(高等教育)2004年第十四屆全國初中應(yīng)用物理知識競賽復(fù)賽試題

2004年第十四屆全國初中應(yīng)用物理知識競賽復(fù)賽試題一、1998年某地區(qū)遭受特大洪澇災(zāi)害。為了抗洪搶險，急需在20 h 內(nèi)從甲地調(diào)運(yùn)65 t 鋼材到乙地?，F(xiàn)僅剩下一艘滿載時排水量為80 t 的貨船，船身（包括船員）質(zhì)量約17 t ，已知甲、乙兩地的水路距離為80 km ，船行駛的平均速度為10 km/h（不計(jì)水流速度）。（1）請你設(shè)計(jì)一個完成此項(xiàng)任務(wù)的可行性方案；（2）通過分析、計(jì)算，找出最佳方案。（鋼材的密度為7.9103 kg/m3）二、圖1為一種電磁爐的原理示意圖。它是利用高頻電流在電磁爐內(nèi)部線圈中產(chǎn)生磁場，磁化鐵磁材料制成的烹飪鍋，在鍋體形成無數(shù)小的渦流（感應(yīng)電流）而產(chǎn)生焦耳熱。同時，被磁化的鐵磁分子因摩擦、碰撞而發(fā)熱。從而使鍋體自身發(fā)熱達(dá)到加熱食物的目的。（1）使用電磁爐加熱食物時，不產(chǎn)生明火，無煙塵，無廢氣，清潔、安全、高效、節(jié)能。請寫出電磁爐在使用中可能涉及的物理知識（只寫名稱不寫內(nèi)容，不少于10個可得滿分）。（2）在使用電磁爐時，爐和鍋之間的熱是由_傳遞給_的。電磁爐加熱食物的過程中消耗_能轉(zhuǎn)化為_能；若用該電磁爐1次蒸熱5個饅頭需用時間25min，那么，1次只蒸1個同樣大小的饅頭大約需要_min。（3）某款電磁爐性能參數(shù)如下表所示：型號額定電壓額定功率功率調(diào)節(jié)范圍溫度調(diào)節(jié)范圍熱效率SC-16220V 50Hz1600W450W-1600W70-240(大于)90%根據(jù)上表數(shù)據(jù)，若電磁爐在功率調(diào)節(jié)和溫度調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)，加熱溫度隨功率調(diào)節(jié)的變化圖象是一直線，電磁爐工作電壓正常，在1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，燒開一鍋質(zhì)量為3kg、溫度為22的水最多需要多少時間（不計(jì)鍋吸熱及熱散失）？三、有人在夏季用簡易曬水箱給水加熱用來淋浴，這不僅能節(jié)省能源,而且很方便.李明和張華想利用這樣的裝置估測太陽光對地球表面輻射的強(qiáng)度的大小。也就是說，太陽光垂直照射地球表面是，地球表面單位時間單位面積所獲得的能量是多少。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，曬水箱的內(nèi)部是被涂黑的，箱體外加了保溫層，上面開口并蓋有透明玻璃板。在估測之前要首先弄清，透過玻璃板的太陽光能量究竟占太陽輻射到玻璃板上能量的百分之幾？李明和張華各拿一塊實(shí)驗(yàn)用的玻璃板，把陽光反射到墻上的同一個地方，他們發(fā)現(xiàn)，兩塊反射光斑重疊處的強(qiáng)度，和太陽光直接射到地上的強(qiáng)度差不多。（1）透過玻璃板的太陽光能量占太陽輻射到玻璃板上的能量的百分之幾？你在得出這個結(jié)論時做了什么假設(shè)？假設(shè)的根據(jù)是什么？（2）請你幫助他們設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并寫出具體的實(shí)驗(yàn)步驟。（3）請你對這個實(shí)驗(yàn)方案的可行性做出評價。四、用電流表和電壓表測電流和電壓時，通常并不考慮儀表本身電阻對待測電路的影響，而將其視為“理想儀表”，即認(rèn)為電流表的內(nèi)阻為零，電壓表的內(nèi)阻為無限大。實(shí)際上，電流表和電壓表都有一定電阻值，因而我們可以把電流表看成一個能顯示通過自身電流大小的其阻值很小的電阻；可以把電壓表看成一個能顯示自身兩端電壓大小的其阻值很大的電阻。