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2014年第二十四届初中应用物理竞赛（巨人杯）试题
1、 本题共10小题，每小题2分，共20分。以下各小题给出的四个选项中只有一个是正确的，把正确选项前面的字母填在题后的括号内。
1.汽车的观后镜是用来观察车后路面情况的装置，一般为凸面镜。正常情况下，坐在驾驶员位置的人通过左侧观后镜应该看见如图1甲所示的效果。在某次准备驾车外出前，坐在驾驶员位置的王师傅发现，从左侧观后镜中看到的是如图1乙所示的情景。为确保行驶安全，左侧观后镜的镜面应适当完成图2中的哪种操作（ ）
2.“元旦文艺会演”时，物理老师和电工师傅合作给同学们表演了一个“不怕电”的节目(注意：因该节目有危险，同学们切勿模仿)。首先电工师傅将两根导线的接头A、B分别连接到一标有“PZ220 100”的灯泡（如图3甲所示）的接线柱C、D上，闭合开关，灯泡正常发光。随后，电工师傅断开开关取下灯泡，物理老师站到干燥的木凳上，左、手两手分别抓住两导线接头A、B（如图3乙所示），此时电工师傅闭合开关，用测电笔分别测试导线接头A、B及物理老师的皮肤，发现测电笔的氖管均发光，而在这一过程中，物理老师依然谈笑自如。对以上现象的解释，你认为下列说法中正确的是（ ）
A．物理老师有“特异功能”，确实不怕电
B．物理老师的双手戴着绝缘手套
C．在人、灯替换的过程中，电源的零线被断开了
D．在人、灯替换的过程中，电源的火线被断开了
3.图4甲为一把手工的锯条，图4乙为正对着锯齿看的效果，发现它的锯齿都“东倒西歪”的侧向两侧，而不在一个平面上。其原因是（ ）
A．将锯齿做成这样的形状后，容易将锯齿打磨得更锋利
B．将锯齿做成这样的形状后，锯条承受撞击能力更强
C．锯条用得太久，锯齿被撞歪了
D．将锯齿做成这样的形状后，可以使锯口加宽，减小被锯物体对锯条的摩擦力
4．“嫦娥三号”探测器在月球表面降落时，没有使用降落伞，是因为（ ）
A．月球表面非常松软，不需要使用降落伞减速
B．距离月球表面太近，用降落伞来不及减速
C．月球表面附近没有大气，降落伞无法起到减速的作用
D．“嫦娥三号”质量太大，不易制作足够大的降落伞
5．汽车发动机在工作过程中需要冷却。图5为汽车发动机的水冷系统工作原理示意图。在汽车发动机正常工作的过程中，图5所示有关汽车发动机水冷系统中水流方向以及水泵叶轮转向的示意图中，正确的是（ ）
6．2013年6月20日我国宇航员王亚平首次进行了太空授课。图6为王亚平所做实验的一个画面，图中的水呈球状而不破裂，除了失重的原因外，还主要是因为（ ）
A．水球的外表面有一层很薄的橡皮膜
B．水球表面分子间相互作用的引力大于斥力
C．在实验用水中事先添加了某些特殊物质
D．到外太空后，水的分子结构发生了变化
7．将一只点燃的蜡烛靠近家里的镜子，会发现镜子中出现了多个蜡烛的像，如图7所示。对于这种现象，下列解释中正确的是（ ）
A．镜子的质量不好，反射面不平整
B．光经玻璃前表面和后表面发生多次反射后形成了多个虚像
C．烛焰将附近的空气加热后，由于空气密度不均匀导致的折射形成 了多个虚像
D．火焰抖动的过程中，由于视觉暂留效应形成的错觉
8．小东在观看“神舟十号”飞船发射时，想估算一下运载飞船的火箭在发射后的第一个10s内的平均速度。他上网查到运载“神舟十号”的长征二号F运载火箭全长58m。然后从网上下载了“神舟十号”发射的视频，分别截取火箭刚发射时和第10s的图片，如图8甲和图8乙所示。则火箭发射后第一个10s内的平均速度值应最接近（ ）
A．4m/s B．9m/s
C．12m/s D．15m/s
