初中物理机械能综合题

某同学猜想重力势能的大小与物体的质量和高度有关，在探究“重力势能的大小与高度是否有关”时，所用的实验器材有：金属球、尖桌腿的小桌、细沙和塑料盆。实验装置如图甲所示。

（1）该实验可以通过判断　　来判断出金属球重力势能的大小。依据是：金属球对小桌　　越多，金属球具有的重力势能就越大。

（2）请设计出记录实验数据的表格，表中要有必要的信息。

（3）实验时，该同学发现：由于金属球的撞击点偏离桌面中央较大，使小桌倾斜较大，甚至被撞翻。于是他改进了实验装置，如图乙所示，较好地解决了这个问题。他的主要操作是：每次实验时，先拉起金属球，将沙面抹平；　　；由静止开始释放金属球，观察实验现象。

足够长的光滑水平面上，有10个相同的小球沿着直线等间隔均匀分布，总长度为 $l$，并以相同的速度 $v_0$向右运动。如图甲所示，在小球的正前方有一“加速带” $\mathit{AB}$，当小球从左端 $A$进入加速带后在水平恒力作用下被加速，直至从右端 $B$离开，小球经过加速带前后速度的变化情况如图乙所示，已知1号球刚从 $B$端离开时，4号球刚好从 $A$端进入，不考虑球的大小，请解答下列问题。（结果用已知物理量的字母表示）

（1）小球在加速带上运动的时间 $T=$　　。

（2）最终10个小球分布的总长度 $L=$　　。

（3）已知小球在加速带上运动的平均速度为 $2v_0$，所受水平恒力为 $F$，试求加速带对10个小球做功的总功率 $P$。

天然水流蕴藏着巨大的能量，是人类可以利用的重要能源之一。兴建水电站可以把天然水流蕴藏着的巨大能量转换成电能，是水能利用的主要形式。有一处水利工程，在河流上修建了 $115m$高的拦河大坝，如图所示。年平均水流总量为 $3\times {10}^{10}{m}^3$．该水利工程的主要任务包括防洪、发电和航运，在发电方面，年平均发电总量为 $6\times {10}^9\mathit{kW}·h$．现安装水轮发电机20台，每台水轮发电机装机容量（即发电功率）为 $9.26\times {10}^4\mathit{kW}$．（水的密度为 $1.0\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$， $g$取 $10N/\mathit{kg})$求：

（1）年平均水流总量所受的重力；

（2）若上、下游水位差为 $100m$，年平均水流总量做的总功及转化为电能的效率；

（3）若每台发电机平均年发电时间为180天，则平均每天约有多少台发电机在工作。

如图所示，叉车把质量为 $2t$的重物从地面匀速竖直提升 $1.5m$，用时 $7.5s$。叉车消耗柴油 $5g$，若柴油完全燃烧（柴油热值为 $4.3\times {10}^{7}J/\mathit{kg}$， $g$取 $10N/\mathit{kg})$。求：

（1）提升过程中重物上升的速度；

（2）叉车提升重物过程中做的有用功；

（3）叉车提升重物过程中的效率。

歼 $-31$是我国自主研制的战斗机，它具备超音速巡航、电磁隐身、超机动性等优异性能，该飞机最大起飞质量为 $28t$，最大飞行高度达 $20000m$，最大航行速度达2100 $\mathit{km}/h$，最大载油量为 $10t$，飞行时所受阻力的大小与速度的关系见下表：

速度 $v(m/s)$	100	200	300	400	500
阻力 $f/N$	$0.3\times {10}^4$	$1.2\times {10}^4$	$2.7\times {10}^4$	$4.8\times {10}^4$	$7.5\times {10}^4$

已知飞机燃油完全燃烧的能量转化为机械能的效率是 $40\%$，飞机使用的航空燃油的热值为 $5\times {10}^{7}J/\mathit{kg}$， $g$取10 $N/\mathit{kg}$，求：

（1）飞机的最大起飞重力为多少牛顿？

（2）当飞机以400 $m/s$的速度匀速巡航时，飞机发动机的输出功率是多少瓦？

（3）飞机发动机完全燃烧7.5 $t$燃油放出的热量为多少焦耳？

（4）若飞机以500 $m/s$的速度巡航时，发动机完全燃烧7.5 $t$燃油，飞机飞行距离为多少？

工人师傅用如图所示的滑轮组将重为 $600N$的货物匀速提升了 $2m$，做了 $1500J$的功。求：

（1）滑轮组的机械效率；

（2）当他用 $400N$的拉力匀速提升其它货物时，额外功占总功的 $15\%$，求提升货物的重。

上海洋山港是全球最大的智能集装箱码头，图甲是将我国自行研制的大型桥吊从运输船上转运到正在建设中的洋山港码头时的情景。桥吊是码头上进行货物装卸的起重机，其简化示意图如图甲中所示，它由控制室、水平横梁 $\mathit{AB}$以及两个竖直的支架 $\mathit{CD}$和 $\mathit{EF}$组成。运输船中不同位置有数个密封的水舱，向这些水舱加水或减水，能保证牵引车将桥吊从运输船转运到码头的过程中，运输船的甲板始终保持水平且与码头的地面相平。

