1、专题五专题五 综合应用题综合应用题题型一 力学综合题型二 力热综合题型三 电学综合专题突破专题突破题型四 电热综合题型五 力电综合题型六 力热电综合物理学科内综合题是一种含有多个物理过程、多个研究对象,运用到多个物理概念和规律的题目。它需要学生能综合运用所学知识,考查学生综合解题的能力,因此是一种难度较大的题型。它的题型多样,但多以计算、探究题为主。从考查知识的内容来看,大多是力学综合、力热综合、电学综合、电热综合、力电综合、力热电综合。解答此类试题时,先选定研究对象,对研究对象进行分析;找出每个物理过程所对应的物理模型,所联系的物理知识、物理量和物理规律;注意寻找出隐含专题概述条件,明确已知
2、量和所求量;找出各个物理过程间的联系。题型一题型一 力学综合力学综合力学知识具有相互联系、相互渗透的特点,中考题目情景多以物块、容器、车辆、水面舰船、简单机械组合及打捞等,综合考查压力、压强、浮力、速度、简单机械、功、功率、密度、效率等知识点。力学综合题目对同学们的能力要求较高,考查的知识点较多。弄清楚各个物理量的概念和相互之间的内在关系,是解答此类问题的关键。专题突破1.(2018山东临沂)2017年12月24日,我国自主研发的全球最大水陆两栖飞机AG600首飞成功,可为“海上丝绸之路”航行安全提供最快速有效的支援与保障。它的最大飞行速度为560 km/h,最大航程为4 500 km,巡航速
3、度(经济、节油的飞行速度)为500 km/h。某次起飞前,飞机静止在水平跑道上,总质量为51 t,轮胎与跑道的总接触面积为0.6 m2(水=1.0103 kg/m3,g=10 N/kg)。求:(1)飞机静止在跑道上时对跑道的压强是多少?(2)起飞后,飞机在空中直线飞行1 400 km,所需要的最短时间是多少?(3)飞机到达目的地降落后,漂浮在水面上,排开水的质量为46 t,此时飞机受到的重力是多少?舱底某处距水面1.5 m,水对该处产生的压强是多少?答案答案(1)8.5105 Pa(2)2.5 h(3)4.6105 N1.5104 Pa解析解析(1)飞机静止在水平跑道上,压力等于重力,F=G=
4、mg=5.1104 kg10 N/kg=5.1105 N。飞机静止在跑道上时对跑道的压强p=8.5105 Pa。(2)由v=得,起飞后,飞机在空中直线飞行1 400 km,所需要的最短时间是t=2.5 h。(3)飞机漂浮在水面上,排开水的质量为m排=46 t=4.6104 kg。飞机此时受到的重力等于排开水的重力,则G=m排g=4.6104 kg10 N/kg=4.6105 N。舱底某处距水面1.5 m,水对该处产生的压强是p=水gh=1.0103 kg/m310 N/kg1.5 FS525.1 100.6mNstsv1 400 km560 km/hm=1.5104 Pa。2.(2018河南焦
5、作一模)运-20,军方绰号“鲲鹏”,网友昵称“胖妞”。运-20采用常规布局,最大起飞质量220 t,载重超过66 t,最大飞行速度可达920 km/h,航程7 800 km。运-20是我国空军从“国土防空”向“攻防兼备”的大国空军转换的一个重要标志。(g取10 N/kg)(1)飞机能够升空的原因是机翼上表面受到的气压 机翼下表面受到的气压。运-20在空中水平匀速飞行时,它能产生的最大升力是 。(2)飞机静止在停机场上,其总重60 t,每个轮子的着地面积约为200 cm2(按3个相同的轮子计算),则它对地面的压强是多少?(3)当飞机发动机以7.5105 N的推力使它以720 km/h的速度飞行时
6、,发动机推力的功率是多少?在1小时内发动机对飞机做了多少功?答案答案(1)小于2.2106 N(2)1107 Pa(3)1.5108 W5.41011 J解析解析(1)机翼的形状是上凸下平,相同时间内,空气通过机翼上方的路程大于机翼下方的路程,则机翼上方的空气流动速度大于下方的空气流动速度,机翼上方的压强小于下方的压强,从而产生向上的升力。飞机在水平方向上匀速直线飞行时,竖直方向上受到竖直向下的重力和竖直向上的升力,两个力是一对平衡力,大小相等,它能产生的最大升力:F升最大=G最大=m最大g=220103kg10 N/kg=2.2106 N。(2)此时飞机的质量m=60 t=6104 kg飞机
