2014年第二十四屆全國(guó)初中應(yīng)用物理競(jìng)賽

1、<p>　　2014年第二十四屆全國(guó)初中應(yīng)用物理競(jìng)賽（巨人杯）復(fù)賽試題</p><p>　　一、 （16分）請(qǐng)利用現(xiàn)有器材：一塊大小合適且質(zhì)地不一定均勻的木板，一把量程為2m的卷尺，一臺(tái)能夠測(cè)量人體質(zhì)量的磅秤（如圖1所示），磚塊若干塊。設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)量人體重心位置的方案。要求寫出測(cè)量步驟和測(cè)量結(jié)果的表達(dá)式。</p><p><b>　　測(cè)量步驟：</b><

2、;/p><p>　　1、把磅秤放置在水平地面上，調(diào)節(jié)平衡；</p><p>　　2、用磅秤稱出人的體重，記為m1；</p><p>　　3、將磚塊橫向立于磅秤載物臺(tái)的中央位置，木板一端置于磚塊上，另一端用磚塊墊起使木板與地面平行，記下磅秤的示數(shù)m0；</p><p>　　4、被測(cè)人平躺在木板上，腳底與磅秤外的一端平齊，記下磅秤的示數(shù)m；</

3、p><p>　　5、用卷尺測(cè)出木板長(zhǎng)l。</p><p>　　人的重心到腳的距離為：</p><p>　　二、(16分)小明的媽媽為了方便早餐時(shí)喝上豆?jié){，買了一臺(tái)全自動(dòng)豆?jié){機(jī)，如圖2甲所示。圖2乙所示為豆?jié){機(jī)的主要結(jié)構(gòu)：中間部位是一個(gè)連接著刀頭的電動(dòng)機(jī)，用來(lái)將原料進(jìn)行粉碎打漿；電熱管負(fù)責(zé)對(duì)液體加熱煮沸。下表是這個(gè)豆?jié){機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)。</p><p&

4、gt;　　小明想探究一下豆?jié){機(jī)工作的具體過(guò)程以及耗電情況，在某次使用之前，先查看了他家的單相電子電能表，上面注明1600 imp/kWh，之后，他關(guān)閉其他所有家用電器，將浸泡好的適量黃豆和l000cm3的清水放入豆?jié){機(jī)的杯體，啟動(dòng)自動(dòng)控制鍵，開(kāi)始用鐘表計(jì)時(shí)的同時(shí)記錄電能表上面的發(fā)光二極管閃爍的次數(shù)，豆?jié){機(jī)按“①加熱一②預(yù)打漿一⑧加熱一④打漿一⑤煮漿一⑥防溢延煮”的程序正常工作直至豆?jié){機(jī)發(fā)出聲光報(bào)警，提示豆?jié){已做好。從啟動(dòng)自動(dòng)控制鍵至豆?jié){

5、機(jī)發(fā)出聲光報(bào)警，整個(gè)過(guò)程用時(shí)20min，電能表上面的發(fā)光二極管閃爍了320次。其中①、③、⑤三個(gè)過(guò)程為電熱絲單獨(dú)不間斷工作，而②、④為電機(jī)單獨(dú)間歇工作，此過(guò)程中電動(dòng)機(jī)累計(jì)工作時(shí)間為2min，⑥為電熱絲單獨(dú)間歇工作。請(qǐng)回答：</p><p>　　1．②、④兩個(gè)過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)為什么要間歇工作？</p><p>　　2．在豆?jié){機(jī)工作的20min內(nèi)，消耗的電能為多少kWh?</p>

6、<p>　　3．在豆?jié){機(jī)工作的20min內(nèi)，電熱絲和電機(jī)都不工作的時(shí)間為多少min?</p><p>　　解：1．②、④兩個(gè)過(guò)程為打漿過(guò)程，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，刀頭也停止旋轉(zhuǎn)，在水和黃豆停止</p><p>　　流動(dòng)后，電動(dòng)機(jī)突然帶動(dòng)刀頭再次高速旋轉(zhuǎn)，此時(shí)黃豆由于慣性仍然保持靜止，這樣才能更</p><p>　　有效將黃豆打碎，如此反復(fù)，最終將黃豆打成細(xì)小顆粒

7、，經(jīng)加熱成為豆?jié){。</p><p><b>　　2．消耗電能</b></p><p>　　3.電動(dòng)機(jī)消耗的電能：</p><p><b>　　電熱絲消耗的電能：</b></p><p><b>　　電熱絲工作時(shí)間：</b></p><p>　　電熱絲和電

