全国初中应用物理知识竞赛复赛试题
一、（16分）图1是带烘干功能的滚桶洗衣机，额定电压为220V。洗衣机中的电动机在不同工作环节的电功率由电脑芯片控制。图2为某次正常洗衣过程中电动机和电热丝的电功率随时间的变化情况。若该次洗衣过程共消耗电能0.745kW·h，求
1. 此次洗衣过程中电动机共消耗的电能。 2. 烘干用电热丝的电阻。
二、（16分）相较于特高压交流输电，特高压直流输电具有造价低、损失小、系统稳定、调节快速、运行可靠等优点，有“世界电力高速公路”之称。例如我国正在建设中的全世界首个±1100kV高压直流输电线路，设计输送功率1200万千瓦，每千公里输电损耗仅为1.5%，输送距离为3324公里。
1. 按照国家标准，火力发电厂的发电煤耗均统一以输出1kW·h电能所消耗的标准煤的质量表示（标准煤的热值为2.93×107J/kg）。目前国内大型火力发电厂实际发电煤耗大致为320g/k·Wh，求这种火力发电厂的发电效率。
2. 大型火力发电站每天需要消耗多少标准煤，才能满足上述高压直流输电线路输送电能的要求？
3. 采用高压直流输电，电能在输送过程中的损耗主要来自于电流通过金属导线时产生的电流热效应。试推导，若这条输电线路只采用±550kV超高压直流输电方式输送容量（即最大输送电功率）完全相同的电能，每千公里损耗约为百分之多少？
1
三、（16分）图3甲所示为某小区户外健身场地中的一种健身器材，各部分尺寸如图3甲所示，锻炼的人坐在座椅上（如图3乙所示）竖直向下方向拉牵引杆手柄，可以将自己拉离地面，如图3丙所示。若正在锻炼的人体重为80kg，座椅总质量为40kg，其余部分质量忽略不计，取g=10N/kg。
1. 请回答座椅下方立柱CD与起固定作用的立柱AB间的杠杆为什么做成相互平行的双杠杆？
2. 若人的手臂沿竖直向下方向用力拉牵引杆手柄，请估算两手共需要用多大的力才能将自己和座椅拉离地面。并说明估算过程中做了哪些近似。
四、（18分）我们可以认为光是由一个个能量粒子组成的。组成光束的每一个能量粒子所拥有的能量可近似为E0?3.9?10?19J。（若球的半径为r，则球的表面积S?4?r）
1. 一个功率P=100W的白炽灯泡，其发光效率为15%，假设灯泡可以均匀地向四周辐射光能量，求在距灯泡40cm处垂直于光的传播方向上1cm2的面积内，每秒钟平均通过的光能量粒子的数量。
2. 已知太阳辐射的总功率P0?4?1026W，太阳到地球的距离r?1.5?10m，太阳光传播到达地面的过程中由于云层的反射和大气的吸收作用，大约有60%的能量损耗，太阳能电池的能量转化效率为15%，某太阳能电池板设计的输出功率为2000W。求：
（1）此太阳能电池板的最小面积。
（2）此电池板上每平方厘米的面积上，每秒钟平均吸收的光能量粒子的数量。
2
112
五、（18分）滑动摩擦力的大小f与相互接触的两个物体间的压力和接触面的粗糙程度有关，接触面越粗糙，压力N越大，滑动摩擦力f也越大，并满足f??N的关系，式中?与接触面的情况有关。如图4甲所示，两本相同的书，每本200页（即100张），每张纸的质量m0约为1g。现将两本书静置在水平桌面上，且逐张交叉叠放在一起，交叠部分的面积为书页面积的一半大小，并用不可伸长的细绳穿过书的中央，如图4乙所示。已知纸与纸之间、纸与桌面间均可认为??0.3，取g=10N/kg。
1. 将穿过左侧书A的细绳固定不动，用水平力F把书B匀速抽出，如图4丙所示，求水平力F的最小值。
2. 若将穿过右侧书B的细绳固定不动，用水平力F’把书A匀速抽出，求水平力F’的最小值。
六、（16分）在南方，很多家庭的屋顶上安装有利用太阳能加热的水箱。利用磁铁、两个双触点的干簧管和一个带辅助触点的继电器可以组成一个水箱自动补水控制电路，所用元件如图5所示。
3
说明：磁铁与水箱中的浮子固定相连，可随水箱中水面的高低变化而上下移动（水箱和其中的浮子均未画出）。干簧管有两个触点，一个常闭触点和一个常开触点。当磁铁由于水箱中水面变化而靠近干簧管时，常闭触点断开，常开触点接通；当磁铁由于水面变化而离开干簧管时，两个触点复原。继电器有两对触点，主触点和辅助触点。继电器线圈不通电时，两对触点均处于断开状态。当继电器线圈通电时，两对触点同时闭合。使用时主触点接在工作电路中，辅助触点在控制电路中。
请你完成下列任务：
（1）在图中完成电路的连接； （2）说明电路的工作过程。
4
2016年第二十六届全国初中应用物理知识竞赛复赛试题
参考解答与评分标准
一、（16分） 1.根据：W=Pt
可得：W?0.25?0.5kWh?0.5?0.1kWh?0.1?0.6kWh?0.235kWh 2.电热丝耗电：
W热?P热t?1?0.5kWh?0.5kWh由图2可知，电热丝和电动机独立工作，因此电动机和电热丝为并联，电热丝工作时两端电压：U=220V
U22202电热丝电阻：R?t??30?60??48.4?