7、静止在停机场上时,地面受到的压力F=G=mg=6104kg10 N/kg=6105 N受力面积S=3200 cm2=600 cm2=0.06 m2它静止在地面上对地面的压强p=1107 Pa(3)已知发动机推力F推=7.5105 N速度v=720 km/h=200 m/s发动机推力的功率P=F推v=7.5105 N200 m/s=1.5108 W由P=可得,1 h内发动机对飞机做功W=Pt=1.5108 W3 600 s=5.41011 JFS526 10 N0.06mWtF st推Wt3.(2018湖北孝感)搬运工人站在水平高台上用如图所示的滑轮组匀速竖直向上提升重物,不计绳重和摩擦,工人的
8、重力为640 N,与地面接触的总面积为410-2 m2,提升时间为20 s,重物上升高度为2 m。求:(1)提升时绳自由端的速度为多少;(2)若拉力F的大小为150 N,则拉力的功率为多少;(3)若上述过程中所提货物重为360 N,则滑轮组的机械效率为多少;(4)若仍用该滑轮组提升另一货物,当提升过程中该工人对高台的压强为2.0104 Pa,则所提升货物的重力为多少。答案答案(1)0.3 m/s(2)45 W(3)80%(4)390 N解析解析(1)重物上升速度v物=0.1 m/s由图可知,n=3则提升时绳自由端的速度v=3v物=30.1 m/s=0.3 m/s(2)拉力的功率P=Fv=150
9、 N0.3 m/s=45 W(3)已知G=360 N,则滑轮组的机械效率=100%=100%=100%=100%=80%(4)在上述过程中,F=150 N,G=360 Nht2m20sWtFstGhFsGhFnhGnF360N3 150N不计绳重和摩擦,拉力F=(G+G动)则动滑轮的重力G动=3F-G=3150 N-360 N=90 N当提升另一重物时,工人对高台的压力F压=pS=2.0104 Pa410-2 m2=800 N,压力和支持力是一对相互作用力,则F压=F支=800 N此时人受向下的重力、向下的绳子拉力和向上的支持力,则有G人+F拉=F支所以,绳子末端对人的拉力F拉=F支-G人=8
10、00 N-640 N=160 N人对绳子的拉力和绳子对人的拉力是一对相互作用力,故F拉=F拉13由F拉=(G+G动)得,此时所提升货物的重力G=3F拉-G动=3160 N-90 N=390 N 13题型二题型二 力热综合力热综合力热综合的应用题主要涉及速度、密度、压强、功率、热值、热机效率等相关计算以及内能的利用和环境保护。常以热机为背景设计题目。1.(2018河南三门峡一模)某建筑工地使用如图所示装置搬运建筑材料。用此装置将一块重为6 400 N的建筑材料匀速提升8 m,历时4 s,拖拉机消耗了4 g柴油。下表是拖拉机的部分参数和相关信息,(g取10 N/kg)求:拖拉机的质量 2.4 t轮
11、胎与地面接触总面积 0.1 m2柴油的热值 4107 J/kg柴油机的效率 40%(1)拖拉机静止在水平地面上时,对地面的压强是多大?(2)4 g柴油完全燃烧放出的热量是多少?柴油机的输出功率是多少?(3)滑轮组的机械效率为多少?拖拉机对绳端的拉力F是多大?答案答案(1)2.4105 Pa(2)1.6105 J1.6104 W(3)80%4 000 N解析解析(1)拖拉机对水平地面的压力F=G=mg=2 400 kg10 N/kg=2.4104 N,对地面的压强p=2.4105 Pa(2)4 g柴油完全燃烧放出的热量Q=mq=410-3 kg4107 J/kg=1.6105 J由=可得,拖拉机
12、对滑轮组做的总功W总=Q=40%1.6105 J=6.4104 J柴油机的输出功率P=1.6104 W(3)提升建筑材料做的有用功W有用=Gh=6 400 N8 m=5.12104 J,FS422.4 10 N0.1mWQWt总46.4 10 J4s滑轮组的机械效率=100%=100%=80%由W总=Fs=F2h可得,拖拉机对绳端的拉力F=4 000 NWW有用总445.12 10 J6.4 10 J2Wh总46.4 10 J2 8m2.(2018河南南阳新野一模)如图所示为某型号压路机,整机质量18 t,行驶速度27 km/h,发动机功率110 kW。已知柴油的热值q=4.3107 J/kg
13、。请回答下列问题:(1)压路机碾子质量很大,是通过 来增大压强;驾驶室内座椅做得宽大,是为了 (选填“增大”或“减小”)压强。(2)该压路机以27 km/h的速度匀速通过150 m的距离需要多少时间?(3)该压路机通过此段路程所受的阻力多大?(4)若该压路机柴油发动机的效率为40%,通过此段路程需要完全燃烧多少千克柴油?答案答案(1)增大压力减小(2)20 s(3)1.47104 N(4)0.13 kg解析解析(1)压路机的碾子的质量很大,是在受力面积一定时,通过增大压力来增大压强。驾驶室内座椅做得宽大,是为了增大受力面积从而减小压强。(2)压路机的速度v=27 km/h=7.5 m/s,s=