8、機(jī)都不工作的時(shí)間：</p><p>　　三、 (16分)下表所示為某品牌的空調(diào)器銘牌上的部分參數(shù)，其中KFRD表示該空調(diào)為家用分體式具有電輔熱功能的冷暖空調(diào)器。請(qǐng)根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，回答下面的問(wèn)題。【已知：空氣的密度為1.29kg/m3，空氣的比熱容取103J/(kg.℃)。注：空調(diào)的電輔熱功能有兩方面的作用，一是在室外溫度不太低時(shí)開(kāi)啟電輔熱功能可以增加制熱量，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度的快速提升，二是當(dāng)室外溫度很低，空調(diào)器的壓

9、縮機(jī)制熱效能過(guò)低時(shí)，開(kāi)啟電輔熱功能可以輔助制熱，彌補(bǔ)單純靠壓縮機(jī)工作制熱量不足的問(wèn)題。 </p><p>　　1．如果房間的面積為15m2，高度為2.6m，問(wèn)：如果按照表中的數(shù)據(jù)工作，該空調(diào)器至少多長(zhǎng)時(shí)間才能將室內(nèi)的空氣由10℃加熱升高至20℃?</p><p>　　2．在l中，若室外溫度不太低，實(shí)際加熱時(shí)間約為4.0min，則在利用空調(diào)器對(duì)室內(nèi)空氣加熱的過(guò)程中，室內(nèi)空氣向外散熱的平均功率

10、約為多少？空調(diào)器總共消耗的電能為多少？</p><p>　　3．該空調(diào)器在制冷時(shí)的額定輸入功率為830W，而它的制冷量卻是2300W，比輸入功率還要大，這是為什么？</p><p><b>　　解：1、房間溫度由</b></p><p>　　開(kāi)啟電輔熱時(shí)空調(diào)制熱功率：P=2600W+500W=3100W</p><p>

11、<b>　　最少加熱時(shí)間：</b></p><p><b>　　2、散熱功率：</b></p><p>　　空調(diào)總共消耗的電能：</p><p>　　3、空調(diào)工作過(guò)程中壓縮機(jī)通過(guò)使工作物質(zhì)不斷液化和汽化，將室內(nèi)的熱量搬到室外，</p><p>　　因此壓縮機(jī)消耗有功率可以小于制冷功率。</p&

12、gt;<p>　　四、(16分)機(jī)器人小組的同學(xué)要制作一個(gè)能自己從椅子上站起的機(jī)器人，如圖3所示。他們已經(jīng)完成的部分如圖4甲所示：Ol和O2為兩個(gè)關(guān)節(jié)（所有關(guān)節(jié)處均安裝有馬達(dá)，可使關(guān)節(jié)在一定范圍內(nèi)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)）：當(dāng)機(jī)器人的上半身、小腿均垂直于大腿坐在椅子上時(shí)，上半身可以繞O1順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)30°角、逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°角，小腿只能繞O2逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°角，如圖4乙所示；O1以上的上半身總長(zhǎng)50cm，總質(zhì)量

13、為11.2kg，其重心G1位于Ol正上方25cm處;在Ol和O2水平連線上的大腿部分長(zhǎng)25cm，兩只大腿的總質(zhì)量為4.8kg，其重心G2位</p><p>　　于Ol和O2連線的中點(diǎn)：O2以下的小腿和腳總長(zhǎng)27cm，兩只小腿和腳的總質(zhì)量為4.8kg，其重心位于O2正下方6cm處；其中腳在水平面上的前后長(zhǎng)度為l0cm．且過(guò)O2的豎直線恰好將腳分為對(duì)稱的兩半。</p><p>　　現(xiàn)還需在O1

14、正上方40cm的03處，為機(jī)器人安裝兩只手臂（如圖4丙所示，大臂可繞關(guān)節(jié)O3轉(zhuǎn)動(dòng)3600角、小臂可繞關(guān)節(jié)04逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°角，如圖4乙所示；大臂和小臂的長(zhǎng)度相等，重心位于整只手臂的中心點(diǎn)）。根據(jù)所使用的材料，已知每一只手臂的質(zhì)量和長(zhǎng)度的關(guān)系為“每lcm長(zhǎng)度手臂的質(zhì)量為0.06 kg”。請(qǐng)你從理論上計(jì)算出機(jī)器人的整只手臂至少需要多長(zhǎng)，才能使機(jī)器人能夠從圖4甲所示的坐姿自己站起來(lái)。</p><p>　　解

