2011年物理竞赛复赛试题及答案

1、2011 年全国应用物理知识竞赛复赛2011 年第二十一届全国初中应用物理竞赛复赛试题一、（ 16 分） 测定患者的血沉，是医学上用来帮助医生对病情作出正确判断的一种手段。把新鲜的血液，加入抗凝剂，静置一定时间后形成抗凝血后，红血球即从血浆中分离出来而下沉。设抗凝血是由红血球和血浆组成的悬浮液，血浆的密度033 ，红血球的密度 1.0 kg/m10 1.3 3kg/m10 3。将抗凝血放进竖直放置的血沉管内，红血球起初在血浆中加速下沉，然后一直匀速下沉， 其匀速下沉的速度称为 ”血沉 ”。正常人血沉的值大约是v=12mm/h 。如果把红血球近似 看作 半径为 R 的小球 ，它 在血浆 中下沉

2、时所 受的 粘滞阻 力为f=6 Rv， 在室温 下=1.8 10-3 Pas，已知 V 球 = 4 R 3，试根据以上信息解答下列问题：31红血球在血浆中为什么先加速下沉、后一直匀速下沉？2计算红血球半径的大小。二、（ 16 分） 为了推进环保和节能理念的实施，某公司开发生产了“风光互补路灯” ，该路灯只需要晒晒太阳吹吹风就能工作，如图1 所示。它在有阳光时通过太阳能电池板发电，有风时通过风力发电机发电， 二者皆备时同时发电，并将电能输至蓄电池储存起来，供路灯照明使用。为了能使蓄电池的使用寿命更为长久，一般充电至90%左右即停止，放电余留20%左右即停止电能输出。下表为某型号风光互补路灯系统配

3、置方案。问：风力发电机太阳能电池组件最小启动风速1.0 m/s太阳能电池36W最小充电风速2.0 m/s太阳能转换效率15%最大限制风速12.0 m/s蓄电池500A h-12图 1V最大输出功率400 W大功率 LED 路灯80W-12V1当风速为 6.0m/s 时，风力发电机的输出功率将变为50W ，在这种情况下，将蓄电池的电量由 20%充至 90%需多长时间？2如果当地垂直于太阳光的平面得到的太阳辐射最大强度约为240W/m 2，要想太阳能电池的最大功率达到36W ，太阳能电池板的面积至少要多大？3若遇到阴天无风的天气，仅靠蓄电池供电，最多可供灯具正常发光多长时间？12011 年全国应用

4、物理知识竞赛复赛三、（ 16 分） 自行 是倍受人 青 的一种交通工具，如 2 所示。其主要 构就是在原来的普通自行 的基 上，增加了 机及供 、 ，它可以 行，亦可以脚踏 行。 行 ，蓄 池 上的 机供 ， 机 提供 力；脚踏 行 ，与普通自行 相同。下表是某型号 自行 主要技 参数。整 量40kg整 车最高 速30km/h最大噪声62dB蓄 池电压48V容量12Ah 机 定 48V 定功率240W图 21仔 察 自行 的构造， 会 很多地方用到了物理知 。 仿照下面的示例，再列 三 用物理知 行 的事例。示例： 自行 的 座大而扁平，可减小 。答：（1）_；（ 2）_ ；（ 3）_ 。2当

5、一个初三学生 着 自行 在平直的公路上匀速行 ， 胎与地面的 接触面 约为 40cm2，此 路面受到的 多大？3 自行 以 定功率行 通 机 圈的 流是多大？4蓄 池充足 后 存的能量是多少？5在蓄 池充足 后 机供 的 程中，当把 存能量的80%提供 机后就 行充 。若 机工作 将 能 化 自行 出机械能的效率 75%， 自行 在平直的公路上匀速行 受到的阻力 30N， 蓄 池充一次 最多能完全依靠 存的 能 行 多 ？6从 保的角度来看，与摩托 相比， 自行 有什么 缺点？（各列 一条）四、（ 16 分）家用燃气快速 水器（如 3 所示）是一种方便、快捷且不受天气影响的洗浴 。下表 某品牌