所以，把電流表或電壓表接入待測電路時，就相當(dāng)于在待測電路中串聯(lián)一個電阻，或并聯(lián)一個電阻。這樣，電流表的兩端就要有一定的電壓，電壓表中就要通過一定的電流，因此實(shí)際上很難同時精確地測出待測電阻兩端的電壓和通過待測電阻的電流。1、現(xiàn)有一個量程為0.6 A ，內(nèi)電阻為0.13 的電流表，能否用它測量某電路兩端的電壓？若不能，請說明理由。若能，請說明用它測量的最大電壓植。2、要精確測量一個阻植約8 的電阻RX，實(shí)驗(yàn)室提供以下器材。l 電流表A1：量程100 mA，內(nèi)電阻r1 = 4 l 電流表A2：量程500 A，內(nèi)電阻r2 = 750 l 電壓表V : 量程10 V, 內(nèi)電阻r3 = 10 kl 變阻器R0 ：阻值約10 l 定值電阻R1：阻值約10 kl 電池E：兩段電壓約1.2 Vl 開關(guān)S、導(dǎo)線若干（1） 選出你測量時所需的適當(dāng)器材，并在虛線方框中畫出電路圖。（2） 需要測量哪些物理量？根據(jù)所測物理量，寫出被測電阻Rx的表達(dá)式。五、圖3甲是使用汽車打撈水下重物的示意圖。汽車通過定滑輪牽引水下一個圓柱形重物，在整個打撈過程中，汽車以恒定的速度V = 0.2 m/s 向右運(yùn)動。圖3乙是此過程中汽車?yán)瓌又匚锏墓β蔖隨時間t 變化的圖象。設(shè)t = 0 時汽車開始提升重物，忽略水的阻力和滑輪的摩擦，g取10 N/kg。求：（1）圓柱形重物的質(zhì)量；（2）圓柱形重物的密度；（3）打撈前，圓柱形重物上表面所受的水的壓力。六、圖4為一種電飯煲的工作原理圖。下面是王寧同學(xué)對電飯煲工作原理的研究，請你也參與共同討論。按下、扳起電飯煲的開關(guān)，有一種“粘連”“吸引”的感覺，取出飯鍋，發(fā)現(xiàn)電飯煲的底部有一個凸起物，它可以上下彈動，能被磁鐵吸引。王寧同學(xué)通過用這個電飯煲做米飯和燒水來研究它的工作情況，請回答他在使用過程中發(fā)現(xiàn)的如下問題。（1） 圖4中只有兩根外接導(dǎo)線，這樣的用電器有什么危害？應(yīng)當(dāng)怎樣加以完善？（2） 將三角插頭插入電源插座，不用按開關(guān)，指示燈就發(fā)亮，按下開關(guān)后，指示燈亮度不變。此時為什么開關(guān)對指示燈的亮度沒有影響？（3） 電飯煲工作了15min，會出現(xiàn)大量“白氣”，這些“白氣”是怎樣形成的？（4） 電飯煲工作了25min，聽見“啪”的一聲，指示燈不亮了。以此推測，感溫軟磁體的磁性可能受什么因素影響？怎么影響？（5） 聽到“啪”的一聲后又過了10min，指示燈又發(fā)光，一會兒指示燈又熄滅了。分析在相同條件下，不同種類金屬的熱脹冷縮程度是否一樣？（6） 要想獲得恒溫的溫水，你可以怎么做？（7） 電飯煲使用較長一段時間后，常常在飯未完全熟透時就“跳閘”，這樣就會出現(xiàn)“夾生飯”，請問這種情況電飯煲可能在什么地方出現(xiàn)了故障？為什么？第十四屆復(fù)賽參考解答和評分標(biāo)準(zhǔn)一、參考解答 (14分)（1） 設(shè)計(jì)方案：根據(jù)問題中所給條件，又在這種特定情況下，可以把部分鋼材放在船體外的水中，并設(shè)法將其“貼”在船體上為防止船體發(fā)生傾斜，船體兩側(cè)所放置鋼材的質(zhì)量應(yīng)該相等（2）最佳方案：設(shè)放置在船體兩側(cè)鋼材的質(zhì)量為m，因船與船體外鋼材組合的整體浮在水面上，故F浮=G，即 F船浮+F外鋼浮=G船+G鋼代入數(shù)據(jù)后F船浮=80103kg10N/kg=8105NF外鋼浮=1103kg/m310N/kg(m7.9103kg/m3)G船+G鋼（6517）103kg10N/kg8.2105N從以上各式求得m=15.8103kg=15.8t 在這種極特殊的情況下(正常情況下是不可取的)，只能采用把至少158t鋼材均分放置在船外兩側(cè)的水中且緊貼船體，經(jīng)t=s/v=80km10km/h=8h即可送到乙地。 