初中物理能源与可持续发展综合题

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

【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”）。

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．
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）

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：   。

如图所示，一边长为10 cm的立方体木块，在水中静止时，刚好有二分之一露出水面。若g取10N／kg，求：

①木块的密度是多大？        
②用手将木块缓慢压入水中，当木块刚好全部没入水中时，手对木块的压力是多大？      
③若木块横截面积为容器横截面积的二分之一，在水中静止时，盛水容器中水的深度为20cm。则将木块从如图所示位置缓慢压至容器底部，若水不会从容器中溢出，压力所做的功是多少焦耳？（已知将木块从如图所示位置缓慢压到刚好全部没入水中的过程中，压力是变化的，该变化的压力所做的功，可以用一个恒力所做的功来代替，这个恒力的大小等于最大压力的二分之一。精确至0.01）       

如图所示，2015年3月31日，无需一滴燃料的世界最大太阳能飞机“阳光动力”2号降落在重庆江北国际机场，并于当天在重庆巴蜀中学开启中国首个地面科普活动。“阳光动力”2号机翼呈流线型，翼展长达72米，上面安装有17248块超薄、高效太阳能电池板，它们能在白天吸收能量。此外，飞机上还载有633块超轻薄的锂电池，白天，飞机“汲取”太阳能并储存足够多的能量，到了晚上，依靠储存在电池里的多余电能持续飞行。虽然“阳光动力”2号体积庞大，堪比波音747客机，但由于机身和机翼均采用极轻的碳纤维材料，其总重仅为2.3吨，与一辆家用汽车相当，其最大飞行高度可达8500m，最高时速为140km/h。请参照示例写出一个“阳光动力”2号所涉及的物理信息和对应的物理知识（不得与示例重复）。

例：物理信息：“阳光动力”2号降落在江北国际机场
物理知识：降落过程中机械能减小
作答：物理信息：____________________________________
物理知识：____________________________________

阅读下面的短文，回答问题。
光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象。光电现象由德国物理学家赫兹于1887年发现，而正确的解释为爱因斯坦所提出。光电效应分为光电子发射、光电导效应和阻挡层光电效应，又称光生伏特效应。前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。外光电效应是指被光激发产生的电子逸出物质表面的现象．只有入射光的频率高于一定值时，才能激发电子逸出物质表面．内光电效应是指被光激发所产生的电荷仍在物质内部运动，但使物质的导电能力发生变化或在物体两端产生电压的现象.。
光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；光敏电阻可应用在各种自动控制装置和光检测设备中，如生产线上的自动送料、自动门装置、航标灯、路灯、应急自动照明、自动给水停水装置等方面。
利用太阳能的最佳方式是光伏转换，就是利用光伏效应，使太阳光射到硅材料上产生电流直接发电。光伏产业正日益成为国际上继IT、微电子产业之后又一爆炸式发展的行业。
（1）外光电效应会从物质中激发出带           （选填“正电”或“负电”）的粒子。
（2）下图是电磁波波谱图．如果蓝光照射到某金属表面能产生外光电效应，则下列光照射该金属也一定能产生外光电效应是             。

A．红光，红外线	B．红外线，紫外线
C．紫光，紫外线，	D．黄光，紫光

（3）太阳能电池是依据        （选填“内”或“外”）光电效应工作的．
（4）现在楼道内一般不再使用声控开关，而用红外感应开关替代。白天光控开关断开，夜晚光线暗时，光控开关闭合；当有人进入楼道内时，红外感应开关闭合，没人时红外感应开关断开。下列关于楼道内路灯电路设计合理的是       （光控开关用光表示，红外感应开关用红表示）

(5)图甲是某生产流水线上的产品输送及计数装置示意图。其中S为激光源，R₁为光敏电阻(有光照射时，阻值较小；无光照射时，阻值较大)，R₂为定值保护电阻，a、b间接“示波器”(示波器的接入对电路无影响)。水平传送带匀速前进，每当传送带上的产品通过S与R₁之间时，射向光敏电阻的光线会被产品挡住。若传送带上的产品为均匀正方体，示波器显示的电压随时间变化的关系如图乙所示。已知计数器电路中电源两极间的电压恒为6V，保护电阻R₂的阻值为400Ω。则无光照射时，保护电阻R₂两端电压是       V,每l h通过S与R₁之间的产品个数为          个.