6、家用燃气快速 水器的主要技 数据。已知天然气的 8107J/m3，水的比 容 4.2 103J/（ kg?）。至主火锥形管双金属片熄火后的状态球水量火焰调节阀弹簧进水气阀燃气燃气膜片燃气图 4图 5图 31 安全使用此 水器，机体上印有一些警告，其中一条是 的：“气温低于0oC ，用后 打开放水塞，放尽机体内存水，再 ”。 解 什么要 做？2 求 型号家用燃气快速 水器正常工作 的 水效率。3若在 定 水能力下 行淋浴，一次淋浴 加 20min ， 此次淋浴至少需消耗多少天然气？4 防止燃气 水器在无水或水 低 “干 ” ，技 人 了很多种“水气 ”装置， 通常所 的“水到气到” 。 4 就是

7、其中一种“水气 ”装置的原理 ，你能看出它的工作原理 ？ 述它是如何利用“水到”来控制“气到”的。5 了防止 水器工作 程中加 火焰意外熄 致燃气泄漏，技 人 了 “火 断气”的装置。如 5 所示 一种“火 断气”装置的原理 ， 根据 个原理 ， 述它是怎 “火 断气”功能的？生 产 许 可 证XK00-1020044执 行 标 准GB6932-2001型号JSD16-D8JA燃 气 种 类天然气 定燃气 2000Pa额 定 热 负 荷16kW适 用 水 压0.025MPa0.75MPa 定 水能力8L/min（ t=25K ）额 定 电 压3V（ DC ）22011 年全国应用物理知识竞赛复

8、赛五、（ 18 分）小芳家里新买了一台电热水器，从“用户手册”中，她获得了以下资料，请根据这些资料完成相应的计算：一、外形尺寸（mm）ABCDEF781100196196353434二、技术数据额定功率 /W1000/1500/2500额定压力 /MPa0.8额定电压 /V交流 220容积 /L50频率/Hz50净重 /kg191图 6 为安装示意图， 安装时要将 L 形挂钩用膨胀螺钉固定在承重墙上，上表是热水器的部分数据，请估算L 形挂钩受到的最大向F下拉力 F 及对应此时膨胀螺钉与承重墙体承重墙悬挂孔L 形挂钩间的摩擦力 f。E2这台热水器共有三挡加热功率，销悬挂架D售人员曾介绍说：热水器

9、内部有两个加热安全阀出水管管。请你根据销售人员的介绍，猜测并画B进水管C出内部加热电路的主要结构（简化的等效A图 6电路图）。然后依据你的猜想， 计算出每个加热管的电阻值。3产品说明书上标明： 当达到设定温度， 停止加热后， 如果水温降到低于设定温度4时，热水器将自动以设置功率将桶内的水加热至设定温度，如此反复直至手动停止加热。小芳想到了国家提倡的峰谷电价制度的有关规定：2011年起， 本地的分时电价为： 峰时段 (08 ：00 22：00)0.6 元 / 度，谷时段(22： 00次日08： 00)0.3 元 /度。她想，如果每天下午6 点洗浴时需要把 20的冷水加热至50，可以下午直接加热，

10、也可以早晨8 点前加热好，让热水器自动保温至下午 6 点，哪种方式更省钱呢？为此她利用热水器提供的测温功能测量了水温从50降至 46需要 190 分钟，已知 c3水=4.2 10 J/(kg? )，请帮她通过计算做出哪种方式更省钱的判断。六、（ 18 分）电动木工机械的发明和应用大大地降低了木工的劳动强度，且大幅度地提高了劳动效率。木工圆锯机就是一种常见的用来锯切木料的电动木工机械。如图7 所示为某型号电动木工圆锯机，其主要结构如图 8 所示。它采用电动机作为动力，通过皮带传动的方式带动与圆形锯盘共轴安装的皮带轮，从而带动周边有齿的圆形锯盘高速转动以锯开木料。它的主要技术数据如下表：缝圆形锯盘

