2011年第二十一届全国初中应用物理竞赛复赛试卷（解析版）

一、解答题

1. 难度：中等

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ρ≈1.0×10³kg/m³，红血球的密度ρ≈1.3×10³kg/m³．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，它在血浆中下沉时所受的粘滞阻力为f=6πηRν，在室温下η=1.8×10^-3Pa•s，已知V_球=R³，试根据以上信息解答下列问题：
（1）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．

2. 难度：中等

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l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置方案．问：

风力发电机		太阳能电池组件
最小启动风速	1.0m/s	太阳能电池	36W
最小充电风速	2.0m/s	太阳能转换效率	15%
最大限制风速	12.0m/s	蓄电池	500A．h12V
最大输出功率	400W	大功率LED路灯	80W-12V

（1）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/m²，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？

3. 难度：中等

电动自行车是倍受人们青睐的一种交通工具，如图所示．其主要结构就是在原来的普通自行车的基础上，增加了电动机及供电、传动设备，它可以电动骑行，亦可以脚踏骑行．电动骑行时，蓄电池为车上的电动机供电，电动机为车提供动力；脚踏骑行时，与普通白行车相同．
下表是某型号电动白行车主要技术参数．

整车质量	40kg
最高车速	≤30km/h
最大噪声	≤62dB
电压	48V
容量	12A，h
额定电压	48V
额定功率	240W

（1）仔细观察电动自行车的构造，会发现很多地方用到了物理知识．请仿照下面的示例，再列举三处应用物理知识进行设计的事例．
示例：电动自行车的车座大而扁平，可减小压强．
答：A______B______C______
（2）当一个初三学生骑着电动自行车在平直的公路上匀速行驶时，轮胎与地面的总接触面积约为40cm²，此时路面受到的压强约为多大？
（3）电动自行车以额定功率行驶时通过电动机线圈的电流是多大？
（4）蓄电池充足电后储存的能量是多少？
（5）在蓄电池充足电后为电动机供电的过程中，当把储存能量的80%提供给电动机后就应进行充电．若电动机工作时将电能转化为对自行车输出机械能的效率为75%，电动自行车在平直的公路上匀速行驶时受到的阻力为30N，则蓄电池充一次电最多能完全依靠储存的电能连续行驶多远？
（6）从环保的角度来看，与摩托车相比，电动自行车有什么优缺点？（各列举一条）

4. 难度：中等

家用燃气快速热水器（如图1所示）是一种方便、快捷且不受天气影响的洗浴设备．下表为某品牌家用燃气快速热水器的主要技术数据．已知天然气的热值为8×10⁷J/m³，水的比热容为4.2x10³J/（kg．℃）．
（1）为安全使用此热水器，机体上印有一些警告，其中一条是这样说的：“气温低于0℃时，用后请打开放水塞，放尽机体内存水，再拧紧…”．请解释为什么要这样做？
（2）试求该型号家用燃气快速热水器正常工作时的烧水效率．
（3）若在额定产热水能力下进行淋浴，一次淋浴总计加热时间为20min，则此次淋浴至少需消耗多少天然气？
（4）为防止燃气热水器在无水或水压过低时“干烧”，技术人员设计了很多种“水气联动”装置，实现通常所说的“水到气到”．图2就是其中一种“水气联动”装置的原理图，你能看出它的工作原理吗？请简述它是如何利用“水到”来控制“气到”的．
（5）为了防止热水器工作过程中加热火焰意外熄灭导致燃气泄漏，技术人员设计了“火灭断气”的装置．如图3所示为一种“火灭断气”装置的原理图，请根据这个原理图，简述它是怎样实现“火灭断气”功能的？

生产许可证	XK00-1020044
执行标准	GB6932-2001
型号	JSD16-D8JA
燃起种类	天然气
额定燃起压强	2000Pa
额定热负荷	16kW
适用水压	0.025Mpa～0.75Mpa
额定产热水能	8L/min（△t=25K）
额定电压	3V（DC）

5. 难度：中等

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）

A	B	C	D	E	F
781	100	196	196	353	434

（二）、技术数据

额定功率/W	1000/1500/2500	额定电压/Mpa	0.8
额定电压/V	交流 220	容积/L	50
频率/Hz	50	净重/kg	19

（1）如图为安装示意图，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下拉力F及对应此时膨胀螺钉与承重墙体间的摩擦力f．
（2）这台热水器共有三挡加热功率，销售人员曾介绍说：热水器内部有两个加热管．请你根据销售人员的介绍，猜测并画出内部加热电路的主要结构（简化的等效电路图）．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，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c_水=4.2×10³J/，请帮她通过计算做出哪种方式更省钱的判断．

6. 难度：中等

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1所示为某型号电动木工圆锯机，其主要结构如图2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：

最大锯盘直径		mm	400
最大锯切厚度		mm	125
额定功率	kW	3
额定转速	r/min	1420
额定电压	V	380
额定电流	A	5.0
额定功率	Hz	50
型号	Y100L2-4
防护等级	IP44

（1）小明仔细观察圆形锯盘后发现，圆形锯盘的周边除了有齿外，还开有图9所示的很深的缝，缝的底端打有一个小圆孔，锯齿部分还比锯盘部分稍厚一些．请你从物理学的角度说说这样做的道理．
（2）该型号电动木工圆锯机正常工作时，图8中的哪一侧皮带上的拉力较大？并说明你做出判断的理由．
（3）若测得与圆形锯盘共轴安装的皮带轮的直径为9.2cm，电动机的皮带轮的直径为11.0cm．电动机满负荷工作时配套电动机输出机械能的效率为90%，则此时皮带上较大的拉力与较小的拉力的差值是多大？
（40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？