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第十五届全国初中应用物理知识竞赛复赛试题及答案

发布时间:2013-09-27 17:35:15  

第十五届全国初中应用物理知识竞赛复赛题

注意事项:

1.首先填写所在地区、学校、姓名和考号。 2.用蓝色或黑色钢笔、圆珠笔书写。 3.本试卷共有六个大题。

4.答卷时间:2005年4月17日(星期日)上午9:30~11:10。

一、(14分)王伟同学研究了均匀拉紧的琴弦发音频率与弦长的关系,并记录了实测的数

据(如下表所示)。请你根据记录表中的有关数据,分析并估算出他有意留出的空格中应该填写的数据(要求写出估算的过程)。

二、(14分)类比水压是形成水流的原因,李楠同学猜想,血液在血管内流动时也需要一定的压力差来维持。假设血液匀速通过长度一定的血管时,受到的阻力f与血液的流速?成正

比,即f?k?。那么,要想让血液匀速流过,血管两端就需要一定的压力差。设血管截面积为S1时,两端所需的压强差为?p1;若血管截面积减少10%时,为了维持在相同的时间内流过同样体积的血液,压强差必须变为?p2。请你通过计算比较?p1、?p2的大小,说明血管变细可能是诱发高血压的重要因素之一。

三、(16分)下表是某锅炉厂生产的CWNG系列三种锅炉的主要技术参数表。

已知水的比热容为4.2?103J/kg?℃,假设三种锅炉的燃煤效率相同,且煤均可达到完全燃烧。请根据上表回答以下问题:

1.根据表格中的已知数据,请在表格中的四个( )内填上合适的数据。

2.按表格中的出水温度和回水温度,计算CWNG1.05-80/60-AII型锅炉每小时给住宅内释放的热量是多少。

3.根据表格中已知数据计算燃煤的热值为多少。

四、(16分)李明得到一个国外生首开的电热暖手器,铭牌表示额定值的字样中,能看清楚的只有“24W”这几个字。为了能正确使有该用电器,他把一只标有“600 ?,0.4 A”的定值电阻与电热暖手器和开关串联起来,连接到家庭照明电路中,然后进行如下实验观察:将开关接通后,电能表转盘转动137圈恰好用了100s;断开开关后,电能表转盘在1min内恰好转了80圈;观察电能表上标有3000r/(kW·h)字样;他在做实验的时间内,家中其他用电器的使用情况没有变化。请根据以上数据,计算电热暖手器的额定电压是多少?你在计算过程中忽略了什么因素的影响?由此导致的计算结果是偏大还是偏小?

五、(20分)一所农村中学常常因为不能及时给水塔注水而停水,科技小组的同学知道后,利用下图所示的器材设计了一个自动注水模拟装置。A为浮子(浮子及其连杆总重约15N),在浮子连杆的上端有一可移动金属触头B(其受重力可忽略不计),它可以分别将其上、下的两个固定触点连通。C为水塔上的圆桶形蓄水池;M为配有电动机的水泵(电泵);D1、D2为弹簧,E1、E2为衔铁,F1、F2为电磁铁线圈;K1为最高水位限位开关、K2为最低水位限位开关、K3、K4、K5均为由电磁铁衔铁带动的触头开关。电磁铁F1通电时,K4接通,断电时,K3接通。电磁铁F2断电时,K5接通。S1、S2为开关。

1.请你按照下图所示的器材,连接一个可以实现自动注水的模拟电路,并说明自动注水的过程。

2.要实现自动注水的要求,浮子的最小体积约为多大?(g=10N/kg)

3.若设计要求每次自动注水需在10min内完成,需要知道或测量哪些物理量才能得到相匹配电泵的最小额定功率?请你用字母表示这些物理量,推导出电泵最小额定功率的表达式。在你的计算过程中,如果运用了近似条件,请说明。

DS1

D3 K

4

S2

六、(20分)在当今世界,研制各种机器都必需考虑节约能源和治理废气污染这一重要课题。在内燃机中,废气带走了很多能量,如果能将这些能量再利用起来,会使内燃机的效率提高许多。某工厂科研人员研制生产的四冲程汽车专用柴油发动机,就采用了很多新技术。其中最重要的一项叫“增压”技术,它是利用“废气涡轮增压器”使排气冲程中排出的高温、高压的废气去冲击“废气涡轮”高速旋转,它同时又带动同轴的进气系统中的“进气涡轮”也高速旋转,从而增加吸气冲程的进气量并增大进气气压,使做功冲程中柴油燃烧的更充分,燃气压强更大,同时也减少了废气中的有害物质,达到提高柴油发动机效率和减少废气污染的目的。这种柴油发动机有6个气缸,气缸直径为110mm,活塞行程为135mm,当转速为2300r/min时,发动机功率为220kW,最低油耗可达240g/(kW·h),柴油的热值为

4.3?107J/kg。请回答下列问题:

1.该柴油发动机的效率最高可达多少?