11、皮带轮轴孔右侧皮带左侧皮带图 9电动机皮带轮图 7图 81小明仔细观察圆形锯盘后发现，圆形锯盘的周最大锯盘直径mm400边除了有齿外， 还开有图 9 所示的很深的缝， 缝的底端最大锯切厚度mm125打有一个小圆孔， 锯齿部分还比锯盘部分稍厚一些。请额定功率kW3你从物理学的角度说说这样做的道理。配额定转速r/min14202该型号电动木工圆锯机正常工作时，图8 中的套额定电压V380哪一侧皮带上的拉力较大？并说明你做出判断的理由。电额定电流A5.03若测得与圆形锯盘共轴安装的皮带轮的直径为动额定频率Hz509.2cm，电动机的皮带轮的直径为11.0cm。电动机满负机型号Y100L 2 -4荷工

12、作时配套电动机输出机械能的效率为90%，则此时防护等级IP44皮带上较大的拉力与较小的拉力的差值是多大？4若将皮带传动的效率看作 100%，共轴传动的摩擦损耗不计。试估算该型号电动木工圆锯机安装最大锯盘正常工作时，圆形锯盘所受到的木料的阻力是多大？32011 年全国 用物理知 复 2011 年第二十一届 全国初中应用物理竞赛复赛试题参考解答与评分标准 明：1. 提供的参考解答除 外，不一定都是惟一正确的。 于那些与此解答不同的解答，正确的，同 得分。2. 分 准只是按一种思路与方法 出的。 在 卷 程中会出 各种不同情况，可按照本 分 准的精神定出具体 理 法，但不要与本 分 准有 大偏离。3

13、. 答 或 算 是按照分步方法 分的。在 分 准中常常写出（ 1）式几分，（2）式几分 里的式子是用来代表步 的。若考生并未写出 个式子，而在文字表达或以后的解 程中反映了 一步 ，同 得分。没有写出任何式子或文字 明，只 出最后 果的，不能得分。4. 参考解答中的数字 果是按照有效数字的运算要求 出的，但 考生不做要求。不要因 有效数字的 而扣分。5. 在最后定 ，如果得分相同的人数超 名 ，因而 于 拔 ，可 待 卷 行加分 判。加分 判的基本依据是：（ 1）所用方法或原理不是 本所 的，具有 新性， 加分；（ 2）方法 便， 加分；（ 3）提出多种正确解法， 加分；（ 4） 卷表达 范，

14、条理清楚，能充分利用数学工具， 加分。上述各 的 行都需由 小 做出 定（省 一分配 励名 的由省决定，地、市分配 励名 的由地、市决定）。一、（ 16 分）参考答案1 血球在血 中下沉 受力情况如 答-1 所示。 2 分 血球由静止开始下沉 ，速度很小，根据f =6 Rv 可 知 ，所受的粘滞阻力也非常小，由于血 的密度 0 小于 血球的密度 ， 血球受到的浮力小于重力，所以 开始f +F 浮 G， 血球会加速下沉；随着 血球下沉速度 大，粘滞阻力增大，当f +F 浮 =G ， 血球就会匀速下沉。 4 分 答 -12当 血球在血 中匀速下沉 ，受到的几个力平衡，所以f +F 浮 =G 2 分

15、因 f =6 RvF浮 =G 排= 0V 球 g=04R3g=4032 分33g RG=mg= V球 g= 4 R3 g=4 Rg3 2 分3 3所 以 有 6 Rv+ 4 0g R 3 = 4 Rg333即 9v+20g R 2 =2 gR2 所 以 有 R=9 v2 分2(0 ) g将 =1.8 10 -3 Pas ， v= 12mm h= 1 10-5m/s，0=1.0 103kg/m3， =1.3 103kg/m3 ，3g=10N kg 代入并 算得：R = 3 10-6 m 2 分二、（ 16 分）参考答案1需要 ：W 125003600(90%-20%)t=P=50s = 84 h

