第十四届全国初中应用物理知识竞赛复赛试题及详解（2004年）

第十四届全国初中应用物理知识竞赛复赛（2004年） 一、(14分)1998年某地区遭受特大洪涝灾害．为了抗洪抢险，急需在20h内从甲地调运65t钢材到乙地．现仅剩下一艘满载时排水量为80t的货船，船身（包括船员）质量约17t，已知甲、乙两地的水路距离为80km，船行驶的平均速度为10km/ h （不计水流速度）. （1）请你设计一个完成此项任务的可行性； （2）通过分析、计算，找出最佳方案．（钢材的密度为7.9×103kg/m3） 二、（18分）图1为一种电磁炉的原理示意图．它是利用高频电流在电磁炉内部线圈中产生磁场，磁化铁磁制成的烹饪锅，在锅体形成无数小的涡流（感应电流）而产生焦耳热．同时，被磁化的铁磁材料分子因摩擦、碰撞而发热．从而使锅体自身发热达到加热食物的目的． （1）使用电磁炉加热食物时，不产生明火、无烟尘，无废气，清洁、安全、高效、节能．请写出电磁炉在使用中可能涉及的物理知识（只写名称不写内容，不少于 10 个可得满分）. （2）在使用电磁炉时，炉和锅之间的热是由__________传递给__________的．电磁炉加热食物的过程中消耗__________能转化为__________能；若用该电磁炉1次蒸熟5个馒头需用时间25min，那么，1次只蒸熟1个同样大的馒头大约需要__________min. （3）某款电磁炉性能参数如下表所示： 根据上表数据，若电磁炉在功率调节和温度调节的范围内，加热温度随功率调节的变化图像是一直线，电磁炉工作电压正常，在1个大气压下，烧开一锅质量为3kg，温度为22℃的水最多需要多少时间（不计锅吸热及热散失）? 三、（18分）有人在夏季用简易晒水箱给水加热用来淋浴，这不仅能节省能源，而且很方便．李明和张华想利用这样的装置估测太阳光对地球表面辐射强度的大小．也就是说，太阳光垂直照射地球表面时，地球表面单位时间单位面积所获得的能量是多少．实验装置如图2所示，晒水箱内部是被涂黑的，箱体外加了保温层，上面开口并盖有透明玻璃板． 在估测之前要首先弄清，透过玻璃板的太阳光能量究竟占太阳辐射到玻璃板上的能量的百分之几？李明和张华各拿一块实验用的玻璃板，把阳光反射到墙上的同一个地方，他们发现，两块反射光斑重叠处的强度，和太阳光直接照射到地上的强度差不多． （1）透过玻璃板的太阳光能量占太阳辐射到玻璃板上的能量的百分之几？你在得出这个结论时做了什么假设？假设的根据是什么？ （2）请你帮助他们设计实验方案，并写出具体的实验步骤． （3）请你对这个实验方案的可行性做出评价． 四、（ 18 分）用电流表和电压表测电流和电压时，通常并不考虑仪表本身电阻对待测电路的影响，而将其视为“理想仪表”，即认为电流表的内电阻为零，电压表的内电阻为无限大．实际上，电流表和电压表都有一定电阻值，因而我们可以把电流表看成一个能显示通过自身电流大小的其阻值很小的电阻．可以把电压表看成一个能显示自身两端电压大小的其阻值很大的电阻．所以，把电流表或电压表接人待测电路时，就相当于在待测电路中串联一个电阻，或并联一个电阻．这样，电流表两端就要有一定的电压，电压表中就要通过一定的电流，因此实际上很难向时精确地测出待测电阻两端的电压和通过待测电阻的电流． 1．现有一个量程为0.6A，内电阻为0.13Ω的电流表，能否用它测量某电路两端的电压？若不能，请说明理由．若能，请说明用它能测量的最大电压值． 2 ．现要精确测量一个阻值约为8Ω的电阻Rx，实验室提供下列器材． ·电流表Al：量程100mA，内电阻rl=4Ω ·电流表A2：量程500μA，内电阻 r2＝750Ω ·电压表V：量程10V，内电阻r3＝l0kΩ ·变阻器R0：阻值约10Ω ·定值电阻Rl：阻值约10kΩ ·电池E：两端电压 1.5V ·开关S、导线若干 （1）选出你测量时所需的适当器材，并在虚线方框中画出电路图． （2）需要测量哪些物理量？根据所测物理量，写出被测电阻Rx的表达式． 五、 (16分）图3甲是使用汽车打捞水下重物的示意图．