15、：1、機(jī)器人在從座椅上向上站起來(lái)之前，必須將自己的重心移動(dòng)到腳面上方的范圍內(nèi)。</p><p>　　2、機(jī)器人手臂取最短長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)滿足的條件為：機(jī)器人上半身繞前傾（順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)）、</p><p>　　角，同時(shí)水平向前伸直兩只手臂，整個(gè)機(jī)器人的重心剛好落在腳后跟的正上方。如圖</p><p><b>　　所示</b></p><

16、;p>　　3、上半身受到的重力,由幾何關(guān)系到后腳跟的為7.5cm；兩只大腳受到的</p><p>　　重力，由幾何關(guān)系到腳后跟的力臂是7.5cm，兩只小腳和腳受到的重力是</p><p>　　，由幾何關(guān)系到腳后跟的力臂是5cm。</p><p>　　4、設(shè)機(jī)器人的整只手臂的最短長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則兩只手臂受到的總重力是</p><p>　　5、

17、由幾何關(guān)系到腳本后跟的力臂為，由此列方程： </p><p><b>　　得L=40cm</b></p><p>　　五、(18分)圖5所示為油田開(kāi)采石油的抽油系統(tǒng)，由抽油機(jī)、抽油桿和抽油泵等部分組成。抽油泵的原理與活塞式抽水機(jī)類似；抽油機(jī)通過(guò)抽油桿，帶動(dòng)抽油泵的活塞上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將油層中的原油抽至地面。</p><p>　　(l)抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)

18、如圖6甲所示。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)連桿推動(dòng)游梁和驢頭繞支點(diǎn)O往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)。驢頭的外側(cè)為一段以O(shè)為圓心的圓弧，它可以確保游梁轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，上端固定在驢頭外側(cè)某一點(diǎn)上的鋼絲繩對(duì)懸點(diǎn)的拉力始終在同一條豎直線上。</p><p>　　已知驢頭外側(cè)圓弧的半徑為L(zhǎng)1，支點(diǎn)O到連桿和游梁連接處的（沿游梁方向）長(zhǎng)度為L(zhǎng)2。游梁和驢頭受到的總重力為G，支點(diǎn)O到游梁和驢頭的重心的（沿游梁方向）長(zhǎng)度為L(zhǎng)3。</p><p

19、>　　若當(dāng)驢頭通過(guò)鋼絲繩拉動(dòng)懸點(diǎn)保持靜止、懸點(diǎn)處受到豎直向下的拉力為F、游梁和水平線的夾角為θ時(shí)，連桿對(duì)游梁的拉力方向豎直向下，請(qǐng)你求出該拉力的大小。</p><p>　　(2)抽油泵處的示意圖如圖6乙所示。</p><p>　　①抽油泵包括活塞、排出閥、吸入閥、油管等組成部分，請(qǐng)說(shuō)明抽油泵的工作原理。</p><p>　?、谟捎谟蛯觾?nèi)的壓強(qiáng)，當(dāng)套管插入油層時(shí)

20、，原油的液面會(huì)自動(dòng)上升到一定高度。再通過(guò)抽油泵，可進(jìn)一步將原油吸至地面。用回聲儀可以測(cè)出原油液面距地面的深度。在套管中插入油管時(shí)，需保證抽油泵始終在原油液面之下。</p><p>　　已知在某油田，地面的回聲儀發(fā)出聲波，時(shí)間后接收到回聲（空氣中聲速為v）；</p><p>　　所安裝的抽油桿的總長(zhǎng)度為，（單位長(zhǎng)度抽油桿的質(zhì)量為m），橫截面積為Sl，活塞的橫截面積為S2，原油的密度為ρ。現(xiàn)要

21、將原油抽至地面，抽油桿和活塞勻速上升時(shí)，受到的總摩擦阻力為f1，抽油桿和活塞勻速下降時(shí)，受到的總摩擦阻力為f2。請(qǐng)分別估算當(dāng)抽油桿勻速豎直向上提升、勻速豎直下降時(shí)，懸點(diǎn)處受到豎直向下的拉力（套管和油管中，原油液面上方的氣壓相同；地面下的抽油桿長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于懸點(diǎn)距地面的高度）。</p><p>　　解：1、由于鋼絲繩對(duì)驢頭的拉力（以及摩擦力）始終沿切線方向故鋼絲繩拉力</p><p>　?。ㄒ约?/p>

22、摩擦力），對(duì)支點(diǎn)的力臂始終為，故：</p><p>　　2、①活塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于活塞上方液柱的壓力排出閥關(guān)閉，由于套管中液柱的壓力吸入</p><p>　　閥打開(kāi)，原油吸入油管。</p><p>　　活塞向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，吸入閥由于受到上方液柱的壓力而關(guān)閉。排出閥由于受到下方液柱的壓</p><p>　　力而打開(kāi)，從而將活塞下方的原油壓入活塞上方

