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2012年全国第二十二届初中应用物理竞赛复赛试题_(含答案全WORD版)

发布时间:2014-04-13 09:11:08  

2012年第二十二届全国初中应用物理知识竞赛复赛试题

一、(16分)某种小型汽油发电机外形如图1所示,其实质是利用一个汽油机带动一个发电机来发电。该发电机铭牌部分数据如下表所示,根据表中的数据求:

图1

(1)在允许的连续运行时间内,发电机以额定功率输出,能够提供的电能是多少度?

(2)已知汽油的热值是q=4.6×107J/kg,密度是0.71×103kg/m3,设该汽油机的效率为35%,则该汽油发电机油箱的容积至少需要多大?

(3)汽油发电机将内能转化为电能的效率是多少?

二、(16分)长期以来,我国北方地区城镇居民的冬季采暖计量一般都按住宅面积收费,导致用户节能意识差,造成严重的资源浪费。作为建筑节能的一项基本措施,近几年部分地区试点以热量表作为计量收费的依据和手段,经测算可节能约20%~30%.

如图2所示,一个完整的热量表由以下三个部分组成:一只液体流量计,用以测量经热交换的热水流量;一对用铂电阻制作的温度传感器,分别测量供暖进水和回水温度;一低功耗的单芯片计算机,根据与其相连的流量计和温度传感器提供的流量和温度数据,利用热力学公式可计算出用户从热交换系统获得的热量,通过液晶显示器将测量数据和计算结果显示出来。

水量调节阀 热量表

进水 回水 测温三通

热量表热量计量系统组成 图2 1

以下是某用户家中的热量表的部分参数,已知水的比热容取4.2×103J/(kg·℃),天然气的燃烧值约为8×107J/m3.

(1(2)在一次要查看热量表记录情况时,通过逐次点按计量表上的信息显示按钮,液晶显示器逐项显示出了下列数据:

J?到此次查看时为止,该用户从这套供暖系统得到的总能量相当于完全燃烧了多少m3的天然气?

(3)如果出现大风降温天气,住宅通过外墙散热的速度会加大。从原理分析,应该在家中怎样调节,才能保持室内温度不出现明显下降。

(4)这种型号的热量表平均耗电功率不超过多大?

(5)2010年国家将逐渐在全国推广使用分热分户计量。假设某城区在未使用热量表计费时,一年热力公司共消耗天然气40亿立方米,现有30%的用户使用热量表,在使用后平均每户节能20%.按此情况计算,这些使用热量表的用户一年可节约多少天然气?

三、(16分)双活塞气压计是一种可以消除活塞自重影响、对低压容器内的压强进行测量的装置。如图3所示,在甲、乙两个空腔容器中各有一个活塞A和B,其中活塞A的

截面上下一致,称为自由活塞,其横截面积为S1;活塞B的上下截面不等,

称为差动活塞,其上下两部分的横截面积分别为S2和S3.乙容器的上、下两

部分彼此隔绝,不能相互渗气、渗油。C为带有阀门K1的工作液体的接口,

工作液体充满甲容器和乙容器的上部空腔;D为带有阀门K2的接口,可接

待测容器;E为带有阀门K3的接口,可与抽气机相连。测量前要先校正零

位平衡:K1关闭,K2打开,D口不连接待测容器,在两活塞上面放置砝码

(图中未画出),调节砝码的质量使两活塞升起的高度相同。进行测量时,图3

要将待测量的容器接在D口上,并关闭K2、打开K3,开动抽气机进行抽气,待乙容器下部空腔内接近真 2

空时,关闭K3、打开K2,此时差动活塞B已有所下降,在自由活塞A上再加放重为G的砝码时,A、B两活塞的上表面恰好能恢复等高。已知进行测量时大气压强为p0,求等测容器内气体的压强p。