14、150 m需要时间t=20 s(3)因为v=7.5 m/s,所以根据P=Fv得,压路机的牵引力F=1.47104 N因为匀速运动,所以阻力f=F=1.47104 Nsv150m7.5m/sWtFstPv51.1 10 W7.5m/s(4)发动机所做的功W=Pt=1.1105 W20 s=2.2106 J根据=可得柴油完全燃烧放出的热量Q=5.5106 J由Q=qm得柴油的质量m=0.13 kgWQW62.2 10 J40%Qq675.5 10 J4.3 10 J/kg3.(2018河南郑州模拟)汽车已经走进了很多普通农村家庭,最近方文同学家也购买了一辆小汽车,方文同学十分高兴,将汽车里里外外看
15、了个遍,并且进行了认真地思考,发现汽车上许多地方都用到了物理知识,下面就是他思考的问题,请你和他一起解答。(1)汽车发动机中包括汽油机,从能源可否再生角度看,汽油是 (选填“可再生”或“不可再生”)能源;发动机工作时,冲程将内能转化为机械能。(2)若汽车油箱的容积为60 L(dm3),内装密度为0.71103 kg/m3、热值为4.61107 J/kg的汽油,则油箱最多可以装多少千克的汽油?(3)若轿车以60 kW的恒定功率启动做直线运动,运动过程中受到的阻力不变,运动速度v与时间t的关系如图所示,则在050 s时间内,轿车发动机所做的功为多少?轿车在运动过程中受到的阻力为多少?答案答案(1)
16、不可再生做功 (2)42.6 kg(3)3106 J 2 000 N解析解析(1)由于汽油不能源源不断地从自然界获得,不可以重复利用,是不可再生能源;汽油机有四个冲程,其中做功冲程将内能转化为机械能。(2)汽车油箱的容积V=60 L=60 dm3=6010-3 m3汽油的密度=0.71103 kg/m3油箱最多可以装的汽油的质量m=V=0.71103 kg/m36010-3 m3=42.6 kg(3)轿车以60 kW的恒定功率运动50 s所做的功W=Pt=60103 W50 s=3106 J由于P=FvWtFstFvtt可得牵引力F=,由图像可知汽车做匀速直线运动时的速度v=30 m/s牵引力
17、F=2 000 N汽车做匀速直线运动时,牵引力和阻力二力平衡,大小相等f=F=2 000 N PvPv360 10 W30m/s题型三题型三 电学综合电学综合电学也是初中物理课程标准的主要内容之一。它有六个基本物理量,即电流、电压、电阻、电功、电功率、电热;两个主要定律,即欧姆定律和焦耳定律。电学综合题往往将欧姆定律、电能、电功率以及焦耳定律等知识点综合在一起,进行有关物理量的计算。解决这类问题,首先是分析电路,分析导致电路变化的原因,每一种变化里有几个用电器,是怎样的连接方式,电流表、电压表的位置在哪里,弄清楚这些问题后,再将电路中的一些基础量(U、I、R)之间的关系理清,根据串、并联电路的
18、特点和欧姆定律,将它们联系起来,求出未知量。1.(2018江苏无锡)图甲是消防应急照明灯,使用时,将它接入家庭电路,当电路断电时,它能提供一段时间的应急照明。图乙是某款消防应急照明灯的模拟工作原理图,将应急照明灯接入家庭电路后,它将家庭电路电压转换为直流电压U,为蓄电池充电。同时,电流流过电磁铁A的线圈产生磁性,吸引衔铁B,使动触点C、E和静触点D、F脱开。当家庭电路断电时,线圈中电流消失,电磁铁的磁性消失,衔铁复位,触点C、E和D、F接触,蓄电池给两只LED灯组供电,提供照明。每只LED灯组的额定电压为3.8 V,额定功率为0.95 W。(1)给蓄电池充电时,U的电压会高于蓄电池电压,所以在
19、电路中要串联一个定值电阻R。关于定值电阻R的作用,以下说法错误的是 。A.主要用来发热B.可以保护电路元件C.可以限制电流大小D.可以分去部分电压(2)两只LED灯组正常工作时,干路电流为多大?(3)若该款应急照明灯接入家庭电路后,以I=75 mA的电流连续充电20 h,蓄电池可以从无电能至充满;放电时,蓄电池释放的电能达到充满电时电能的60%时,LED灯组将不能正常工作。充、放电时蓄电池不会发热且电压保持3.8 V不变。则该款应急照明灯蓄电池充满电后,可供两只LED灯组正常工作的时间为多长?答案答案(1)A(2)0.5 A(3)1.8 h解析解析(1)U的电压高于蓄电池电压,在电路中串联一个