阅读短文，回答问题：

核能的利用
在常规化石能源非常紧缺的今天，核能受到越来越高度的重视，如今美国电力的21%是来自核电．核电站的大体组成如图所示，核材料在原子反应堆中发生核反应产生大量的热能，冷却剂将这些热能带到热交换器将水变成水蒸汽，水蒸气推动蒸汽轮机带动发电机发电，最终实现了核能到电能的转换．
请在下面的空格中填上适当的内容：
（1）从能源的分类来看，核能是属于_______。（填“一次能源”或“二次能源”）
（2）发电机发电时是让线圈在__________中旋转而产生电流，这种现象在物理学中称之为     现象。
（3）核电站所需的核能是利用原子核        （填“裂变”或“聚变”）所产生的。该变是                。（填“可控”或“不可控”）
（4）如果核电站每年需要50t的核燃料，而同等规模火电站每年需要6×10⁶t的煤炭。则6×10⁶t的煤炭完全燃烧放出的热量是        J (煤炭的热值为3×10⁷J/kg)。
（5）核电站的核废料具有           性，对环境会造成相当大的危害，因此要将核废料深埋到人迹稀少的沙漠地带，同时如何在开发新能源，又注意环境的保护，是人类面临的一大课题．

波浪发电机就是一种把波浪的能量转化成电能的一种发电方式。如图所示是漂浮气动式波浪发电机的工作示意图，波浪运动的表面性和较长的中心管的阻隔．管的下端伸入到海平面6m以下，浮体可以带动中心管随波浪上升与下降。内水面和汽轮机之间是气室。当浮体随波浪上升时，气室容积增大，经阀门吸入空气。当浮体带动中心管随波浪下降时，气室容积减小，受压空气将阀门关闭经汽轮机排出。它的汽轮机带动发电机发电。
根据以上材料，回答下列问题：
(1)由于下端管口位于水面较深处，因此管内水面受波浪影响较________(“大”或“小”)，可看做静止不动的水面。
(2)漂浮气动式波浪发电机主要利用哪个过程对外发电？
答：________________________________________________________________________。
(3)这种波浪发电机在工作时，把海水(波浪)的________能通过________装置转化成了电能。
(4)如果这种装置用金属做成的话，该金属必须具备什么特点？利用波浪发电最大的局限是什么？

沙漠的沙子比热容小，太阳一晒温度就升高，沙漠表层的温度可以与空气或者地下2～3米差20℃。沙漠里大面积的温度差如果配合上温差发电组件就可以得到电力。为了探究这种发电技术，小明买来了一片半导体温差发电组件(如图甲所示)进行探究。他取来热得快、金属杯、散热片、电流表、电压表、定值电阻各一个，导线若干，在金属杯中盛多半杯水，将温差发电片用导热胶固定在杯底，A面向上，B面固定散热片，组成如图乙所示的电路。接通热得快的电源，每隔2分钟记录一次电流表和电压表的示数，加热到12min时水沸腾。记录结果如表所示。

时间t／min	0	2	4	6	8	10	12	14	16
电压U／V	0	0	0.3	0.6	0.9	1.2	1.5	1.5	1.5
电流I／A	0	0	0.02	0.04	0.06	0.08	0.1	0.1	0.1

①小明所用的定值电阻为________Ω，当水沸腾时，温差发电片输出的电功率为________W。
②总结小明实验所得出的规律。
③若用上述温差发电片制作温差发电机，它的A面应该处于________(“高温”或“低温”)端，温差发电片是将________能转化成________能的装置。
④小明认为，设法把温差发电片的A面处于保温瓶中，B面处在空气中，这个装置就可以源源不断地向外供电，这种说法正确吗？说说你的道理。