初中物理能源与可持续发展综合题

随着生产和技术的发展，人们已经开始将太阳能转化为其它形式的能加以利用。目前直接利用太阳能的方式有两种，一种是用吸光性好的材料制成太阳能集热器，实现给水或其它介质加热；另一种是利用半导体材料制成太阳能电池，这种电池目前已用于人造地球卫星、太阳能汽车等。

太阳能作为一种新能源，具有来源丰富、不需运输、不会对环境造成污染等优点。但由于能量比较分散且受季节、气候和昼夜变化的影响很大，又给大规模利用太阳能带来新的技术课题。

如图是试验中的无人驾驶太阳能汽车，利用太阳能电池提供能源。

（1）太阳能电池工作时，是将太阳能转化为 　    　。

（2）技术人员可以通过 　    　远程操控汽车（选填"超声波"、"次声波"或"电磁波"）。

（3）太阳能属于 　    　能源（选填"可再生"或"不可再生"）。

（4）太阳能汽车的外形做成流线型，上表面弯曲，下表面比较平。汽车高速行驶时对地面的压力 　    　汽车静止时对地面的压力（选填"大于"、"等于"或"小于"）。

（5）请你说出太阳能的一条优点： 　    　。

电容器是电气设备中的重要元件，是储存电荷的装置。两个相距很近又彼此绝缘的平行金属板就形成一个最简单的电容器。在电路图中用符号“”表示。

（1）如图电路，开关置于 $a$时，电容器的一个极板与电源的正极相连，另一个极板与负极相连，两个极板将分别带上等量异种电荷，这个过程叫做电容器充电，电容器一个极板所带电荷量的绝对值叫做电容器所带的电荷量。开关置于 $b$时，充电后的电容器的两极板接通，两极板上的电荷中和，电容器又不带电了，这个过程叫做电容器放电。放电过程中，经过电流表的电流方向为　       　（选填“ $M$到 $N$或“ $N$到 $M$” $)$

（2）当开关置于 $a$时，通过改变电源电压来改变电容器两极板间的电压 $U$，电容器所带的电荷量 $Q$也随之改变。实验数据如表：

次数	1	2	3	4
电压	4.0	8.0	12.0	16.0
电荷量 $Q/C$	$4.04\times {10}^{-3}$	$8.00\times {10}^{-3}$	$12.14\times {10}^{-3}$	$16.32\times {10}^{-3}$
$\frac{Q}{U}/(C$． $V^{-1})$	$1.01\times {10}^{-3}$	$1.00\times {10}^{-3}$	$1.01\times {10}^{-3}$	$1.02\times {10}^{-3}$

实验表明，在误差允许的范围内，这个电容器所带的电荷量 $Q$与两极板间的电压 $U$的比值是一个常量。换用不同的电容器，这个比值一般是不同的。

电容器所带的电荷量 $Q$与两极板间电压 $U$的比值叫做电容器的电容，用符号 $C$表示，表达式为 $C=\frac{Q}{U}$．在国际单位制中，电容的单位是法拉，符号是 $F$． $1F=1C/V$

①电容器两极板间电压减小，它的电容　        　。

②上述电路中，若电源电压为 $9V$，换用电容为 $3.0\times {10}^{-12}F$的电容器，充电完毕后再进行放电，在全部放电过程中释放的电荷量是　         　库。

演绎式探究 $---$探究点电荷的电场强度

如果带电体间的距离比它们的大小大得多，这样的带电体可以看成是点电荷。

（1）实验发现，带电量分别为 $q_1$、 $q_2$的两个点电荷距离为 $r$时，它们之间的作用力 $F=k\frac{q_1{q}_2}{r^2}$，其中 $k$为常量，当 $q_1$和 $r$一定时， $F$与 $q_2$之间的关系图象可以用图甲中的图线　　来表示。

（2）磁体周围存在磁场，同样，电荷周围也存在磁场。电场对放入其中的电荷产生电场力的作用。点电荷 $q_1$和 $q_2$之间的作用力实际是 $q_1$（或 $q_2)$的电场对 $q_2$（或 $q_1)$的电场力。物理学中规定：放入电场中某一点的电荷受到的电场力 $F$跟它的电量 $q$的比值，叫做该点的电场强度，用 $E$表示，则 $E=$　　。