20、定值电阻R起分压作用,可以限制电路中电流大小,保护电路元件。(2)I总=0.5 A(3)W电=UIt=3.8 V0.075 A20 h=5.7 Wht=1.8 h2PU2 0.95W3.8V2WP有60%2WP电0.6 5.7W h2 0.95W2.(2018河南开封一模)有一种电加热恒温箱,工作原理如图甲所示。控制电路由电压为U1=6 V的电源、电磁继电器(线圈电阻不计)、滑动变阻器R0和热敏电阻R1组成,工作电路由电压为U2=220 V的电源和电阻为R2=48.4 的电热丝组成。当控制电路中的电流达到0.05 A时,衔铁被吸下来,触点处断开,工作电路停止工作。当控制电路中的电流小于0.05
21、 A时,衔铁被弹回,触点处接通,工作电路正常工作,热敏电阻R1的阻值随温度变化关系如图乙所示。甲 乙(1)在升温的过程中,电阻R1两端的电压会 (选填“变大”“变小”或“不变”);要使恒温箱设定的温度值升高,应调节滑动变阻器R0的滑片,使其接入电路的阻值 (选填“变大”“变小”或“不变”)。(2)工作电路正常工作1 min,电热丝R2产生的热量是多少?(3)通过调节控制电路中滑动变阻器R0接入电路的阻值,就能调节恒温箱中需要设定的不同温度,如果恒温箱的温度设定为50,求滑动变阻器R0应接入电路的阻值。答案答案(1)变小变大(2)6104 J(3)40 解析解析(1)由图像可知,当温度升高时,R
22、1的阻值在减小;控制电路中是滑动变阻器和热敏电阻串联,由于滑动变阻器的阻值不变,R1的阻值减小,从而导致了总电阻减小,电源电压不变,根据欧姆定律可知,电路中的电流增大,根据U=IR可知,R0两端的电压U0增大,电阻R1两端的电压UR1=U1-U0,所以UR1在变小。从图乙可知,当提高恒温箱的设定温度时,热敏电阻的阻值减小;但为了使衔铁吸合,控制电流即线圈中的电流仍为0.05 A,根据欧姆定律可知要增大滑动变阻器连入电路的电阻值,即R0的阻值必须调大。(2)电热丝R2工作时的功率P2=1 000 W222UR2(220V)48.4在1 min内产生的热量Q=W=P2t=1 000 W60 s=6
23、104 J(3)如果恒温箱的温度设定为50,由图乙可知,热敏电阻的阻值R1=80,由题知,此时控制电路的电流I1=0.05 A由I=可得总电阻R=120 根据串联电路总电阻等于各分电阻之和可得,滑动变阻器R0应接入电路的阻值R0=R-R1=120-80=40 UR11UI6V0.05A3.(2018湖南衡阳)现有一个可调电压电源,一个滑动变阻器R(铭牌上标有“50 2 A”的字样),一个电压表,A、B、C三盏小灯泡规格分别为:A灯“6 V 3 W”、B灯“6 V4.8 W”、C灯“6 V6 W”,三盏小灯泡的电流电压关系如图甲所示,即三盏灯的电阻随实际功率变化而变化。在保证电路安全的情况下,进
24、行以下实验。甲 乙(1)若将A、B、C三盏小灯泡并联接在可调电压电源两端,电源电压调节为6 V,求经过2.5 min,三盏小灯泡消耗的总电能为多少J。(2)若将A、B、C三盏小灯泡串联接在可调电压电源两端,调节电源电压,使A灯正常发光,求此时C灯的实际电功率。(3)若将电路元件按如图乙所示连接,电源电压调节为20 V,当滑动变阻器滑片在某个点时,电压表读数为15 V,求将滑动变阻器滑片从这个点开始向左滑动的过程中,滑动变阻器阻值变化范围。答案答案(1)2 070 J(2)1 W(3)3012.5 解析解析(1)由题知,三盏小灯泡的额定电压均为6 V,将A、B、C并联接在6 V电源两端时,因并联
25、电路中各支路两端的电压相等,且额定电压下灯泡的实际功率和额定功率相等,所以,电路的总功率P=PA+PB+PC=3 W+4.8 W+6 W=13.8 W由P=可得,2.5 min内三盏小灯泡消耗的总电能W=Pt=13.8 W2.560 s=2 070 J(2)将A、B、C串联接在可调电压电源两端,串联电路中各处的电流相等,A灯恰好正常发光,即UA=6 V,所以,由图甲可知,电路中的电流IA=IC=0.5 A,此时CWt灯两端的电压UC=2 V则C灯的实际电功率PC实=UCIC=2 V0.5 A=1 W(3)图乙中,B、C两灯以及滑动变阻器串联,当电压表读数为15 V时,B、C两灯两端的总电压为2