16、 6分2 池板面 ：S=P板36= 1 m2 4 分=m2P阳240 15%3可供灯具 光 ：t 灯 =W12 5003600 (90%-20%)6 分P灯=80s = 52.5 h 三、（ 16 分）参考答案1略 3 分2假 人的 量 50kg， 地面受到的 ：FG人 G车m人m车 g50kg 40kg10 N / kg2 .25105Pa 3 分pSS40 10 4m2S 明：答案在（1.7 2.5） 105 Pa 的均可得分3 定功率下的 流：IP240W5A 2 分U48V4蓄 池 存的 能：E=UIt= 48V 12A 3600s = 2.07106 J 3 分5因 自行 匀速行 ，

17、所以：kE=fsskE0.8 2.07 106 J 0.754.14 104 m 3 分f30N6 点：不会排放尾气、噪音小。缺点：蓄 池使用一定 后就需更 ， 弃后的 池易 染 境。2 分四、（ 16 分）参考答案1气温低于0 ，使用后的燃气 水器中残存的水会 冰。水 冰后，密度 小，体 大， 很容易把燃气 水器 破。所以，气温低于0 使用燃气 水器后， 打开放水塞，放尽机体内存水，再 。 3 分2 型燃气 水器正常工作1min ，燃料燃 放出的 量：Q 放 =P 放 t =1610351 分W 60s = 9.6 10 J 1 min 内加 的水的 量： m= V=1kg/L 8L/min

18、 1min=8kg水温上升 t=25K=25 1min 内水吸 ： Q 吸 =cm t=4.2 103J/（kg?） 8 kg 25 = 8.4105 J 1 分燃气 水器正常工作 水的效率Q吸58.410 J100% 87.5% 2 分100%Q放9.6105 J3一次淋浴所需燃料燃 放出的 量：42011 年全国 用物理知 复 Q 放 =Pt =161032060J=1.92 107J 1 分需要完全燃 天然气的体 ：Q放71.92 10 J0.24m3 2分Vq8 107 J / m34当 水口 有水 ， 膜片的右面就会受到向左的 力，克服 簧的 力向左推 杆，打开 气 使燃气 入主火管

19、道。反之如果此 的水 很小或者无水， 膜片受到的向左的 力就会减少甚至消失，燃气 就会在 簧的 力下向右移 而关 ，停止 气。3 分5火焰燃 ，双金属片外 的金属温度升高 膨 的更多，双金属片向下弯曲，推 燃气 打开；如果因 意外的原因使火焰熄 ，双金属片的温度降低，外 金属收 的更多，双金属片向上伸直，拉 燃气 关 ，防止燃气外泄。 3 分fF五、（ 18 分）参考答案1 水器 重DNG 总 =m 净 g+水 Vg=1910N+50110N=690NG 总 水器挂在 L 形挂 上 ，其受力情况如 答-2 所示。C 答 -2因 水器静止，所以沿 直方向二力平衡，因此 L 形挂 向下的拉力F=G

20、 总 =690N 3 分因 L 形挂 静止， 水器上端所受的水平向左的拉力等于膨 螺 所受的摩擦力。以 挂架下端 ，根据杠杆平衡条件有f D= G 总 C3 分G总 C690N196mm690N1 分f196mmDR1S12由 水器的三 功率的数 关系猜 得 水器加 部分的等效 路 如 答-3 所示，R2S2其 中 加 热 管R1 的 额 定 功 率 为1000W ， 电 热 管R2 的 额 定 功 率 为1500W。2 分220V加 管的 阻分 答 -3U 2220V 248. 4R11000WP1U 222 分220V32.3R21500WP23（1）忽略加 程的 失，直接加 消耗的 能

21、：W1=Q1=cm t1=4.2 103J/(kg) 50kg (50-20 )=6.3 106J=1.75kWh下午加 的 支出 ：0.6 元 /kWh1.75kWh=1.05 元 2 分（2）早晨 8点前加 ， 支出 ：0.3 元 / kWh 1.75kWh=0.525 元加 升温 4所需 能W2=Q2=cm t2=4.2 103 J/(kg )50kg (50 -46) =8.4 105J加 升温 4所需 （ 加 功率 2500W）：T1=W2/P3=336s=5.6min（ 段加 可以忽略不 ）降温 4所需 190min ，至下午 6 点共需要三次加 ，消耗 能：W3 =3W2 =38.4 105J=2.52 106J=0.7