（1）牵引车将桥吊缓缓向右拖向码头时，支架 $\mathit{CD}$和 $\mathit{EF}$下的轮子会沿顺时针方向转动，请在图乙中画出支架 $\mathit{CD}$下的轮子对运输船甲板摩擦力的示意图。

（2）若牵引车拖行桥吊的功率是 $50\mathit{kW}$， $9s$内将桥吊沿水平方向匀速拖行了 $3m$，则这段时间内牵引车对钢缆的拉力是多少牛？

（3）已知桥吊的总质量是 $2200t$，支架 $\mathit{CD}$和 $\mathit{EF}$的高度均是 $50m$， $C$点到横梁 $A$端的距离是 $60m$， $E$点到横梁 $B$端的距离是 $18m$，桥吊的重心 $O$到横梁 $A$端和 $B$端的距离分别是 $72m$和 $28m$。试求牵引车将桥吊从图甲所示的位置拖到图丙所示的位置时，运输船的水舱中增加了多少立方米的水？

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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”）。

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。

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。

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？

把一棱长为 $10\mathit{cm}$，质量为 $8\mathit{kg}$的正方体实心金属块，放入水平放置装水的平底圆柱形容器中。如图甲所示，金属块下沉后静止在容器底部（金属块与容器底部并未紧密接触），水的密度是 $1.0\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$， $g$取 $10N/\mathit{kg}$。求：

（1）金属块的密度；

（2）金属块受到的浮力；

（3）金属块对容器底部的压强；

（4）若用图乙所示的滑轮组，把金属块在水中匀速提升 $30\mathit{cm}$（金属块未露出水面，忽略水对物体的阻力），此过程滑轮组的机械效率为 $70\%$，那么绳子自由端的拉力 $F$大小是多少？

小明在做测量滑轮组的机械效率的实验中，用同一滑轮组进行了3次实验，如图所示，实验数据记录如表。

次数	钩码重 $/N$	购码上升距离 $/\mathit{cm}$	弹簧测力计示数 $/N$	弹簧测力计上升距离 $/\mathit{cm}$	机械效率
1	2	10	0.8	30	$83.8\%$
2	4	10	1.5	30	？
3	6	10	？	30	$90.9\%$

（1）第2次实验中滑轮组的机械效率为　         　（结果保留一位小数）。

（2）如图丙所示，第3次实验中弹簧测力计的示数为　         　 $N$。

（3）分析表格中的数据得出结论同一滑轮组，　             　。

（4）在第2次实验时，如果拉力方向与竖直方向有一定夹角，那么所测得的滑轮组的机械效率将会　           　（填“变大”、“变小”或“不变”）。

图甲是某起重船的示意图，A处为卷扬机，吊臂前端滑轮组如图乙所示。在一次吊装施工中，当起重船从运输船上吊起重物时，起重船浸入海水中的体积增加了18m ³，重物在空中匀速竖直上升了3m，所用时间为30s。已知动滑轮总重为2×10 ⁴N，不计钢丝绳重及摩擦。（ρ _海水＝1.0×10 ³kg/m ³）

（1）求该重物的重力是多少？

（2）求钢丝绳拉力F做功的功率是多少？

（3）求该重物在空中匀速上升过程中滑轮组的机械效率。

平衡车作为一种新兴的代步工具，深得年轻人的喜欢，小华最近购入一台平衡车，他仔细阅读此款平衡车的说明书，主要参数如下：

平衡车整车参数
净重	12kg
最高车速	16km/h
电动机额定功率	900W
额定输入电压	220V
额定输出电压	63V
最大载重	85kg

（1）小华的质量为60kg，当他站立在平衡车上静止时，车轮与水平地面的接触总面积为4×10 ^{﹣ 3}m ²，则此时平衡车对水平地面的压强有多大？

（2）小华家距公园1.6km，他骑行此款平衡车以最高车速从家到公园，需要多长时间？

（3）若平衡车正常工作时，发动机提供的牵引力为180N，则小华以最高车速从家行驶到公园，牵引力的功率为多少？（假设小华从家到公园做匀速直线运动）