26、0 V-15 V=5 V;由图甲知,当电流为0.5 A时,B灯两端的电压为3 V,C灯两端的电压为2 V,即UB+UC=3 V+2 V=5 V,根据串联电路电流处处相等可知I滑=IB=0.5 A此时滑动变阻器接入电路的电阻R大=30 UI滑滑15V0.5A根据图甲知,B灯的额定电流为0.8 A,C灯的额定电流为1.0 A,滑动变阻器滑片向左滑动的过程,变阻器接入的阻值减小,电流增大,但最大不能超过B灯的额定电流,故电路中的电流最大为0.8 A,此时B灯两端的电压为6 V,C灯两端的电压为4 V,则滑动变阻器两端的电压为U滑=20 V-6 V-4 V=10 V滑动变阻器允许接入的最小电阻R小=1
27、2.5 所以,滑动变阻器阻值的变化范围为3012.5 UI滑滑10 V0.8 A题型四题型四 电热综合电热综合电热综合主要涉及电能、电功率、电热、热量、机械效率的计算,以及能量的转化分析等。常以太阳能、家用电热器为背景设计题目。电热综合多与水的加热有关,水吸收的热量可用Q=cmt求出,给水加热的是电热器,电热器放出的热量和电热器的规格有关。电热器是纯电阻元件,电流做功全部转化为电热,计算电热的公式为Q=I2Rt,同时我们还需要认识到任何电热器都有效率问题,不可能将电能全部转化为水的内能,其关系为W=Q。1.(2018青海西宁)有种太阳能、电能两用热水器,该热水器用电加热时的额定功率为2 000
28、 W,晴天时在西宁地区,这种热水器一天内吸收的太阳能为2.8107 J,能将水箱内80 kg初温为20 的水加热到70 c水=4.2103 J/(kg)。求(1)80 kg水吸收的热量是多少?(2)该热水器将太阳能转化为内能的效率是多少?(3)如果遇到阴雨天改用电加热,热水器在正常工作时,将上述同样质量、初温的水加热到同样的温度需要多长时间(假设所消耗电能全部转化为内能)?(4)用电高峰期,家中只有液晶电视机和热水器工作时,热水器将上述同样质量、初温的水加热到同样的温度,实际用时1104 s,通过电能表测得此过程共耗电1.8107 J,此时热水器和液晶电视机的实际电功率分别为多大(假设热水器所
29、消耗电能全部转化为内能)?答案答案(1)1.68107 J(2)60%(3)8 400 s(4)1 680 W120 W解析解析(1)水吸收的热量Q吸=c水mt=4.2103 J/(kg)80 kg(70-20)=1.68107 J(2)该热水器将太阳能转化为内能的效率=100%=100%=60%(3)由于热水器所消耗电能全部转化为内能,有W热=Q吸=1.68107 J因为W热=P额t所以t=8 400 s(4)热水器的实际功率QQ吸总771.68 10 J2.8 10 JWP热额71.68 10 J2 000WP实=1 680 W液晶电视机消耗的电能W液=W总-W热=1.8107 J-1.6
30、8107 J=1.2106 J液晶电视机的实际功率P液=120 W Wt热741.68 10 J1 10 sWt液641.2 10 J1 10 s2.(2018河南省实验中学模拟)如图所示为一款利用高温水蒸气熨烫衣服的便携式挂烫机,它的正常工作电压为220 V,水箱装水最多0.5 kg,加热功率有大、小两个挡位。设计师最初设计的内部电路有如图所示的甲、乙两种接法,其中电热丝R1=56,R2=44。(1)高温水蒸气熨烫衣服时,先后经过 和 两种物态变化最终将衣服熨平;(2)两个电路中所选熔断器里熔丝允许通过的最大电流为8.5 A,请通过计算说明甲、乙哪种电路符合设计师的选择;(计算结果保留一位小
31、数,下同)(3)若不计热损失,将水箱中0.25 kg的水从20 加热到100,挂烫机至少需要多长时间?c水=4.2103 J/(kg)答案答案(1)汽化液化(2)甲电路符合设计师的选择计算过程见解析(3)76.4 s解析解析(1)挂烫机中装的是水,它首先通过加热将水变成水蒸气,属于汽化现象;高温水蒸气熨烫衣服时,水蒸气遇到衣服迅速由气态变成液态,放出大量的热,从而把衣服熨平,属于液化现象。(2)如果选择甲电路,当开关旋至1、2之间时,电路为只有电阻R2工作的简单电路,此时电路中的电流最大,则电路中的最大电流I大=5 A;如果选择乙电路,当开关旋至1、2之间时,R1、R2并联,此时电路中电流最大
