$ 和 $F\text{'}$ 随时间 $t$ 变化的图像如图丙所示。不计绳重、摩擦及水的阻力，物体 $M$ 不吸水、不沾水， $g=10N/\mathit{kg}$ 。

（1）图丙中 　　（选填" $A$ "" $B$ " $)$ 曲线表示拉力 $F$ 随时间 $t$ 变化的图像。

（2）求物体 $M$ 浸没在水中受到的浮力。

（3）如果物体 $M$ 浸没在水中滑轮组的机械效率为 ${\eta }_1$ ，完全拉出水面滑轮组的机械效率为 ${\eta }_0$ ，浸没在浓盐水中滑轮组的机械效率为 ${\eta }_2$ ，已知 ${\eta }_0:{\eta }_1=25:24$ ， ${\eta }_0:{\eta }_2=20:19$ ，求物体 $M$ 浸没在盐水中的浮力。

图甲是某新型太阳能汽车，该汽车的动力完全由安装在车顶的电池板收集的太阳能提供。汽车（包括司乘人员）的质量为 $1.2t$，接收太阳能电池板的面积为 $8m^2$，在水平路面上以恒定功率做直线运动的 $v-t$图象如图乙（取 $g=10N/\mathit{kg})$。

（1）如汽车匀速行驶过程中所受阻力大小为车重的0.02倍，则汽车牵引力为多大？

（2）求汽车在 $0~20s$内牵引力做的功。

（3）若汽车吸收的太阳能转化为机械能的效率为 $40\%$，则太阳光照射到地面单位面积上的辐射功率为多少？

庆祝中国人民解放军海军成立70周年海上阅兵活动在青岛附近海域举行，图中093改进型攻击核潜艇于2019年4月27日公开亮相，进行了战略巡航。该潜艇最大核动力功率为 $2.8\times {10}^4\mathit{kW}$，完全下潜到海面下后的排水量为 $6.8\times {10}^{3}t$（取海水密度 $\rho =1\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$、 $g=10N/\mathit{kg})$。问：

（1）该潜艇悬浮时，其上一面积为 $0.05m^2$的整流罩距海面深度为 $200m$，此时整流罩受到海水的压力为多少？

（2）若最大核动力功率转化为水平推力功率的效率为 $80\%$，该潜艇在海面下以最大核动力功率水平巡航时，受到的水平推力为 $1.6\times {10}^{6}N$，此时潜艇的巡航速度为多少？

（3）该潜艇浮出海面处于漂浮时，露出海面的体积为 $1.5\times {10}^3{m}^3$，此时潜艇的总重量是多少？

鲲龙 $\mathit{AG}600$水陆两栖飞机是我国自主研制的“三个大飞机”（运 $-20$、 $\mathit{AG}600$和 $C919)$之一，被誉为国之重器。 $\mathit{AG}600$主要用于大型灭火和水上救援，可以从地面起飞和降落，也可以从水面起飞和降落，2017年2月13日，实现全部四台发动机试车成功，之后又进行了系列测试。 $\mathit{AG}600$空载时质量为 $41.5t$，最多可储水 $12t$。（取 $g=10N/\mathit{kg}$， ${\rho }_{水}=1.0\times {10}^3\mathit{kg}/m^3)$

①某次试飞前， $\mathit{AG}600$蓄满水后静止在某湖面上，求其排开湖水的体积。

②在水面滑行测试中， $\mathit{AG}600$蓄一定质量的水，发动机牵引力的实际总功率为 $2500\mathit{kW}$，飞机在水面上以 $36\mathit{km}/h$的速度匀速滑行了 $1\mathit{min}$，滑行过程中所受阻力为总重的0.5倍。求所蓄水的质量。

③在一次灭火演习测试中， $\mathit{AG}600$蓄水后以最大巡航速度飞往假象火场并盘悬在火场上方 $155m$处，分次将所蓄水投下，每次投水 $100\mathit{kg}$，投下的水下落过程中由于重力和空气阻力的作用，先加速运动后匀速运动，匀速运动的速度是 $10m/s$，运动时间是 $14s$，加速过程的平均速度是匀速运动速度的0.25倍。求一次所投的水在下落过程中重力做功的平均功率。

如图甲为塔式起重机简易示意图，塔式起重机主要用于房屋建筑中材料的输送及建筑构件的安装。（动滑轮重、绳重及摩擦均不计， $g$取10牛 $/$千克）

（1）为保持平衡，起重臂的长度越长的塔式起重机，配备的平衡重的质量应越　　。

（2）图乙为起重机钢丝绳穿绳简化示意图，滑轮 $a$的作用是　　。若钢丝绳能承受的最大拉力为 $3\times {10}^4$牛，则能吊起货物的质量不能超过多少千克？

（3）若将重为 $1.2\times {10}^4$牛的货物由地面沿竖直方向匀速提升30米，再沿水平方向移动20米，则此过程中克服货物重力做功多少焦？

（4）若该起升电动机的效率为 $90\%$，将重为 $1.2\times {10}^4$牛的货物提升到30米的高度，用时50秒，则该起升电动机的实际功率是多少瓦？