根据帕斯卡定律可知:加在密闭液体上的压强能够大小不变地被液体向各个方向传递。

四、(16分)小明看到一句农谚:“下雪不冷化雪冷”,他很好奇,想具体了解一下冰雪熔化时究竟要吸收多少热量。于是他查找了资料,知道“熔化热”的定义是:单位质量的某种晶体,在熔化成同温度的液体时吸收的热量,叫做这种晶体的熔化热。他想用实验测量一下冰的熔化热,于是找来了一些实验器材:一架天平和配套的砝码、一支实验室温度计(0~100℃)、一个有密封盖子的保温桶、一个小烧杯、一把镊子和一个专门用来在冰箱中冻小冰块的塑料冰格,又观察到家里的冰箱面板上显示冷冻室温度恒为-18℃.请帮助小明设计一个用这些器材粗测冰块熔化热的方案,要求写出实验的步骤和用测量的物理量计算冰的熔化热λ的表达式(水和冰的比热容分别用c水和c冰表示)

五、(18分)在一些地区的电力线路敷设过程中,会使用简易绞盘将沉重的混泥土电线杆立起来。其主要结构如图4所示。作业前,先将绞盘底座牢固地固定在地面上,立杆作业时,根据实际需要,安排1~4人分别推动不同的横杆末端,使横杆绕轴做顺时针转动,这样第在电线杆上的钢丝绳就被不断地缠绕在轴上,电线杆被逐渐拉起并最终竖直站立。已知,某个绞盘的轴直径D=10cm,各横杆末端到轴心的距离L=1m.在一次立杆作业中,所立的电线杆所受重力G=6200N,长L0=10m,其重心距粗端4m.若在电线杆升至某时刻时的情形如图5所示,设此时绞盘的机械效率η=80%,定滑轮的阻力可忽略不计。

1.若此刻仅有一名施工人员推横杆,则该施工人员对绞盘横杆所施加的最小推力F为多少?

2.在整个立杆过程中,施工人员对绞盘横杆的最小推力F的变化情况如何?

3.在立杆作业时,施工人员一般要求绞盘离所拉的电线杆适当地远一些,请定性分析这样做的原因。 3

4 图

5

六、(18分)应急照明灯是在正常照明电源发生故障时,能持续照明而不间断工作的一类灯具,如图6所示。应急照明灯主要由灯泡(或LED灯珠)、蓄电池、充电器、自动控制电路及相关部件组成。在照明电源正常情况下,应急照明灯通过充电器给蓄电池充电,此时,自动控制电路及相关部件自动将灯泡(或LED灯珠)与蓄电池断开而不发光。当照明电路突然停电时,应急照明灯通过自动控制电路及相关部件自动把 4

灯泡(或LED灯珠)跟蓄电池接通,从而实现自动应急照明。下表为某型号应急照明灯的主要技术数据:

图6

1.

2.小兰跟老师提出自己要设计并组装一只简易的应急照明灯。老师告诉她实验室现有以下器材:双孔插座及与之配套的插头1套、小灯泡(额定电压:DC3.0~3.4V,额定电流:350mA)4只、电磁继电器(额定电压:DC6V;额定电流:0.15A)1套及与之配套的低压直流电源(输入电压:AC220V,输出电压:DC6V)1台、蓄电池(两端电压:6V)1只及与之配套的充电器(输入电压:AC220V,输出电压:DC6.3V)1只、导线(足量),如图7所示。

(1)请你帮助小兰在图7上完成简易应急照明灯的接线。要求如下:

①家庭电路正常工作时,充电器自动给蓄电池充电,各灯泡均不发光;

②当家庭电路停电时,蓄电池自动给各灯泡供电,使各灯泡

均正常发光,且在一盏小灯泡灯丝烧断后还应该有部分小灯

泡能正常工作。

(2)小明看到小兰的连接电路后,认为可以去掉低压直流

电源,而将电磁铁的两个接线柱直接接在充电器的输出端。

请你分析这样做不可行的原因。

图7

5

2012年第二十二届全国初中应用物理知识竞赛复赛试题

一、(16分)某种小型汽油发电机外形如图1所示,其实质是利用一个汽油机带动一个发电机来发电。该发电机铭牌部分数据如下表所示,根据表中的数据求:

图1

(1)在允许的连续运行时间内,发电机以额定功率输出,能够提供的电能是多少度?

(2)已知汽油的热值是q=4.6×107J/kg,密度是0.71×103kg/m3,设该汽油机的效率为35%,则该汽油发电机油箱的容积至少需要多大?

(3)汽油发电机将内能转化为电能的效率是多少?