32、,因并联电路中各支路两端的电压相等,且干路电流等于各支路电流之和,所以电路中的最大电流I大=I1+I2=+=+8.9 A,大于8.5 A,所以甲电2UR220V441UR2UR220V56220V44路符合设计师的选择。(3)甲挂烫机大功率挡工作时,电路中电流为5 A,此时的功率P1=UI大=220 V5 A=1 100 W水吸收的热量Q吸=c水m(t-t0)=4.2103 J/(kg)0.25 kg(100-20)=8.4104 J不考虑热损失,当挂烫机以大功率挡工作时,需要的加热时间最短由P=得需要的最短加热时间t=76.4 sWt1WP1QP吸48.4 10 J1 100W3.(2018
33、河南商丘柘城三模)科技小组的同学设计了如图甲所示的恒温水箱温控电路(设环境温度不高于20),由工作电路和控制电路组成。工作电路中的电热器上标有“220 V2 000 W”的字样;控制电路中热敏电阻Rt作为感应器探测水温,置于恒温水箱内,其阻值随温度变化的关系如图乙所示,R1为滑动变阻器。电磁铁产生的吸引力F与控制电路中电流I的关系如图丙所示,衔铁只有在不小于3 N吸引力的作用下才能被吸下。闭合开关S(不计电磁铁线圈的电阻)。(1)用电热器给恒温箱中100 kg的水加热,正常工作20 min时,水温由20 升高到25,求电热器的加热效率?c水=4.2103 J/(kg)(2)调节滑动变阻器,使R
34、1=280,为了把温度控制在25 左右,设定在水温低于25 时自动加热,在水温达到25 时停止加热,求控制电路中的电源电压U是多少?(3)设控制电路中电源电压U不变,将水箱中水温由25 的恒温调节到30 的恒温,应 (选填“增大”或“减小”)滑动变阻器接入电路中的阻值。答案答案(1)87.5%(2)36 V(3)增大解析解析(1)水吸收的热量Q吸=c水m(t-t0)=4.2103 J/(kg)100 kg(25-20)=2.1106 J由P=可得,电热器消耗的电能W=Pt=2 000 W2060 s=2.4106 J电热器的加热效率=100%=100%=87.5%(2)当水温达到25 时停止加
35、热,由图乙可知,热敏电阻的阻值为Rt=80 因为串联电路的总电阻等于各分电阻之和,所以电路中的总电阻R总=Rt+R1=8WtQW吸662.1 10 J2.4 10 J0+280=360 衔铁受到3 N的吸引力,由图丙可知,控制电路中电流为I=100 mA=0.1 A由欧姆定律得,电源电压U=IR总=0.1 A360=36 V(3)将水箱中水温由25 的恒温调节到30 的恒温,即将启动的温度调高,则热敏电阻的阻值将减小,由I=可知,当电源电压一定时,热敏电阻减小,则滑动变阻器接入电路的阻值应增大。1tURR题型五题型五 力电综合力电综合力电综合涉及力学和电学的相关计算,常以自动电动车、电动机带动
36、其他机械为背景设计题目。处理这类问题,关键是要准确把握两者之间的结合点。常见的力电综合点是能量关系,即机械能和电能的关系,还有一些在特定的条件下,构成的力学问题与电学物理量之间的关系。1.(2018河南省实验中学模拟)河南省实验中学初三物理兴趣小组为学校草坪设计了一个自动注水喷淋系统,其电路设计如图甲。控制电路电源电压U1=12 V,R0=60,RF为压敏电阻,电磁铁线圈电阻忽略不计;压敏电阻RF放置于水箱底部(图乙),其阻值与压力有关,阻值随水位变化关系如表所示。工作电路包括注水系统和喷淋系统,其电源电压U2=220 V;圆柱体水箱底面积S=0.4 m2;当通过电磁铁线圈的电流等于0.1 A
37、时,衔铁恰好被吸下,注水系统停止工作,此时电流表示数I1=1 A;当水位下降到1米时,衔铁恰好被拉起,注水系统开始给水箱注水,此时电流表示数I2=2 A。水位(米)0.250.500.751.001.251.501.752.002.25压敏电阻RF阻值(欧)300200125907065626059(1)水箱内的水位最高可以达到多少米?(2)当水箱内水位下降到1米时,控制电路的电功率为多大?(3)已知喷淋系统一直给草坪喷水,每秒钟喷水恒为0.001 m3;注水系统工作时,每秒钟给水箱注水恒为0.005 m3。求相邻两次开始给水箱注水的这段时间内,工作电路消耗的电能。答案答案(1)2 m(2)0
38、.96 W(3)1.32105 J解析解析(1)当通过电磁铁线圈的电流等于0.1 A时,衔铁恰好被吸下,注水系统停止工作,此时的水位即最高水位。由欧姆定律可得,控制电路总电阻R=120 根据串联电路的电阻特点可知,压敏电阻的阻值RF=R-R0=120-60=60,由表可知最高水位为2 m。(2)根据表中数据可知,当水箱内水位下降到1米时,RF=90 此时控制电路中的电流I=0.08 A1UI12V0.1A10FUR R12V9060此时控制电路的电功率P=U1I=12 V0.08 A=0.96 W(3)水位降到1 m时开始注水,水位上升到2 m时停止注水,当水位再次下降到1 m时,再次开始注水