汽车通过定滑轮牵引水下一个圆柱形重物，在整个打捞过程中，汽车以恒定的速度V=0. 2m/s向右运动．图3乙是此过程中汽车拉动重物的功率P随时间t变化的图像．设t＝O时汽车开始提升重物，忽略水的阻力和滑轮的摩擦，g取10N／kg．求： （1）圆柱形重物的质量； （2）圆柱形重物的密度； （3）打捞前，圆柱形重物上表面所受的水的压力． 六、（16分）图4为一种电饭煲的工作原理图．下面是王宁同学对电饭煲工作原理的研究，请你也参与共同探讨． 按下、扳起电饭煲的开关，有一种“粘连”、“吸引”的感觉，取出饭锅，发现电饭煲的底部有一个凸起物，它可以上下弹动，能被磁铁吸引．王宁同学通过用这个电饭煲做米饭和烧水来研究它的工作情况，请回答他在使用过程中发现的如下问题． （1）图 4 中只有两根外接导线，这样的用电器有什么危害？应当怎样加以完善？ （2）将三脚插头插人电源插座，不用按开关，指示灯就发亮，按下开关后，指示灯亮度不变．此时为什么开关对指示灯的亮度没有影响？ （3）电饭煲工作了15 min，会出现大量“白气”，这些“白气”是怎样形成的？ （4）电饭煲工作了25 min，听到“啪”的一声，指示灯不亮了．以此推测，感温软磁体的磁性可能受什么因素影响？怎样影响？ （5）听到“啪”的一声后又过了10min，指示灯又发光，一会儿指示灯又熄灭了．分析在相同条件下，不同种类金属的热胀冷缩程度是否一样？ （6）要想获得恒温的温水，你可以怎样做？ （7）电饭煲使用较长一段时间后，常常在饭未完全熟透时就“跳闸”，这样就会出现“夹生饭”，请问这种情况电饭煲可能在什么地方出现了故障？为什么？ 第十四届全国初中应用物理知识竞赛复赛试题详细解答（2004年） 一、(1)：根据问题中所给条件，又在这种特定情况下，可以把部分钢材放在船体外的水中，并设法将其“贴”在船体上．为防止船体发生倾斜，船体两侧所放置钢材的质量应该相等． (2)最佳方案：设放置在船体两侧钢材的质量为 m ，因船与船体外钢材组合的整体浮在水面上，故F浮＝G，即 代人数据后 从以上各式求得m＝15.8×103kg＝15.8t. 在这种极特殊的情况下（正常情况下是不可取的），只能采用把至少15.8t钢材均分放置在船体外两侧的水中且紧贴船体，经即可送到乙地． 二、(1)该问题没有惟一的标准答案，属于开放性试题，以下内容可以作为基本依据．答出其中10个以上（包括10个）者均可得满分． 涉及的物理知识：电流的磁效应、电流的热效应（焦耳热）、阻抗（电阻）、磁场、磁化、磁感线、电磁感应、能量转化、分子热运动、热传递、内能、分子电流、感应电流、涡流 … … (2)锅 电磁炉 电或磁 内 25 (3)取最低热效率90%，温度调节最低为100℃ ，否则不能将水烧开．电磁炉在功率调节和温度调节的范围内，加热温度随功率调节的变化关系呈线性，此时电磁炉消耗的实际功率P与加热温度t热有下面的关系式： 可得： 当t热＝100℃时，P＝653W, 有： 解得：t＝1672s =28min 三、(1)假设玻璃板对光的吸收可以忽略．其根据是薄玻璃板十分透明（实际上玻璃对红外线不很透明，而红外线的热效应是比较强的，这点可不作为对学生要求）. 通过李明和张华的实验结果可以推测，每块玻璃板反射的太阳光只有人射光能量的一半，这就是说，人射玻璃板的太阳光有一半被玻璃板反射了．所以，透过玻璃板的太阳光能量占太阳辐射到玻璃板上的能量的50% . (2)实验方案：若实验过程中总能使太阳光垂直人射，且晒水箱内部涂黑，可以认为射人晒水箱的太阳光不再被反射出去，晒水箱吸热效率为50%．另外，晒水箱周围有保温层，可以认为没有热量散失．若晒水箱吸收的热量完全用来使水的温度升高，测出保温箱中一定质量的水在一定时间里，其内能增加了多少，并测量出太阳光垂直照射物体表面的面积，就可以计算出太阳光垂直照射地球表面时，地球表面单位时间单位面积所获得的太阳光照射的能量是多少． 实验步骤如下： ①向晒水箱中倒人质量为 m 的清水．并用温度计测量此时水的温度t0． ②用刻度尺测量晒水箱盖的面积亏．