2.在做功冲程中气缸内的平均压强是多少?

3.如果将我国这种机型的汽车柴油发动机都安装“增压器”后,能使它们的平均效率由原来约31%提高到近35%,安装前按每年消耗3亿吨柴油估算,这项技术每年能为我国节约多少吨柴油?

4.如果目前我国柴油的平均价格为3750元/吨,根据上面的估算结果,计算使用“增压”技术后仅节约柴油一项可使我国每年节约多少资金。由此你有哪些认识?

第十五届全国初中应用物理知识竞赛复赛题参考解答和评分标准

一、参考答案(14分)

分析表格中频率和弦长两行数据可知,均匀拉紧的琴弦发音频率与弦长近似成反比。(4分)

ff1?6 ,l1?l f6f1

f2643所以,弦长一行第6格的数值为:l6?1l1?l?l (5分) f64405

lf对于中央C和B有:1?7 f7l1对于中央C和A有:

所以,频率一行第7格的数值为:

f7?

二、参考答案(14分) l1lf1??264Hz?495Hz (5分) 8l7l15

假设截面积为S1时的压强差为?p1,流速为?1,

假设截面积为S2?(1?10%)S1?0.9S1时的压强为?p2,流速为?2;

依题意可列方程: kv1??p1S1 ① (3分)

kv2??p2S2 ② (3分)

?p1v1S2??v2S1 ③ (2分) 由①、②两式可得: ?p2

又相同的时间内流过同样体积的血液,所以有:S1l1?S2l2

S1v1t?S2v2t

S1v1?S2v2 ④ (2分)

v1S2??0.9S1由④式可得 v2 ⑤ (2分)

⑤式代入③式可得 ?p1?0.9?0.9?0.81?1 ?p2

即?p1??p2,说明血管变细血压增高,血管变细可能是诱发高血压的重要因素之一。(2

分)

三、参考答案(16分)

1.(共10分)

(1)方法一,由表中三种锅炉型号的代码表示中可知,第一种锅炉的功率为0.7MW。 方法二,已知三种型号的锅炉热效率相同,则:

1t ① ?qm1?P

?qm2?P2t ②

?qm3?P3t ③ m1P1145P1? ? 2901.4m3P3

P1?0.7MW (2分) 由①、③两式可得:

所以,CWNG0.7-80/60-AII锅炉的功率为0.7MW。

(2)由上述的②、③两式可得:

m2P2m21.05??m3P3 2901.4

m2?217.5kg/h (2分)

所以,CWHG1.05-80/60-AII锅炉的耗煤量是217.5kg/h。

(3)供暖面积与循环水量或锅炉功率成正比,即

S245?6012000

2S?9000m2 (3分)

m。 所以,CWNG1.05-80/60-AII锅炉的供暖面积为9000

(4)锅炉所做功可视为水循环放出的热量,即W=Q 2

P1t?c?水V1?t ④

P3t?c?水V3?t ⑤

由④、⑤两式可得:

P1V10.7V1??P3V3 1.460

3V?30m/h (3分) 1

所以,CWNG0.7-80/60-AII锅炉的循环水量为30m/h。

2.(3分)按表格中的出水温度和回水温度,以及循环水量,计算锅炉每小时向住宅释放的能量。依据 3

W?Q?c?水V2?t?4.2?103?1?103?45?1?(80?60)J?3.78?109J

3.(3分)由?qm2?P2t:得

四、参考答案(16分)

接通开关时,电能表测出的是所有用电器在100s内消耗的总电能 P2t1.05?106?3600q??J/kg?2.32?107J/kg?m20.75?217.5

W'?137kW?h3000 (1分)

80kW?h3000 (1分) 断开开关后,电能表测出的就是李明家其他用电器在60s内消耗的电能 W?