W热0.5?3.6?106
二、（16分） 1.由题意可知：
W电1kWh????38.4%
Q煤2.93?107J/kg?0.32kg2.每天输送的电能为
E?Pt?1.2?107kW?24h?2.88?108kWh
相当于火力发电站消耗标准煤的质量为
m?2.88?108kWh?0.32kg/kWh?9.22?107kg
3.输送线路相同，即线路的电阻R线相同 输送容量（最大电功率）相同，则
U1I1?U2I2
?U1?2U2 ?I2?2I1
22 P?IR?4I2线1R线?4P损2损1由题意可知：每千公里损耗为4?1.5%?6%
5
三、（16分）
1.相互平行的双杠杆，可以保证在杠杆转动过程中，座椅下面的立柱CD始终与其固定作用的立柱AB平行，使座椅表面保持舒适的水平位置。 2.根据杠杆平衡条件：F1L1?F2L2 可得：F1?42cm?F2?10cm
F2?10cm?(G配重?G人?F1)?21cm
解得：F1=400N
上述估算中进行的近似处理有：
（1）各转轴处的摩擦；（2）各力臂的确定；（3）连杆和杠杆自重。
四、（18分）
1.单位时间内灯泡发光的能量：E1?P?1?15J 距灯泡40cm处垂直于光传播方向上1cm2的能量
E2?E14?r2?7.46?10?4J 距灯泡40cm处垂直于光传播方向上1cm2的光粒子个数
n?E2/E0?1.9?1015个
2.
（1）单位时间内太阳光到达地面垂直于光传播方向单位面积上的能量
EP03??24?r2?566J 设太阳能电源板的最小面积为S，根据太阳能电池的能量转化效率有输出功率的要求应有 E3?2S?P出 解得 S=23.55m2
（答案在23-24之间均可算正确）
（2）设电池板单位面积上每秒钟平均吸收的光粒子数为n0，则有
?2SE0n0?P出
解得 n0=1.45×10-21m-2
6
所以每平方厘米面积上的光粒子个数为n??1.45?10个
五、（18分）
（1）交叠的一半所受到的滑动摩擦力为
17F1?(1?2?3??200)??m0g/2?10050?m0g
没有交叠的一半所受到的滑动摩擦力为：F2?100???m0g/2?50?m0g 因为匀速抽出，根据二力平衡，水平力与滑动摩擦力相等
F?F1?F2?10100?m0g?30.3N
（2）因为匀速抽出，根据二力平衡，水平力与滑动摩擦力相等 交叠的一半所受到的滑动摩擦力为
F1??(1?2?3??199)??m0g/2?9950?m0g
没有交叠的一半所受到的滑动摩擦力为：
F2??100???m0g/2?50?m0g
因为匀速抽出，根据二力平衡，水平力与滑动摩擦力相等，所以
F??F1??F2??10000?m0g?30N
六、（16分）
连接电路如答图1所示。
继电器主触点与水泵电机串联，接到电机的工作电源。 （工作电路连接正确4分）
干簧管1的常开触点与干簧管2的常闭触点串联，再与继电线圈串联后接到控制回路的工作电源。继电器辅助触点与干簧管1并联，其作用是自锁。 （控制电路连接正确4分）
7
电路工作过程：当磁铁随水箱中水面变化降至干簧管1时，干簧管1的常开触点被吸合，控制电路接通，继电器线圈通电，吸合衔铁，同时通过绝缘拉杆带动继电器的两组触点闭合，主触点接通工作电路，使水泵电机转动，水箱中开始补水。
磁铁随水面升高离开干簧管1，干簧管1的常开触点释放断开，但由于这时辅助触点闭合并与干簧管1并联，所以控制电路仍然保持接通状态，水泵电机继续运行。
当磁铁随水面上升至干簧管2时，干簧管2的常闭触点断开，导致控制电路断开，继电器线圈失电，衔铁在复位弹簧的作用下被释放，同时继电器的两组触点断开，切断工作电路，水泵电机停转，水箱停止补水。
当磁铁随水面再次降到干簧管1时，则再次重复上述过程。这样便实现了水箱自动补水。
8
第二十六全国初中应用物理知识竞赛复赛试题
