初中物理机械能综合题

经济建设中使用大量的机械设备，某种起重机结构如图所示，A处是动滑轮，B、O处是定滑轮，D是柱塞（起重时柱塞沿竖直DC方向对吊臂C点有支撑力），E是卷扬机。作用在动滑轮A上共有3股钢丝绳，卷扬机转动使钢丝绳带动动滑轮A提升重物，起重机的吊臂OCB可以看做杠杆，且OB：OC＝5：1，用该起重机将浸没在水中的长方体集装箱匀速提出（忽略水的阻力），放在水平地面上，集装箱质量为4×10 ⁴kg、底面积为10m ²、高为2m。（g取10N/kg，ρ _水＝1.0×10 ³kg/m ³）求：

（1）浸没在水中的集装箱受到的浮力；

（2）当集装箱放在水平地面上，起重机未对集装箱施力时，集装箱对地面的压强；

（3）若集装箱在水中被提升2m（没露出水面），集装箱受到的拉力所做的功；

（4）当集装箱被提起且仍浸没在水中时，若起重机立柱DC对吊臂C点竖直向上的作用力为2×10 ⁶N，起重机的滑轮组的机械效率。（吊臂、定滑轮、钢丝绳的重力以及轮与绳的摩擦不计）

近年来，汽车逐步走进了普通百姓的家庭。汽车出现故障后，需要进行维修。小明家的汽车发动机在维修时，工人师傅要用一个滑轮组(如图17所示)把车里的发动机提起来。已知发动机质量为120kg，工人拉力为400N，在10s内发动机被提起了1m。求：

（1）发动机的重力是多少？
（2）滑轮组的机械效率是多少？
（3）工人师傅做功的功率是多少？

阅读短文，回答问题：  
干簧管
干簧管是一种利用磁场信号来控制的线路开关器件，也叫磁控开关。常用的干簧管有单触点和双触点两种。
如图为单触点干簧管的结构示意图。其外壳是一根密封的玻璃管，管中装有两个磁性材料制成的弹性簧片电板，还灌有一种惰性气体。平时，玻璃管中的两个磁簧片触点部位是分开的（如图甲）。当有磁性物质靠近玻璃管时，在合适的磁场的作用下，管内的两个簧片的触点部位被磁化成为异名磁极就会互相吸引接触，簧片就会吸合在一起，使结点所接的电路连通（如图乙）。外磁力消失后，两个簧片由于本身的弹性而分开，线路就断开。

干簧管中的磁性材料是指铁、钴、镍等能被磁铁吸引的材料，它分为软磁性材料和硬磁性材料两种。软磁性材料是指既容易被磁化而获得磁性又很容易失去磁性的物质。硬磁性材料是指不容易被磁化而获得磁性，但一旦获得磁性又很不容易失去的物质。磁体周围的磁性材料被磁化后的极性与放置在该处的小磁针的极性相似，如我们拿一根铁棒的一端靠近或接触磁铁的N极时，这一端就会被磁化成S极，它的另一端则会被磁化成N极。
双触点干簧管类似于单刀双掷开关，它的工作原理是:没有磁场时，簧片1与簧片2接通（如图丙），当有外界磁力时，簧片1与簧片2的连接断开，簧片1与簧片3触点部位接通（如图丁），其中簧片1是公共端，簧片2是常闭接点，簧片3是常开接点。簧片中有一片是用只导电不导磁的材料做成。

干簧管外绕上能产生磁场的线圈就成了干簧继电器，当线圈通电后，管中磁性材料制
成的簧片的自由端分别被磁化成N极和S极而相互吸引，因而接通被控电路。线圈断电后，干簧片在本身的弹力作用下分开，将线路切断。
（1）单触点干簧管中的磁簧片是用_______（选填“软”或“硬”）磁性材料制成的。
（2）单触点干簧管在___________（选填“断开”或“闭合”）时，磁簧片具有弹性势能。
（3）双触点干簧管的1、2、3三个簧片的对应制作材料可能是________
A．铁、铁、铜    B．铁、铜、铁   C．铜、铁、铜    D．铁、钴、铁
（4）当条形磁铁按左图所示的方式从A移动到B，下列能反映电路中的电流随时间变化的图象是______。

（5）如图为一运用干簧继电器的电路，当开关S闭合后，它的工作特点是________

A．红灯、绿灯交替发光
B．红灯长亮，绿灯亮、灭交替
C．绿灯长亮，红灯亮、灭交替
D．红灯长亮，绿灯不亮

问题解决——测量滑轮组机械效率：
小雨用如图所示滑轮组将一个重物A提起，他想知道此时滑轮组的机械效率．现在他身边除了重物A、两个相同的滑轮、细绳外，还有3只相同的小桶和若干相同的小铁钉．
（1）请你推导出测量此时滑轮组机械效率的数学表达式（不计绳重和摩擦）；
（2）请你说明测量步骤（请配图说明，图画在方框内）．

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？

如图甲是一种测定油箱内油量的装置，其中 $R$是滑动变阻器的电阻片，滑动变阻器的滑片跟滑杆连接，滑杆可以绕固定轴 $O$转动，另一端固定着一个浮子。油箱中的油量减少时，油面下降，浮子随液面落下，带动滑杆使滑动变阻器滑片向上移动，从而改变了电路中电流表的示数。因此，电流表上一定的示数便对应着油面的一定高度，把电流表刻度盘改为相应的油量体积数，就可以直接读出油箱中的油量，其中浮子应用了　   　条件。如果把量程足够大的电压表改装成油量表，要求油量增加时，电压表的读数也增加，电压表应接在甲图中　　两端（按图中所标示字母填写）。

