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2012年第二十二届全国初中应用物理竞赛复赛试题

发布时间:2013-09-27 17:35:16  

2012年第二十二届全国初中应用物理竞赛复赛试题

注意事项:

1.请在密封钱内填写所在地区、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,满分为100分。

4.

一、(16分) 某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。该发种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)己知汽油的热值是q=4.6×l07J/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 - 1

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%。 水量调节阀

热量表 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 进水 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 回水 测温三通 据与其相连的流量计和温度传感器

热量表热量计量系统组成 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 图2

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。

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×l03J/(kg·C),天然气的燃烧值约为8×107

3。

(1)试通过以上数据计算该型号热量表能测量的最大供热功率是多少?

(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供热分户计量。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?

- 2 - 2

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,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空时,关闭K3、打开

K2,此时差动活塞B己有所下降,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。 己知进行测量时大气压强为p0 ,求待测容器内气体

的压强p。

图3 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:一架天平和配套的硅码、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)。

- 3 - 3

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

混凝土电线杆立起来。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,这样系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坚直站立。己知,某个绞盘的轴直径D=l0cm,各横杆末端到轴心的距离L=lm。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。

图4 图5

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。

- 4 - 4

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:

图6

1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,且在一盏小灯炮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。请分析这样做不可行的原因。

- 5 - 5

2012年第二十二届全国初中应用物理竞赛复赛试题

参考解答和评分标准

说明:

1.提供的参考解答除选择题外,不一定都是惟一正确的。对于那些与此解答不同的解答,正确的,同样得分。

2.评分标准只是按一种思路与方法给出的。在阅卷过程中会出现各种不同情况,可按照本评分标准的精神定出具体处理办法,但不要与本评分标准有较大偏离。

3.问答题或计算题是分步给分的。在评分标准中常常写出(1)式几分,(2)式几分??这里的式子是用来代表步骤的。若考生并未写出这个式子,而在文字表达或以后的解题过程中反映了这一步骤,同样得分。没有写出任何式子或文字说明,只给出最后结果的,不能得分。

4.参考解答中的数字结果是按照有效数字的运算要求给出的,但对考生不做要求。不要因为有效数字的错误而扣分。

5.在最后定奖时.如果得分相同的人数超过获奖名额,因而难于选拔时,可对待选试卷进行加分评判。加分评判的基本依据是:

(1)所用方法或原理不是课本所讲的,具有创新性,应加分;

(2)方法简便,应加分;

(3)提出多种正确解法,应加分;

(4)试卷表达规范,条理清楚,能充分利用数学工具,应加分。

上述各项的执行都应由竞赛领导小组做出规定(省统一分配奖励名额的由省决定,地、市分配奖励名额的由地、市决定)。

一、(16分)

(1)发电机能够提供的电能W电=P电t=5kW×8h=40kW·h???????????3分

- 6 - 6

(2)汽油机的效率??

所以油箱的最小容积: W有用Q放?P机t??Vq ???????????????????4分

8.3?103W?8?3600sV???20.9?10?3m3?20.9L?3分 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Pt?5?103W?8?3600s电??????21.1%??6分 Q放?Vq0.71?103kg/m3?20.9?10?3m3?4.6?107J/kg

P5?103W电?0.35??21.1% 或????P机8.3?103W

二、(16分)

解:(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 ???????4分 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????4分 46235.67?3.6?106J?2081m3 ??????4分 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。???????????????????????????2分

(4)热量表的耗电功率为

P电?WUQ3.6V?2A?3600s???1.6?10?4W ????????????2分 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 ???????2分

三、(16分)

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 ???????????????????????????????2分 S1

G(S2?S3)?????4分 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?

- 7 - 7

又因为活塞B下底面向上减小的气体压力为?F??(p0?p)S3 ??????????4分 因为活塞B能够回到原来的高度,所以?F???F ??????????????4分 即(p0?p)S3?G(S2?S3) S1

所以待测容器内的气体压强为p?p0?G(S2?S3) ????????????4分 S1S3

四、(16分)

1、实验步骤:

(1)用调好的天平测量小烧杯的质量m1;????????????????? 2分

(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;?????? 2分

(3)将水倒入保温桶内,用温度计测量水的温度t1;?????????????2分

(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; ???????????????????????????????????3分

(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。????????????????????????3分

2、冰块的熔化热的表达式为:

??c水(m2?m1)(t1?t2)?(c水t2?c冰?18?C)(m3?m1)

m3?m1 ?????????????4分

五、(18分)

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。

图答1

由杠杆平衡条件,有:F??LF??G?LG ????????????????????2分

G?LG6.2?103N?4m?cos45?F????3.51?103N ?????????????3分 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

- 8 - 8

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。???????1分 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 ????????????????????1分 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?????????????????1分 绞盘的机械效率为??W有用

W总?F??D?80% ????????????????? 2分 F?2L

F?2L3.51?103N?0.1m??219N ???????????????3分 所以 F?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LF′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。???????????2分 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。?????????????????????1分

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F'减小,从而可以使施工人员对绞盘横杆的推力F减小一些。??????????????????????2分

六、(18分)

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;由此可知,两只灯泡应并联。??????????????????2分 单只灯泡正常发光时的电流:IL?PL0.96W??0.4A ?????????????2分 UL2.4V

干路中的总电流:I?2?IL?2?0.4A=0.8A ??????????????????1分 即蓄电池对外供电电流为:I=0.8A ???????????????????????1分 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???????2分 I0.8

2.简易应急照明灯的接线如图答2所示。????????????????????6分

- 9 - 9

图答2

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分 ②充电器给蓄电池充电时应注意蓄电池的正负极。????????????????2分 ③为了保证各小灯泡正常工作,应如图连接。??????????????????2分 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;???????????2分 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。???????????????????????????2分

- 10 - 10

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