如图乙所示，在距离点电荷 $Q$为 $r$的 $A$点放一个点电荷 $q$，则点电荷 $q$受到的电场力 $F=$　　，点电荷 $Q$在 $A$点产生的电场强度 $E_A=$　　。

（3）如果两个点电荷同时存在，它们的电场会相互叠加，形成合电场。

如图丙所示，两个互成角度的电场强度 $E_1$和 $E_2$，它们合成后的电场强度 $E$用平行四边形的对角线表示。如图丁所示，两个点电荷 $Q$分别放在 $A$、 $B$两点，它们在 $C$点产生的合电场强度为 $E_{合}$．请推导证明： $E_{合}=\sqrt{2}\frac{\mathit{kQ}}{r{}^2}$。

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 $g_{日}=\frac{4{\pi }^2{L}^3}{R^2{T}^2}$。

智能机器人目前已能够为人类在很多方面进行高效率、高精准度的服务，在图书馆领域，机器人可以辅助或替代图书馆员的工作，提供整理图书、读者咨询等服务。下表是某智能机器人图书馆员"小 $i$ "（如图甲）的部分参数：

参数名称	电源电压 $/V$	最大负重 $/\mathit{kg}$	提升重物最大高度 $/m$	机器人车轮直径 $/\mathit{cm}$	充电功率 $/W$
数据	48	20	0.6	10	2.5

（1）读者与"小 $i$ "对话，咨询某图书所在的位置，"小 $i$ "需将读者的声音信号转化为电流信号，这与 　　的原理相同。（发电机 $/$ 电动机）

（2）在阳光充足的时候，"小 $i$ "可以通过将 　　能转化为电能的方式实现无线充电。

（3）"小 $i$ "也提供无线上网服务，它与互联网之间通过 　　来传递信息。

（4）"小 $i$ "每天需将 $1944\mathit{kg}$ 图书从借阅处分批搬回书架上，每次放回需将图书提高 $0.5m$ ，则每天搬书上书架做功 　　 $J$ ，若充电效率为 $90\%$ ，则每天应至少充电 　　 $h$ ． $(g$ 取 $10N/\mathit{kg})$

（5）如图乙所示为"小 $i$ "承受图书重力的过载保护电路原理图，图中 $R$ 为压力传感器，阻值随所受压力变化图象如图丙所示，图乙触发器的电阻忽略不计，通过的电流超过 $0.5A$ 时就触发电动机停止工作，放弃执行搬书指令，以免"小 $i$ "受损伤。因此为保护"小 $i$ "，电阻箱 $R_0$ 的阻值至少应为 　　 $\Omega$ ；"小 $i$ "长时间工作后，为减轻其最大负重，应将电阻箱 $R_0$ 的阻值适当 　　（增大 $/$ 减小）。

（6）图书馆管理人员发现，"小 $i$ "经过斜面时，爬坡打滑爬不上去，在不改变智能机器人硬件情况下，为了让"小 $i$ "能爬坡，可采用的方法是① 　　，② 　　。

【2015年汕尾市初中毕业生学业考试】我市地处沿海，风力资源极为丰富，随着各项大型风力发电项目的建设，我市将成为广东省知名风力发电基地。如图甲是某地风力发电的外景。风力发电机组主要由风机叶片和发电机组成。请回答下列问题：

（1）风力发电利用的是风能，风能是清洁的         （选填“可再生”或“不可再生”）能源；
（2）风机叶片具有质量轻、强度高、耐磨损等性能，通常用密度        （选填“大”或“小”）、硬度大的复合材料制成；叶片形状像飞机的机翼，若叶片位置和风向如图乙所示，由于叶片两面空气流速不同而产          差，使风叶旋转；
（3）风叶产生的动力通过传动系统传递给发电机，发电机是利用            原理，把机械能转化为电能；
（4）某风力发电机的输出功率与风速的关系如图丙所示，由图像可以知道，当风速在v₁到v₂之间时，风速越大，发电机组的电功率              ；
（5）请你根据图像判断，台风来临时，能否给风力发电带来最大的经济效益？             （选填“能”或“不能”）。