9．为了监督司机是否遵守限速规定，交管部门在公路上安装了固定测速仪。如图9所示，汽车向放置在道路中间的测速仪匀速驶来，测速仪向汽车发出两次短促的超声波信号。第一次发出信号到测速仪接收到经汽车反射回来的信号用时0.5s，第二次发出信号到测速仪接收到汽车反射回来的信号用时0.3s，若发出两次信号的时间间隔是1.1s，超声波的速度是340m/s，则（ ）
A．汽车接收到第一次信号时，距测速仪170m
B．汽车接收到第二次信号时，距测速仪102m
C．汽车的速度是34m/s
D．汽车的速度是30.9m/s
10．如图10所示的电动自行车既可以电动骑行，也可以脚踏骑行。电动骑行时，蓄电池对车上的电动机供电，电动机为车提供动力。下表是某型号电动自行车的主要技术参数。根据学过的物理知识，判断以下估算结果中合理的是（ ）
A． 电动自行车行驶过程中，电动机的工作电流保持5A不变
B． 蓄电池一次充足电，放电时可输出的电能最多约为3.5104J
C． 若蓄电池储存能量的80%用于驱动电动自行车在平均阻力为40N的水平公路上匀速行驶，蓄电池一次充电最多能连续电动行驶约41Km
D． 蓄电池一次充电后，该电动自行车最多可供电动骑行2.4h
整车
整车质量
40Kg
最高车速
30Km/h
最大噪音
62dB
蓄电池
电压
48V
容量
12Ah
电动机
额定电压
48V
额定功率
240W
二、简答下列各题（每题5分，共30分）
1. 有两只干净、透明的圆柱形玻璃杯，一只盛满不含气泡、污物的纯净水，另一只为空杯子，两只杯子的杯口都被不透明的盖子盖严了。请你说明如何只用眼睛观察判断哪只杯中装有水，并说明这样做的依据。
2. 如图11所示，位于两个电线杆之间的电线总是呈现出向下的弧线，弧线最低点与两端悬点间的水平线的距离称为垂距或称垂度。请回答：
（1） 若架设电线时所留垂距过小，你认为会有什么危害？
（2）若架设电线时所留垂距过大，你认为会有什么危害或不足？
3. 如图12甲所示，家用漏电保护器是在用电器发生漏电故障或人体触电时实施保护的设备，它的内部构造包含两个部分-------检测装置和试验电路。家庭电路漏电时，通过火线与零线的电流不相等。漏电保护器中有一检测装置（在图12乙中双虚线框内，未具体画出），当它检测到通过自身的火线和零线的电流不等时，便切断电源，起到保护作用。漏电保护器中还有试验电路，由一只开关S与一个电阻R组成，闭合开关S就能模拟漏电情形，从而检查漏电保护器工作是否正常。请在图12乙中漏电保护器的虚线框内画出试验电路。
4.“嫦娥三号”探测器主要由两大部分构成：着陆器和巡视器，其中巡视器就是我们俗称“玉兔”的月球车（如图13所示）网上有许多学生和科学爱好者问了许多关于月球车的有趣问题，你能帮他回答吗？
（1） 月球表面的某些部分土壤非常松软，而且崎岖不平，石块、陨石坑遍布。设计什么样的月球车轮才能方便它在月球表面行驶？
（2） 月球车为什么不使用减震性能更好的充气轮胎？
（3） 月球车的主要能量来源是什么？
5.如图14甲所示为一辆在田地里使用的农用四轮拖拉机，它的前轮是导向轮，后轮是驱动轮，拖拉机在工作时一般后面挂有拖车或耕地设备等。图14乙所示为一辆在仓库、机场、车站等地方常见的搬运货物的叉车，它的前轮是驱动轮，后轮是导向轮。请分别解释为什么拖拉机的前轮窄小，后轮宽大得多，而叉车的前轮宽大、后轮窄小？
6. 小明在用如图15所示的气筒给自行车轮胎打气后，发现气筒外管的温度明显比打气前升高很多，且越靠近气筒外筒的顶部的地方，温度越高。注：在用该气筒给自行车轮胎打气过程中，底座和内管不动，手柄和外管上下运动；活塞固定在内管顶部。请你分析产生这一现象的原因。