評分標(biāo)準(zhǔn)： (1)7分； (2)7分 二、參考解答 (18分) (1)該問題沒有惟一的標(biāo)準(zhǔn)答案，屬于開放性試題以下內(nèi)容可以作為基本依據(jù)答出其中10個以上(包括10個)者均可得滿分 涉及的物理知識：電流的磁效應(yīng)、電流的熱效應(yīng)(焦耳熱)、阻抗(電阻)、磁場，磁化、磁感線、電磁感應(yīng)、能量轉(zhuǎn)化、分子熱運(yùn)動、熱傳遞、內(nèi)能、分子電流，感應(yīng)電流、渦流其他答案正確的同樣給分 (2)“鍋”“電磁爐”“電或磁”“內(nèi)”“25”(3)取最低熱效率90%，溫度調(diào)節(jié)最低為100，否則不能將水燒開電磁爐在功率調(diào)節(jié)和溫度調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)，加熱溫度隨功率調(diào)節(jié)的變化關(guān)系呈線性，此時電磁爐消耗的實(shí)際功率P與加熱溫度t溫有下面的關(guān)系式：（t溫70）（P450W）=（24070）（1600W450W）可得：t溫=（17115W）（P450W）+70 當(dāng)t溫=100時，P=653W，有：Pt=cm(t溫t)解得：t=1 672s=28min 評分標(biāo)準(zhǔn)： (1)5分； (2)每空1分(第1、2空填錯一個兩空都不得分，最后1個空填“略少于25”的給分，填“5”的不給分)； (3)8分 三、參考解答 (18分) 該問題沒有惟一的標(biāo)準(zhǔn)答案，屬于開放性試題，以下內(nèi)容可以作為基本依據(jù) (1)假設(shè)玻璃板對光的吸收可以忽略其根據(jù)是薄玻璃板十分透明(實(shí)際上玻璃對紅外線不很透明，而紅外線的熱效應(yīng)是比較強(qiáng)的，這點(diǎn)可不作為對學(xué)生要求)通過李明和張華的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以推測，每塊玻璃板反射的太陽光只有入射光能量的一半，這就是說，入射玻璃板的太陽光有一半被玻璃板反射了所以，透過玻璃板的太陽光能量占太陽輻射到玻璃板上的能量的50 (2)實(shí)驗(yàn)方案：若實(shí)驗(yàn)過程中總能使太陽光垂直入射，且曬水箱內(nèi)部涂黑，可以認(rèn)為射入曬水箱的太陽光不再被反射出去，曬水箱吸熱效率為50另外，曬水箱周圍有保溫層，可以認(rèn)為沒有熱量散失若曬水箱吸收的熱量完全用來使水的溫度升高，測出保溫箱中一定質(zhì)量的水在一定時間里，其內(nèi)能增加了多少，并測量出太陽光垂直照射物體表面的面積，就可以計(jì)算出太陽光垂直照射地球表面時，地球表面單位時間單位面積所獲得的太陽光照射的能量是多少 實(shí)驗(yàn)步驟如下： 向曬水箱中倒入質(zhì)量為m的清水并用溫度計(jì)測量此時水的溫度t0。 用刻度尺測量曬水箱蓋的面積S。將曬水箱開口朝向垂直陽光的方向，蓋好玻璃板開始計(jì)時經(jīng)過t時間后(如3h)，再測量水的溫度t溫。經(jīng)過t時間后（如3h），再測量水的溫度t溫。太陽光對地球表面輻射的強(qiáng)度是cm(t溫t)/(tS50)（3）從實(shí)際問題的要求來看，該問題是要進(jìn)行估測，因此其中有許多東西就必須進(jìn)行合理地簡約如，“假設(shè)玻璃板對光的吸收可以忽略”“若實(shí)驗(yàn)過程中總能使太陽垂直入射”“沒有熱量散失”等假設(shè)都是允許的，而且是應(yīng)該的但是上述這種簡約，必須會對估測結(jié)果帶來一定的影響此外，還有某些因素未給予考慮，如實(shí)驗(yàn)過程中天氣的變化所引起的環(huán)境溫度的變化等，因而，估測結(jié)果與真實(shí)值之間會有相當(dāng)大的偏差是不可回避的但就其取平均效果來說是可行的 評分標(biāo)準(zhǔn)： (1)6分； (2)6分： (3)6分(只要學(xué)生能從正反兩個方面進(jìn)行評價，并且評價得有道理，就可以得滿分) 四、參考解答 (10分) 1、能用該電流表測量電壓但測量的最大電壓值僅為U=0.6A0.13=0.078V 2、 (1)電路圖如右圖所示 (2)通過兩電流表A1、A2的電流I1、I2，電流表A2的內(nèi)電阻為r2 Rx=I2r2(I1I2)評分標(biāo)準(zhǔn)：第1問，5分；第2問（1）8分（給分點(diǎn)：分壓電路；電流表外接；用A2測電壓），（2）5分。 