学习浮力知识后，小刚用一根粗细均匀的吸管自制了一支密度计．他在吸管的下端装入适量的钢珠后用蜡封住并使底部平整．做好后测出该密度计的总重力为0.24N，吸管底面积为3×10^﹣5m²，吸管总长为0.12m．

（1）如图所示是小刚将该密度计放入水中静止时的情形，A是他在吸管上标记的此时水面的位置．则密度计受到浮力是      N，你的判断理由是     
（2）若将该密度计从水中取出擦干、放到密度为1.1×10³kg/m³的盐水中，静止时密度计受到的浮力将会      （选填“变大”“不变”或“变小”），此时吸管上盐水液面的位置在A的      （选填“上方”或“下方”）．
（3）为了提高自制密度计的精确程度，可以采取的办法是       （写一种即可）．

小明按照教材中“综合实践活动”的要求制作简易密度计．
（1）取一根粗细均匀的饮料吸管，在其下端塞人适量金属丝并用石蜡封口．塞入金属丝的目的是使吸管能____           ____ 在液体中．
（2）将吸管放到水中的情景如图 （a）所示，测得浸入的长度为H；放到另一液体中的情景如图 （b） 所示，浸入的长度为h．用ρ_液、ρ_水分别表示液体和水的密度，则ρ_液___     _ ρ_水 （＝／>／<），h与ρ_水、ρ_液，及H的关系式是h＝____________ 。
（3）小明根据图16（a）在吸管上标出1．0刻度线（单位g／cm³，下同），再利用上述关系式进行计算，标出了0.8、0.9、1.1、1.2的刻度线（图中未画出）．结果发现，1.1刻度线是在1.0 刻度线的_______ （上／下） 方。
（4）为检验刻度的误差，小明取来食用油，先用天平和量筒测量其密度，然后再用这个密度计测量．但操作时却出现了图 （c） 所示的情形，这让他很扫兴．难道实验就此终止了吗？根据经验或思考，在不更换食用油的情况下，你认为可以进行怎样的尝试：______                                         __。

小科是有名的“科学迷”他爱观察，勤思考。一天，妈妈到超市购买了一台家用豆浆机，他仔细观察了豆浆机的构造、铭牌和制作豆浆的过程，发现其中用到了许多科学知识。
⑴机座底部安装有三个小橡皮碗，相当于“吸盘”，可以防止豆浆机在打浆时位置发生移动。“吸盘”利用           起固定作用。
⑵小科想比较一下豆浆的密度与水的密度哪个大，但手中没有密度计，也没有天平和量筒。于是小科用同一支筷子，                                                     的密度大。

目前人类正在积极开发和利用太阳能，例如太阳能热水器，某一太阳能热水器2h内平均使质量为36kg的水从20℃升高到30℃。
(1)请写出一条太阳能的优点：                                              。
(2)求热水器中水吸收的热量是多少？

学习浮力知识后，小刚用一根粗细均匀的吸管自制了一支密度计。他在吸管的下端装入适量的钢珠后用蜡封住并使底部平整。做好后测出该密度计的总质量为2.4g，吸管总长为0.12m 。
（1）如图所示是小刚将该密度计放入水中静止时的情形，A是他在吸管上标记的此时水面的位置。则图
中密度计受到的浮力是         N。

（2）若将该密度计从水中取出擦干、放到密度为1.1×10³kg/m³的盐水中，漂浮时密度计受到的浮力为        N，此时吸管上盐水液面的位置在A的      （选填“上 方”或“下方”）。
（3）小刚将自制好的的密度计放入另一种液体中，沉到容器底，不好测量这种液体密度，如图，可采取
的办法是                        。