39、。注水系统的电流I3=I2-I1=2 A-1 A=1 A喷淋系统的功率P喷淋=U2I1=220 V1 A=220 W注水系统的功率P注水=U2I3=220 V1 A=220 W过程一:水位由1 m上升到2 m,喷淋系统和注水系统同时工作,升高的水的体积为V=0.4 m21 m=0.4 m3注水和喷淋系统同时工作的时间t1=100 sW1=(P注水+P喷淋)t1=440 W100 s=4.4104 J过程二:只有喷淋系统工作,t2=400 sW2=P喷淋t2=220 W400 s=8.8104 J,工作电路消耗的电能W=W1+W2=4.4104 J+8.8104 J=1.32105 J 3330
40、.4m0.005m0.001m330.4m0.001m2.(2018湖南长沙32题改编)如图甲、乙所示,某科技小组自制了一个测量水的深度的装置,它由测量头和控制盒构成,测量头的测量面是一个涂有绝缘漆的面积为2 cm2的压敏电阻R1,R1的电阻随水对它的压力F的变化关系如图丙所示。控制盒内有一个定值电阻R0和一个最大阻值为90 的滑动变阻器R2,电源电压保持不变。通过电路调节,可使控制盒的功率达最大值Pm,科技小组通过控制盒的功率最小值和Pm的比值来标记水的深度。不计导线的电阻,电压表的量程为03 V。科技小组在确保电路安全的情况下,进行如下的操作:(水=1.0103 kg/m3;g取10 N/
41、kg)(1)R1未放入水中时,闭合S,断开S1,将R2的滑片移至最上端,此时电压表示数达到最大值,R0的电功率为P0,求:R1未放入水中时的电阻。(2)测量头放到水下深度h1=10 m时,闭合S,断开S1,将R2的滑片移至某一位置时,R0的电功率为P0,电路的总功率为P总,R1的电功率为P1。已知P0 P0=9 4,P总 P1=6 1,求:此时R0两端的电压。(3)测量头放到水下深度h2=3 m时,调节电路,求:控制盒的最小功率与Pm的比值。丙答案答案(1)30(2)2 V(3)5 18解析解析(1)R1未放入水中时,受到的水的压力为0,由图像可知,此时R1=30。(2)R1未放入水中时,由图
42、知,闭合S,断开S1,将R2的滑片移至最上端,此时R0、R1串联,电压表示数达到最大值3 V,由串联电路特点和欧姆定律可得,电路中电流I=测量头放到水下深度h1=10 m时,R1受到压力F=pS=水gh1S=1.0103 kg/m310 N/kg10 m210-4 m2=20 N由图像知,此时压敏电阻R1的阻值为R1=10 此时,闭合S,断开S1,将R2的滑片移至某一位置时,R0、R2、R1串联01URR030UR 由P=I2R有=,可得R总=60 电路中电流I=,所以=由可得=,解得R0=10 当闭合S,断开S1,将R2的滑片移至最上端,电压表示数达到最大值3 V此时电路中电流1PP总221
43、IRIR 总61UR总60U00PP 2020I RIR94II32II03060URU32I=I0=0.3 A所以I=I=0.3 A=0.2 A所以测量头在水深10 m时,R0两端的电压为U0=IR0=0.2 A10=2 V(3)由串联电路特点和欧姆定律可得,电源电压U=I(R0+R1)=0.3 A(10+30)=12 V当两开关都闭合时,R0、R2串联,当电压表示数最大时电流最大电路中最大电流I最大=0.3 A00UR3V10232300UR最大3V10所以控制盒的功率达最大值Pm=UI最大=12 V0.3 A=3.6 W测量头放到水下深度h2=3 m时,R1受到压力F=pS=水gh2S=
44、1.0103kg/m310 N/kg3 m210-4 m2=6 N由图像知,此时压敏电阻R1的阻值为R1=20 当变阻器R2连入阻值最大时,控制电路的总电阻最大为R控=R0+=10+90=100,电流最小,P控有最小值则P控最小=R控=100=1 W,2R大21URR控212V10020所以控制盒的最小功率与Pm的比值为1 W 3.6 W=5 18 3.(2018黑龙江哈尔滨)随着生活水平的提高,汽车成为人们常用的交通工具。下表是两种汽车的相关数据:某电动汽车某燃油汽车空车质量:2 t空车质量:1.4 t充满一次电:电池储存电能:80 kWh能行驶的最大路程:300 km(高速)百公里平均消耗