五、參考解答 (10分) (1)由公式P=Wt=Fst=Fv，故汽車在AB段對重物的拉力為F1=700W0.2ms=3 500N同理，汽車在CD段對重物的拉力為F3=4000N整個重物打撈過程應(yīng)該分為三個階段： 第一階段，將重物從水底拉至上表面剛好接觸水面。這一過程，G不變，F(xiàn)浮不變，F(xiàn)1不變，且有 G=F浮+F1 對應(yīng)圖3乙AB段第二階段，將重物拉出水面的過程。這一過程中，G不變，F(xiàn)浮變小直至為0，故拉力F越來越大，對應(yīng)圖3乙BC段。第三階段，重物剛好全部拉出水面，以后繼續(xù)向上拉的過程。這一過程中，G不變，F(xiàn)3與重力G相等， G=F3 對應(yīng)圖3乙CD段。因?yàn)镚=F3 =4 000N，所以m=Gg=4 000N10N/kg=400kg(2)由 知F浮= GF1 = F3 F1 =500N因?yàn)镕浮=水gV排=水gV物所以V物=510-2m3 物=mV物=400kg510-2m3=8103kg/ m3 (3)由圖3乙的BC段可知，打撈的重物從上表面接觸水面到剛好整個物體全部出水，歷時60 s50s=10s，上升速度為0.2ms，所以物體高h(yuǎn)=10s0.2ms=2m所以，物體上、下表面積為S= mV物=510-2m32m=2.510-2m2又由圖3乙AB段可知，物體從水底上升到上表面剛好接觸水面歷時50s，上升高度H=50s0.2ms=10m故物體沉在水底時上表面離水面10m，水對物體上表面產(chǎn)生的壓力為F壓=pS=水gHS=1.010310102.510-2N=2.5103N評分標(biāo)準(zhǔn)： (1)6分； (2)4分； （3）6分 六、參考解答 (16分) (1)這樣的用電器一旦發(fā)生漏電，可能會導(dǎo)致觸電事故應(yīng)該安裝一個地線，即把用電器外殼與導(dǎo)線連接，再通過三腳插頭與插座的地線相接(2)從圖4可以看出，電源是通過雙金屬片上的觸點(diǎn)與發(fā)熱體、指示燈相連通的，一旦接上電源，發(fā)熱體和指示燈都會工作；而與開關(guān)相連的兩根電源導(dǎo)線是直接接在并聯(lián)的發(fā)熱體和指示燈上的，所以，不用按開關(guān)，指示燈就發(fā)亮，按下開關(guān)后指示燈亮度不變即此時開關(guān)不起作用。(3)發(fā)熱體工作了15min后，把水燒至沸騰，大量的水汽化后遇冷又液化，因而可以看見大量“白氣”生成 (4)“啪”的一聲，是俗稱的電飯煲“跳閘”此前，開關(guān)按下，通過連桿永磁體E將感溫軟磁體D磁化而吸合，使主電路的觸點(diǎn)閉合而工作，一段時間后，安裝在鍋底部的電路元件感溫軟磁體D受熱到一定溫度時，其磁性會驟然下降或消失，在重力作用下通過連桿使開關(guān)跳起，觸點(diǎn)分離而斷電，并發(fā)出響聲溫度降低時，感溫軟磁體D又能被永磁體E磁化看來，感溫軟磁體的磁性可能受溫度因素影響，且溫度越高，磁性越弱 (5)指示燈反復(fù)亮、滅，這個現(xiàn)象說明只與雙金屬片相連的觸點(diǎn)的閉合與斷開有關(guān)，從而控制發(fā)熱體和指示燈的工作雙金屬片受熱形變而使動觸點(diǎn)下移與靜觸點(diǎn)分離，指示燈不亮當(dāng)溫度下降到一定程度時，雙金屬片收縮而使動觸點(diǎn)上移與靜觸點(diǎn)閉合導(dǎo)通，指示打發(fā)光這表明雙金屬片受溫度影響時A金屬片比B金屬片熱脹冷縮的形變量要