阅读短文，回答问题
简易密度计
小明发现鸡蛋放在清水里会沉底，向水中加一定量的食盐后，鸡蛋会上浮。直到漂浮，且食盐水的密度越大，鸡蛋漂浮时排开液体的体积越小。
小明取一根长约30cm的饮料吸管，将一些铁丝从吸管的下端塞入作为配重，并用石蜡将吸管的下端封起来，让这根吸管竖直漂浮在水中，在吸管上标出水面位置，用刻度尺测量出该位置到吸管下端距离为12cm， 再让 这根吸管竖直漂浮在酒精和盐水中，并分别测出浸入的深度，在吸管上标出对应位置，这样一支简易密度计制成了。（酒精的密度为0.8×10³kg/m³，盐水密度1.2×10³kg/m³）
（1）吸管竖直漂浮在水中，根据  原理，所受浮力  重力．
（2）该简易密度计竖直漂浮在酒精和盐水中浸入的深度分别是  cm，  cm．
（3）通过计算，密度计所标盐水刻度位置在水面刻度位置的      （上、下）方，所标液体密度刻度  （ 均匀、不均匀）。上面刻度比下面刻度      （疏、密）．
（4）小明想使密度计上两条刻度线之间的距离大一些，应      ．

阅读短文，回答问题．
如图甲是我国首艘“海上飞船”——“翔州1”．它的最大起飞质量为2.5t，巡航速度140~160km/h，最大航速可达210km/h，最高能爬升至150m，可乘坐7人．它既可以在水中航行，又可以贴近水面飞行．该设计利用了“翼地效应”，即当运动的飞行器掉到距地面（或水面）很近时，气流流过机翼后会向后下方流动，这时地面（或水面）将产生一股向上的反推力，使整个机体的上下压力差增大，升力会陡然增加，阻力减小．

（1）下列有关“翔州1”的说法中错误的是      （   ）

A．“翔州1”漂浮在水面时，它受到的重力与浮力是一对平衡力

B．“翔州1”在水面上飞行时，机翼下表面受到的空气压强较大

C．“翼地效应”是利用流体压强与流速关系使“翔州1”获得更大升力的

D．随着“翔州1”在水面以上爬升的高度增加，船外大气压减小

（2）“翔州1”在平静的水面由静止开始运动，若运动过程中受到的阻力不变，水平方向获得的动力F随运动时间t的变化关系如图乙所示．t=50s后，“翔州1”以20m/s的速度做匀速直线运动．则在0～50s内，“翔州1”的运动状态是________（选填“减速”、“先加速后减速”或“加速”）运动．从50～100s时间内牵引力做了________J的功．
（3）该“翔州1”以最大航速匀速飞行1.5h通过的路程是________km．“翔州1”船身设计成“流线形”是为了________．
（4）“翔州1”靠岸后，有5名乘客从船上登岸，则船排开海水的体积约减少多少m³？（人的平均质量为70kg，ρ_海水=1.0×10³kg/m³，取g=10N/kg，请写出计算过程）

小明利用l8cm长的吸管、细铜丝、石蜡等材料自制密度计．
（l）制作密度计的过程中，需要一个盛放液体的容器，现有250mL的量筒和400mL的烧杯供选择．则小明应选择__________．
（2）小明将自制的密度计放入水中，发现密度计不能直立漂浮，其原因可能__________.改进后小明将密度计放入水中，用刻度尺测出吸管露出水面的长度是10.8cm，则吸管浸入水中的深度h_水=__________cm.小明将该密度计放人某液体中，吸管浸入液体的深度为9cm.则此液体的密度是多少？（ρ_水=1.0×10³kg/m³）
（3）小明的同学也用吸管制作了密度计，他发现密度计相邻两刻度线之间的距离太小，导致用此密度计测量液体密度时误差较大，为此同学们提出了如下改进方案，其中可行的是

A．换大的容器做实验

B．换细的吸管制作密度计

C．换稍长的吸管制作密度计

D．适当减小密度计的配重

如图是一种简易温度计，当外界温度升高时，液体体积膨胀，引起液体密度变化，导致小球受到的浮力变化而运动。小球运动会引起悬挂于下端的链条长度发生变化，最终使小球重新悬浮在液体的某一深度，指针指示温度值。（小球体积变化可忽略）

（1）该温度计的刻度值自下而上变   。
（2）若该温度计中小球的体积为3×10^-5m³，20℃时容器内液体密度为0.8×10³kg/m³，则此时悬浮在液体中的小球受到的浮力为多少N？（g取10N/kg）
（3）为了使该温度计更精确，请提出一条改进建议：   。