(1)发电机能够提供的电能W电=P电t=5kW×8h=40kW·h

(2)汽油机的效率??W有用

Q放?P机t??Vq

8.3?103W?8?3600s?33所以油箱的最小容积V???20.9?10m?20.9L 337??q0.71?10kg/m?0.35?4.6?10J/kg

(3)汽油发电机将内能转化为电能的效率 P机t?

?W电P

5?103W?8?3600s电t??????21.1%

33?337Q放?Vq0.71?10kg/m?20.9?10m?4.6?10J/kg

P5?103W电或?????0.35??21.1% 3P8.3?10W机

二、(16分)长期以来,我国北方地区城镇居民的冬季采暖计量一般都按住宅面积收费,导致用户节能意识差,造成严重的资源浪费。作为建筑节能的一项基本措施,近几年部分地区试点以热量表作为计量收费的依据和手段,经测算可节能约20%~30%.

如图2所示,一个完整的热量表由以下三个部分组成:一只液体流量计,用以测量经热交换的热水流量;一对用铂电阻制作的温度传感器,分别测量供暖进水和回水温度;一低功耗的单芯片计算机,根据与其相连的流量计和温度传感器提供的流量和温度数据,利用热力学公式可计算出用户从热交换系统获得的热量,通过液晶显示器将测量数据和计算结果显示出来。

水量调节阀 热量表

进水 回水 测温三通

热量表热量计量系统组成 图2 6

以下是某用户家中的热量表的部分参数,已知水的比热容取4.2×103J/(kg·℃),天然气的燃烧值约为8×107J/m3.

(1(2)在一次要查看热量表记录情况时,通过逐次点按计量表上的信息显示按钮,液晶显示器逐项显示出了下列数据:

J?到此次查看时为止,该用户从这套供暖系统得到的总能量相当于完全燃烧了多少m3的天然气?

(3)如果出现大风降温天气,住宅通过外墙散热的速度会加大。从原理分析,应该在家中怎样调节,才能保持室内温度不出现明显下降。

(4)这种型号的热量表平均耗电功率不超过多大?

(5)2010年国家将逐渐在全国推广使用分热分户计量。假设某城区在未使用热量表计费时,一年热力公司共消耗天然气40亿立方米,现有30%的用户使用热量表,在使用后平均每户节能20%.按此情况计算,这些使用热量表的用户一年可节约多少天然气?

(1)该型号热量表能测量的最大供热功率Pmax?Qmaxc水mmax?tmaxc水?水Vmax?tmax?? ttt

4.2?103J/(kg??C)?103kg/m3?2.5m3?50?C??1.46?105W 3600s

(2)平均每小时从暖气中得到的热量Q?c水m?t?c水?水V?t

?4.2?103J/(kg??C)?103kg/m3?0.777m3?(52.5-49.7)?C=9.14?106J

46235.67?3.6?106J?2081m3 相当于完全燃烧天然气的体积为:738?10J/m

(3)分析原理可知,为了提高房间内暖气片放出热量的速度,只需调节“水量调节阀”,加大热水瞬时流量即可。

(4)热量表的耗电功率为P电?WUQ3.6V?2A?3600s???1.6?10?4W t?t?5?365?24?3600s

(5)相当于节约的天然气体积为4×109m3×30%×20%=2.4×108m3

三、(16分)双活塞气压计是一种可以消除活塞自重影响、对低压容器内的压强进行测量的装置。如图3所示,在甲、乙两个空腔容器中各有一个活塞A和B,其中活塞A的

截面上下一致,称为自由活塞,其横截面积为S1;活塞B的上下截面不等,

称为差动活塞,其上下两部分的横截面积分别为S2和S3.乙容器的上、下两

部分彼此隔绝,不能相互渗气、渗油。C为带有阀门K1的工作液体的接口,

工作液体充满甲容器和乙容器的上部空腔;D为带有阀门K2的接口,可接

待测容器;E为带有阀门K3的接口,可与抽气机相连。测量前要先校正零

位平衡:K1关闭,K2打开,D口不连接待测容器,在两活塞上面放置砝码

(图中未画出),调节砝码的质量使两活塞升起的高度相同。进行测量时,图3

要将待测量的容器接在D口上,并关闭K2、打开K3,开动抽气机进行抽气,待乙容器下部空腔内接近真 7

空时,关闭K3、打开K2,此时差动活塞B已有所下降,在自由活塞A上再加放重为G的砝码时,A、B两活塞的上表面恰好能恢复等高。已知进行测量时大气压强为p0,求等测容器内气体的压强p。