23、，如此不斷往復(fù)運(yùn)動(dòng)，利用活塞將原油不斷</p><p><b>　　提升至高處。</b></p><p>　?、谠O(shè)原油液面距地面的深度為h，可求出：，則原油液面距地面深度為</p><p>　　a、當(dāng)抽油桿勻速豎直向上提升時(shí)排出閥關(guān)閉，吸入閥打開(kāi)。以抽油桿、活塞、油管中活塞上</p><p>　　方的原油液柱整體為研究對(duì)

24、象。懸點(diǎn)的拉力等于抽油桿受到的重力（活塞受到的重力遠(yuǎn)</p><p>　　小于抽油桿的重力，可忽略）、加上活塞上方的原油愛(ài)到的總重力、加上總摩擦</p><p>　　力（方向與相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反，豎直向下）、并減去套管中的高出原油液柱給活塞向上的</p><p><b>　　壓力。故： +-</b></p><p><

25、;b>　　++-</b></p><p>　　B、當(dāng)抽油桿勻速豎直下降時(shí)，排出閥關(guān)閉，吸入閥打開(kāi)。以抽油桿和活塞整體為研究對(duì)象。</p><p>　　懸點(diǎn)的拉力等于抽油桿受到的重力（活塞受到的重力遠(yuǎn)小于抽油桿的重力，可忽略）、</p><p>　　減去總摩擦力（方向與相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反，豎直向上）、減去油管中原油對(duì)抽油桿的</p>&l

26、t;p><b>　　浮力。故： --</b></p><p>　　六、(18分)小明地鐵時(shí)發(fā)現(xiàn)，在地鐵離開(kāi)某一站之后不久，透過(guò)地鐵的車窗，可以看見(jiàn)黑洞洞的地鐵隧道墻壁上出現(xiàn)了一小段動(dòng)畫廣告，如圖7甲所示。他很好奇，就上網(wǎng)查到了這種技術(shù)的原理：事先用電腦制作好一段動(dòng)畫，再通過(guò)軟件將動(dòng)畫的每一幀畫面逐列的以一定的時(shí)間間隔發(fā)送到一根長(zhǎng)約1m的LED（半導(dǎo)體發(fā)光二極管）顯示柱上，每根顯示柱約

27、有600個(gè)LED，如圖7乙所示，每根顯示柱只接收同一幅畫面的信號(hào)。地鐵列車通過(guò)時(shí)同步感應(yīng)器驅(qū)動(dòng)顯示柱同步發(fā)光，隨著列車以某個(gè)速度行駛，由于視覺(jué)暫留效應(yīng)（人眼在觀察景物時(shí)，光信號(hào)傳入大腦神經(jīng)，需經(jīng)過(guò)一段短暫的時(shí)間，光的作用結(jié)束后，視覺(jué)形象并不立即消失，而是會(huì)保留約十分之一秒，視覺(jué)的這一現(xiàn)象稱為“視覺(jué)暫留”），就會(huì)在人眼中形成一幅幅靜止的具有一定寬度的靜止畫面，每個(gè)顯示柱形成的略有變化的畫面在掠過(guò)乘客眼中時(shí)，就會(huì)像放電影一樣形成一小段動(dòng)畫廣

28、告了。試根據(jù)以上數(shù)據(jù)估算：</p><p>　　(1)假如要在乘客眼前形成流暢的動(dòng)畫，需要在地鐵車窗外每秒出現(xiàn)24幅寬度約90cm的畫面，列車的速度應(yīng)該是多少km/h?</p><p>　　(2)要想展示一個(gè)20s的動(dòng)畫廣告，每?jī)烧局g一共需要多少個(gè)LED顯示柱？</p><p>　　(3)如果某時(shí)刻乘客發(fā)現(xiàn)動(dòng)畫的畫面向車行的前方緩慢移動(dòng)，是因?yàn)閷?shí)際車速與設(shè)計(jì)的速度

29、相比偏大還是偏??？</p><p>　　(4)若每個(gè)LED的耗電功率為直流0.03W，假設(shè)將交流電轉(zhuǎn)化為直流電時(shí)的效率為80%，某條地鐵線路一共有16個(gè)站點(diǎn)（含起點(diǎn)與終點(diǎn)站），地鐵經(jīng)過(guò)每個(gè)相鄰站間均有20s的動(dòng)畫廣告，每天每根LED顯示柱均累計(jì)工作2h，則這條雙向的地鐵隧道中，僅LED顯示柱發(fā)光每天就會(huì)消耗多少kWh的電能？</p><p><b>　　解：</b>&