小军在以上设计的启发下，设计了一种测量体重的装置（如乙图所示），当没有测体重时，滑片 $P$在图中绝缘体处，绝缘体使电路　　（选填“切断”或“接通” $)$，电路中 $R_1$的作用是　　，在称量过程中，弹簧（在弹性限度内）的弹性势能随称量物体的重力增大而　　（填“增大”、“减小”或“不变” $)$。

如图所示，两轮自动平衡电动车做为一种新兴的交通工具备受中学生的喜爱，下表是某型号两轮自动平衡电动车的主要参数，请通过计算解答下列问题：

整车质量	20kg
锂电池电压	50V
锂电池容量	10A•h

（1）图中小夏质量为40kg，轮胎与地面的总接触面积为0.01m ²，小夏骑行过程中地面受到的压强为多少？

（2）锂电池充满电后能储存多少焦耳的电能？

（3）锂电池充满电后，小夏多次骑着两轮自动平衡电动车在平直路面上匀速行驶进行测试，最多行驶27km电能恰好耗尽，假设受到的平均阻力是总重力的0.1倍，求此过程中两轮自动平衡电动车的工作效率是多少？

（4）在小夏骑行两轮自动平衡电动车的过程中，为确保安全，请你对他提出一条合理的建议。

现代城市人口密度越来越大，交通越来越拥堵。电动平衡车是现代较轻便的代步工具，以其体积小巧，结构简洁和驱动安全等优点，成为短途出行的理想交通工具。某品牌平衡车的部分参数如表所示。质量为50kg的小明从家骑行该品牌平衡车去体育广场，最大速度匀速行驶10min到达体育广场，行驶中平衡车所受阻力为人和车总重的0.1倍。求：

产品	电动平衡车
电机额定功率	500W
最大速度	18km/h
单轮胎触底面积	20cm ^2
续航	20km
可爬坡角度	35°
轮胎个数	2
车身自重	10kg

（1）小明家到体育广场的距离是多少？

（2）小明在水平路面上骑行时，车对地面的压强是多少？

（3）小明去体育广场过程中，平衡车的动力的功率是多少？

高速铁路的广泛应用，使人们的出行更加便捷。放假期间，小明与家人乘坐高铁从葫芦岛到沈阳游玩。如图是他们乘坐的"和谐号"高铁列车，如表所示是它的部分参数，求：

满载时总质量	1000t
车轮与铁轨接触总面积	0.8m ^2
最高时速	360km/h

（1）列车从葫芦岛到沈阳实际运行1.5h，运行的距离是多少？

（2）满载的列车停在水平轨道上时，对轨道的压强是多少？

（3）若列车在水平轨道上已最高速度做匀速直线运动，所受阻力是其满载时重力的0.01倍，此过程中牵引力的功率是多少？

工人师傅用如图所示的滑轮组匀速提升重1200N的建筑料，建筑材料在30s内上升了3m。

（1）求工人师傅做的有用功；

（2）提升该建筑材料时滑轮组的机械效率为80%，求工人师傅对绳端拉力的功率。

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。

党的十九大报告提出，要建设生态宜居、生活富裕的新农村。某兴趣小组在社会实践中来到某乡村建筑工地，建筑工地工人们用如图甲所示的滑轮组来提升重物，不计绳重和摩擦。

（1）一个工人质量为 $60\mathit{kg}$ ，竖直向上匀速拉动 $700N$ 的重物时，绳上拉力为 $400N$ ，将重物提升 $2m$ 用时 $20s$ ，滑轮组的机械效率为多少？

（2）在这 $20s$ 的时间内拉力的功率为多少 $W$ ？

（3）该工人能够提升的最重的物体约为多少 $\mathit{kg}$ ？

（4）请你设计另一种最省力的绕线方式，并画于图乙中。

（5）利用最省力的方式，提升 $800N$ 的重物，求绳上拉力的大小？

（6）利用最省力的方式，竖直向上以 $0.15m/s$ 的速度匀速拉动绳子，求 $20s$ 物体上升的距离？

随着精准扶贫政策的落实，小红家正在新建楼房。他看到工人师傅用如图所示的装置，把 $220\mathit{kg}$建筑材料匀速提升到3楼地板上用时 $20s$。楼层高 $3m$，电动机的铭牌如下表，

某型号电动机	$\mathit{ZGZ}007$
额定电压	$220V$
额定功率	$1100W$
频率	$50\mathit{Hz}$

求：

（1）装置中电动机正常工作时的电流。

（2）拉力 $F$所做的功。

（3）该装置的效率。

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。

宁夏境内首条高速铁路 $---$ "银西高铁"正处在紧张施工中，"银西高铁"线路全长约 $618\mathit{km}$ ，设计行车时速为 $250\mathit{km}$ ，预留每小时 $350\mathit{km}$ 的提速条件，其中宁夏境内长约 $182\mathit{km}$ 。高铁车组与传统列车相比，在设计上采用了许多新技术。

（1）如图所示，高铁车头采用流线型设计可以减小 　　。

（2）高铁列车速度从 $200\mathit{km}/h$ 降到 $90\mathit{km}/h$ 的过程中不采用机械刹车，而是利用"再生制动"技术；列车由于 　　　　能；当车速降到 $90\mathit{km}/h$ 时，实施机械刹车，利用刹车片与轴之间的摩擦力使车速减小。

（3）若"银西高铁"通车后，列车按设计时速行驶，从银川到达西安至少需要几小时？