45、油量:8 L(高速)电费单价:0.7元/kWh油费单价:7元/L请回答:(1)电动汽车工作时电动机最大功率为90 kW,工作电压为300 V,求电动机工作时最大电流是多少?电动机工作5 min,电流所做的功最多是多少?(2)电动汽车和燃油汽车轮胎与地面的总接触面积均为0.1 m2,求两空车静止时对水平地面的压强之比。(3)若从哈尔滨经高速公路自驾到某地旅游,两地距离s为2 000 km,电费或油费的预计支出为700元,通过计算说明两车能否到达目的地。(高速路上能满足充电或加油的需求)答案答案(1)300 A2.7107 J(2)10 7(3)见解析解析解析(1)由P=UI可得,电动机工作时最大
46、电流I大=300 A由P=可得,电动机工作5 min,电流所做的功最多为W=P大t=9104 W560 s=2.7107 J(2)两空车静止时对水平地面的压力都等于其重力,即F电=G电=m电gF燃=G燃=m燃gS电=S燃=0.1 m2两空车静止时对水平地面的压强之比PU大49 10 W300VWt=(3)已知电费单价0.7元/kWh,则700元为电动车提供的电能E电=1103 kWh已知充满一次电:电池储存电能为80 kWh,能行驶的最大路程为300 km(高速)则700元能使电动车行驶的距离s电=300 km/h=3.75103 kmpp电燃FSFS电电燃燃FF电燃GG电燃m gm g电燃m
47、m电燃2t1.4t1077000.7/kW h元元31 10 kW h80kW h已知油费单价:7元/L则700元能为燃油车提供燃油V=100 L已知燃油车百公里平均消耗油量8 L(高速)则700元能使燃油车行驶的距离s燃=100 km=1.25103 km已知从哈尔滨经高速公路自驾到某地旅游,两地距离s为2 000 km因为s燃s40 m,所以轿车会因超速而被拍照(4)电池储存的电能为W电=22 kWh=223.6106 J=7.92107 J牵引力做的功为W牵=70%7.92107 J=5.544107 J因为W=Fs所以牵引力为F=396 N因为轿车沿水平路面匀速直线行驶,所以受到的阻力
48、为f=F=396 NWs牵735.544 10 J140 10 m3.(2018河南郑州二模)电热加湿器靠电流的热效应工作。某种家用电热加湿器相关参数、外形、电路简化图,如表所示。电热器的电热丝浸没在加热仓的水中产生热量,使加热仓中的水沸腾变成水蒸气喷出,增加环境湿度。当加热仓中的水减少到一定程度时,自动阀门智能打开,水由储水箱进入到加热仓中。工作电压:220 V工作频率:50 Hz最大运行功率:40 W储水箱容量:2.4 L尺寸:高315 mm底部直径168 mm满水工作时间:高气雾量10 h,低气雾量24 h(1)当气雾调节器 R2的滑片移到最左边时,加湿器以最大运行功率工作,求电热丝 R
49、1的电阻值。(2)如果加热仓内冷水的温度为 20,用最大运行功率工作,经过 5 min 36 s,水沸腾产生蒸气,求加热仓中水的体积。c水=4.2103 J/(kg),水=1103 kg/m3,电热丝R1产生的热量全部被水吸收,环境为标准大气压(3)当滑片移到最右端时,气雾调节器 R2的阻值为 990,加湿器以低气雾量工作,求此时电热丝 R1的电功率是多少瓦?答案答案(1)1 210(2)40 cm3(3)12.1 W解析解析(1)当气雾调节器R2的滑片移到最左边时,气雾调节器R2连入电路的电阻为0,只有电热丝R1工作,加湿器的功率最大由P=UI=可得,电热丝R1的阻值R1=1 210(2)以
50、最大功率工作,t1=5 min 36 s=336 s电阻丝R1产生的热量Q=W=Pt1=40 W336 s=13 440 J因电阻丝R1产生的热量全部被水吸收2UR2UP2(220V)40W所以水吸收的热量Q吸=Q=13 440 J标准大气压下水的沸点为100,由Q吸=cm(t-t0)得,水的质量m=0.04 kg=40 g由=可得,加热仓中水的体积V=40 cm30()Qctt吸水313 440J4.2 10 J/(kg)(10020)mVm水340g1g/cm(3)当滑片移到最右端时,R2达到最大阻值和R1串联因串联电路中总电阻等于各分电阻之和所以电路中的电流I=0.1 A此时电热丝 R1