根据帕斯卡定律可知:加在密闭液体上的压强能够大小不变地被液体向各个方向传递。

解:在自由活塞A上再加放重为G的砝码时,A活塞对工作液体增加的压强为?p?G S1

根据帕斯卡定律,工作液体对活塞B向上增加的压力为?F?G(S2?S3) S1

又因为活塞B下底面向上减小的气体压力为?F??(p0?p)S3

因为活塞B能够回到原来的高度,所以?F???F 即(p0?p)S3?G(S2?S3) S1

G(S2?S3) S1S3所以待测容器内的气体压强为p?p0?

四、(16分)小明看到一句农谚:“下雪不冷化雪冷”,他很好奇,想具体了解一下冰雪熔化时究竟要吸收多少热量。于是他查找了资料,知道“熔化热”的定义是:单位质量的某种晶体,在熔化成同温度的液体时吸收的热量,叫做这种晶体的熔化热。他想用实验测量一下冰的熔化热,于是找来了一些实验器材:一架天平和配套的砝码、一支实验室温度计(0~100℃)、一个有密封盖子的保温桶、一个小烧杯、一把镊子和一个专门用来在冰箱中冻小冰块的塑料冰格,又观察到家里的冰箱面板上显示冷冻室温度恒为-18℃.请帮助小明设计一个用这些器材粗测冰块熔化热的方案,要求写出实验的步骤和用测量的物理量计算冰的熔化热λ的表达式(水和冰的比热容分别用c水和c冰表示)

实验步骤:

(1)用调好的天平测量小烧杯的质量m1;

(2)用小烧杯盛取足量的水,再用天平测量小烧杯和水的质量m2;

(3)将水倒入保温桶内,用温度计测量水的温度t1;

(4)提前较长时间将用冰格盛适量水放在冰箱冷冻室里冻成冰块,用镊子取适量冰块放在小烧杯中,迅速用天平测量出基总质量m3后,立刻将冰块倒入保温桶内的水中,盖紧桶盖;

(5)轻轻摇晃保温桶使水温均匀,并仔细听声音,能听出冰块熔化完毕后,打开桶盖,用温度计测出保温桶内水的温度t2。 c水(m2?m1)(t1?t2)?(c水t2?c冰?18?C)(m3?m1)冰块的熔化热的表达式为:?? m3?m1

五、(18分)在一些地区的电力线路敷设过程中,会使用简易绞盘将沉重的混泥土电线杆立起来。其主要结构如图4所示。作业前,先将绞盘底座牢固地固定在地面上,立杆作业时,根据实际需要,安排1~4人分别推动不同的横杆末端,使横杆绕轴做顺时针转动,这样第在电线杆上的钢丝绳就被不断地缠绕在轴上,电线杆被逐渐拉起并最终竖直站立。已知,某个绞盘的轴直径D=10cm,各横杆末端到轴心的距离L=1m.在一次立杆作业中,所立的电线杆所受重力G=6200N,长L0=10m,其重心距粗端4m.若在电线杆升至某时刻时的情形如图5所示,设此时绞盘的机械效率η=80%,定滑轮的阻力可忽略不计。

1.若此刻仅有一名施工人员推横杆,则该施工人员对绞盘横杆所施加的最小推力F为多少?

2.在整个立杆过程中,施工人员对绞盘横杆的最小推力F的变化情况如何?

3.在立杆作业时,施工人员一般要求绞盘离所拉的电线杆适当地远一些,请定性分析这样做的原因。

8

图4 图

5

解:1.如图答1所示,设钢丝绳拉电线杆的力为F′,把电线杆看作杠杆,其支点为其粗端端点O。 由杠杆平衡条件,有:F??LF??G?LG

G?LG6.2?103N?4m?cos45?F????3.51?103N LF?10m?sin30?