断开开关前后的功率分别为:

137

W'P'??kW?1644W100t'

3600 (1分)

80

WP??kW?1600W60t

3600 (1分)

所以,实验支路的串联(总)功率为:

PW?1600W?44W (2分) 串?P'?P?1644

实验支路的总电阻为:

U22202

R串????1100?P44串 (1分)

电热暖手器的电阻为:

R?R串?R定?1100??600??500? (2分)

所以,电热暖手器的额定电压为:

U额?P额R?24?500V?109V (2分)

在上述计算中,忽略了温度对电阻的影晌。在实验测试中,电热暖手器的实际电压为: U实?U?P串

UR定?220V?44?600V?100V220,

小于其额定电压 (2分)

由于电流的热效应,温度升高,电阻增大,电热暖手器在额定电压下(正常)工作时,其电阻会大于500?,故其实际的额定电压

U额?P额R

也会大于测量值109V,因此忽略温度对电阻的影响,会导致计算结果偏小。 (3分)

五、参考答案(20分)

1.(12分)电路如下图所示。

K3、K5处于接通状态),电泵运转,开始注水。随着蓄水池中

水位的逐渐升高,浮子A带动金属触头B上移,当升到最高水位时,K1闭合,接通电磁铁闭合开关S1、S2(此时开关线圈F1,衔铁E1被吸下来,使开关K3断开,切断电泵的电源,停止抽水。与此同时K4接通,由于K4与K1为并联,所以当水位下降使K1断开时,电磁铁线圈F1仍处于接通状态,电泵保持停止状态。当水位下降到最低点时,开关K2闭合,接通电磁铁线圈F2,衔铁E2被吸下来,使开关K5断开,切断电磁铁线圈F1的电源,衔铁E1释放,使开关K3闭合,接

通电泵的电源,再次注水。如此循环往复,实现自动注水。

D2

注:可以采用分步骤累计分数的方法。

①能连接电机的供电电路,并将K3连入电路。 (2分) ②能将F1与电源连通,再将K1连入, (2分) 再将K5连入,再将K1与K4关联 (2分) ③能将F2与电源连通,再将K2连入。 (2分) 文字叙述要求简洁,条理清晰 (4分)

2.(4分)由图知,浮子上浮接通电路,必须满足:

GA?F浮

由阿基米德定律可得,F浮??水gV排

V排?

F浮?水g?GA15?m3?1.5?10?3m3

3?水g1.0?10?10 (4分)

?33 即要实现自动注水的要求,浮子的最小体积是1.5?10m (4分)

3.(4分)需要知道水的密度?水,测出蓄水池的半径R、蓄水池中最低和最高水位的高度差h1、蓄水池距井水面的高度h2,电泵抽水时,通过电动机做功把电能转化为机械能。 Pt?m水gh???R2h1g(h2?h1)2 (1分)

600 (2分)

计算过程中,完全按理想状态考虑,忽略能量的损失。 (1分)

P???R2h1g(h2?h1)

六、参考答案 (20分)

1.(4分)该发动机的效率最高为:

W3.6?106

????35%7?3qm4.3?10?240?10 (4分)

52.(8分)P?220kW?2.2?10W,D?110mm?0.11m, l?135mm?0.135m

每秒钟的做功冲程数为:

n?12300r230r??260s12s (4分)

设做功冲程中的平均压强为P,则有用功率P为:

DP?6nFL?6np?()2l2

4P4?2.2?105

6P??Pa?1.49?10Pa22306n?Dl6??3.14?0.112?0.13512 (4分)

3.(6分)已知?1?31%,?2?35%,m1?3亿吨

因为安装“增压器”前后有用功是相同的,所以有:?1qm1??2qm2 (2分) m2??1m1?2

?m?m1?m2?(1??131%)m1?(1?)m1?0.114m1?0.114?3亿吨?0.34亿吨?235% (4分)

4.(2分)安装“增压器”后,仅节约柴油一项每年可为国家节约的资金为

0.34亿吨×3750元/吨=1275亿元

由此可以看出,如果这项技术能得到广泛的应用,会给人类带来巨大的利益。但是,任何新技术在实际中的应用会受到各方面条件的影响和制约。应该说,节约和有效利用能源始终是人类需要努力的。 (2分)

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