将晒水箱开口朝向垂直阳光的方向，盖好玻璃板开始计时． ③经过t时间后（如3h) ，再测量水的温度t温． ④太阳光对地球表面辐射的强度是. (3)从实际问题的要求来看，该问题是要进行估测，因此其中有许多东西就必须进行合理地简约．如“假设玻璃板对光的吸收可以忽略”、“若实验过程中总能使太阳垂直人射”、“没有热量散失”等假设都是允许的，而且是应该的．但是上述这种简约，必然会对估测结果带来一定的影响．此外，还有某些因素未给予考虑，如实验过程中天气的变化所引起的环境温度的变化等，因而，估测结果与真实值之间会有相当大的偏差是不可回避的．但就其取平均效果来说是可行的． 四、1．能用该电流表测量电压．但测量的最大电压值仅为 U＝0.6 A×0.13Ω＝0.078V . 2.(1)电路图如图 1 所示． (2)通过两电流表 Al、A2的电流I1、I2电流表A2的内电阻为 (1)由公式, 故汽车在AB段对重物的拉力为 同理，汽车在CD段对重物的拉力为F3＝4000N . 整个重物打捞过程应该分为三个阶段： 第一阶段，将重物从水底拉至上表面刚好接触水面．这一过程，G不变，不变，F1不变，且有 ① 对应题图3乙AB段 第二阶段，将重物拉出水面的过程．这一过程中G不变，F浮变小直至为0，故拉力F越来越大，对应题图3乙中的BC段． 第三阶段，重物刚好全部拉出水面，以后继续向上拉的过程．这一过程中G不变，拉力F3与重力G相等， G＝F3 ② 对应题图3乙CD段 因为G＝F3＝4000N，所以. (2)由①②F浮=G-F1=F3-F1=500N 因为 所以 ( 3 ）由题图3乙的BC段可知，打捞的重物从上表面接触水面到刚好整个物体全部出水，历时 60s－50s＝10s，上升速度为 0.2m/s ，所以 物体高h＝10s×0.2m/s＝2m 所以，物体上、下表面积为 又由题图3乙AB段可知，物体从水底上升到上表面刚好接触水面历时50s，上升高度 H＝50s×0.2m/s＝10m 故物体沉在水底时上表面离水面 10m ，水对物体上表面产生的压力为 　　 六、(1)这样的用电器一旦发生漏电，可能会导致触电事故．应该安装一个地线，即把用电器外壳与导线连接，再通过三脚插头与插座的地线相接． (2)从题图 4 可以看出，电源是通过双金属片上的触点与发热体．指示灯相连通的，一旦接上电源，发热体和指示灯都会工作；而与开关相连的两根电源导线是直接接在并联的发热体和指示灯上的，所以，不用按开关，指示灯就发亮，按下开关后指示灯亮度不变．即此时开关不起作用． (3)发热体工作了15min后，把水烧至沸腾，大量的水汽化后遇冷又液化，因而可以看见大量“白气”生成． (4)“啪”的一声，是俗称的电饭煲“跳闸”．此前，开关按下，通过连杆永磁体 E 将感温软磁体D磁化而吸合，使主电路的触点闭合而工作，一段时间后，安装在锅底部的电路元件感温软磁体D受热到一定温度时，其磁性会骤然下降或消失，在重力作用下通过连杆使开关跳起，触点分离而断电，并发出响声．温度降低时，感温软磁体D又能被永磁体E磁化．看来，感温软磁体的磁性可能受温度因素影响，且温度越高，磁性越弱． (5)指示灯反复亮、灭，这个现象说明只与双金属片相连的触点的闭合与断开有关，从而控制发热体和指示灯的工作．双金属片受热形变而使动触点下移与静触点分离，指示灯不亮．当温度下降到一定程度时，双金属片收缩而使动触点上移与静触点闭合导通，指示灯发光，这表明双金属片受温度影响时A金属片比B金属片热胀冷缩的形变量要大．可见，在相同条件下，不同种类金属的热胀冷缩程度可能是不一样的． (6)要想获得恒温的温水，只要把插头插人电源插座，不必按下开关便可． (7)故障可能是由于感温软磁体老化引起的．因为正常的感温软磁体是在103℃ 左右才基本失去磁性，永磁体被重力拉向下面带动连杆，使主电路中的触点分离而断电（此时为正常跳闸）．但如果感温软磁体老化，在温度未达103℃ 时就失去磁性，使主电路中的触点分离而断电，饭未熟透就会出现“夹生饭”了．