绞盘本质上是一个轮轴,若要施工人员对绞盘横杆的推力F最小,则该力应沿水平方向,作用于横杆末端且与横杆垂直。在这种情况下,设所需的最小推力为F。

设绞盘的轴恰好转动一周,则推力推动横杆末端移动的距离为s1?2?L

工人推力总共做的功为:W总?F?2?L

绞盘拉动钢丝绳移动的距离为s2??D

绞盘对钢丝绳所做的有用功为:W有用?F???D 绞盘的机械效率为??W有用

W总F??D??80% F?2L

F?2L3.51?103N?0.1mF???219N D?2?1m?0.8

2.在整个立杆过程中,电线杆重力G大小不变。随着电线杆被逐渐拉起,重力G的力臂LG在逐渐减小;而钢丝绳拉电线杆的力F′的力臂L F′却在逐渐增大;根据杠杆的平衡条件:F??L?G?LG,可知,钢丝绳拉电线杆的力F′在逐渐减小。

又因为,横杆末端到轴心的距离L、轴的直径D以及绞盘的效率η不变,所以施工人员对绞盘横杆的最小推力F也在逐渐减小。

3.绞盘离所拉的电线杆适当地远一些,其他情况相同时,可以适当地增大钢丝绳对电线杆的拉力F′的力臂L F′,在重力G与重力G的力臂LG相同的前提下,使减小,从而可以使施工人员对绞盘横杆的推力减小一些。

六、(18分)应急照明灯是在正常照明电源发生故障时,能持续照明而不间断工作的一类灯具,如图6所示。应急照明灯主要由灯泡(或LED灯珠)、蓄电池、充电器、自动控制电路及相关部件组成。在照明电源正常情况下,应急照明灯通过充电器给蓄电池充电,此时,自动控制电路及相关部件自动将灯泡(或LED灯珠)与蓄电池断开而不发光。当照明电路突然停电时,应急照明灯通过自动控制电路及相关部件自动把灯泡(或LED灯珠)跟蓄电池接通,从而实现自动应急照明。下表为某型号应急照明灯的主要技术数据:

9

图6

1.在该型号应急照明灯刚投入使用阶段,待蓄电池充满电后,可以实现的最长连续应急照明时间为多少?

2.小兰跟老师提出自己要设计并组装一只简易的应急照明灯。老师告诉她实验室现有以下器材:双孔插座及与之配套的插头1套、小灯泡(额定电压:DC3.0~3.4V

,额定电流:350mA)

4只、电磁继电器(额定电压:DC6V;额定电流:0.15A)1套及与之配套的低压直流电源(输入电压:AC220V,输出电压:DC6V)1台、蓄电池(两端电压:6V)1只及与之配套的充电器(输入电压:AC220V,输出电压:DC6.3V)1只、导线(足量),如图7所示。

(1)请你帮助小兰在图7上完成简易应急照明灯的接线。要求如下:

①家庭电路正常工作时,充电器自动给蓄电池充电,各灯泡均不发光;

②当家庭电路停电时,蓄电池自动给各灯泡供电,使各灯泡

均正常发光,且在一盏小灯泡灯丝烧断后还应该有部分小灯

泡能正常工作。

(2)小明看到小兰的连接电路后,认为可以去掉低压直流

电源,而将电磁铁的两个接线柱直接接在充电器的输出端。

请你分析这样做不可行的原因。

1.由该型号应急照明灯的主要技术数据可知,其所用灯泡的

额定电压为2.4V,其蓄电池两端的电压也是2.4V;由此可图7

知,两只灯泡应并联。

单只灯泡正常发光时的电流:IL?PL0.96W??0.4A UL2.4V

干路中的总电流:I?2?IL?2?0.4A=0.8A

即蓄电池对外供电电流为:I=0.8A

蓄电池充满电后,可以实现的最长应急照明时间:

t?Q1.8?h=2.25h I0.8

2.简易应急照明灯的接线如图答2所示。

说明:上述电路图的6分具分布如下:

①电磁继电器的电磁铁应接于低压直流电源的输

出端。

②充电器给蓄电池充电时应注意蓄电池的正负

极。

③为了保证各小灯泡正常工作,应如图连接。若四个小灯泡接成先并联后再串联,扣1分。

(2)若将电磁铁的两个接线柱直接接在充电器两端,当家庭电路正常工作时,电磁铁有磁性,吸引衔铁下移,接通蓄电池充电电路,充电器给蓄电池充电;

当家庭电路停电时,蓄电池与电磁铁构成通路,电磁铁依然保持磁性,蓄电池无法为小灯泡供电,小灯泡不能发光。

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