3、 （11分）科技小组的同学们设计了如图16甲所示的恒温箱温控电路（用于获得高于室温、控制在一定范围内的“恒温”），包括工作电路和控制电路两部分。其中，R’为阻值可以调节的可变电阻。R为热敏电阻（置于恒温箱内），其阻值随温度变化的关系如图16乙所示，继电器线圈电阻50Ω。
1. 如图16甲所示状态，加热器是否处于加热状态？
2. 已知当控制电路的电流达到0.04A时，继电器的衔铁被吸合；当控制电路的电流减小到0.036A时，衔铁会被释放。当调节R’=350Ω时，恒温箱内可获得最高温度为1000C的“恒温”。如果需要将恒温箱内的温度控制在最低温度为500C的“恒温”，则应将R’的阻值调为多大？、
3. 使用该恒温箱，获得最低温度为500C的“恒温”，与获得最高温度为1000C的“恒温”相比较，哪一个的温度波动范围更小？为什么？
四、（12分）如图17所示为16mm的电影放映机放电影，这种电影放映机使用宽度为16mm的电影胶片，电影中的声音以声音信号的方式刻录在电影胶片上，如图18所示。
1.电影放映机正常放映时，有关放映灯泡、放映机镜头（凸透镜）、电影胶片、反光镜（凸面镜或凹面镜）的种类及其相对位置的关系，提出了如图19所示的几种猜想，其中可能正确的是（ ）
2.有一次，电影刚开始放映时，小新发现银幕上的画面全部是倒立的。在这种情况下，下列所述的观看效果中，不可能出现的场景是（ ）
A. 人退着向后走
B. 地上的碎陶片突然聚集起来，最后形成一只漂亮的陶罐
C. 听到的是正常的影片中的对白
D. 箭倒着飞向弓箭
3. 小新看电影时，估计银幕到电影放映机的距离约为15m，银幕上的电影画面宽度约为3m。已知电影放映机所使用的16mm电影胶片中画面的宽度约为10mm。则根据以上数据可知电影放映机镜头的焦距可能为（ ）
A.52mm B.24mm C.49mm D.26mm
4. 若该16mm电影胶片的厚度H=0.14mm，片夹上密密绕了一整盘电影胶片，如图20所示，图中d和D分别表示片夹内电影胶片的内径和外径。求：
（1） 这盘电影胶片的总长度L约是多少？
（2） 若按每秒24幅画面正常放映，这盘电影胶片大约能连续正常放映多长时间？（不计片头与片尾的长度）
5、 （12分）小亮家有一辆轿车，爸爸在给他讲车的性能时，总是说“2.0的排量”，却很少说“功率”，为此小亮特地从网上查到了排量的定义：活塞上止点到下止点所通过的“工作容积”称为气缸排量。如果发动机有若干个气缸，所有气缸“工作容积”之和称为发动机排量。小亮从说明书上查到家中的轿车采用的是LFX直列四缸发动机，排量为2.0L；从网上查找到了这种轿车的输出功率与转速的关系如图21所示。
1. 根据图21分析，在发动机转速为1000～5000r/min范围内，它的输出功率与转速大致有怎样的定性关系？
2. 试通过公式推导出在其他参数相同时，轿车发动机的输出功率与其排量的关系。
3. 小亮又向爸爸询问了一些实测数据：轿车行驶的路况好，平均车速为100Km/h时，发动机的转速为2000r/min，平均油耗为9L/100Km。参考图21中的数据，分析这辆汽车在这种状态下行驶时，发动机的效率约为多少？每个做功冲程气缸气体的平均压强约是多少？（已知汽油的热值为4.6107J/Kg，密度为0.71103 Kg/m3)。
6、 （15分）小明自己设计并动手将房间里的窗帘改成电动窗帘。为此他购置了微型电动机及减速装置、电源、双刀双掷开关、滑轮、皮带、拉绳等器材，对原有的窗帘盒进行改造。
1.如图22甲所示，小明在窗帘盒（上方的双虚线框）内安装了电动装置，电动装置通过拉绳拉着窗帘一起运动。改变通过微型电动机的电流方向，就可改变其转轴转动的方向，从而将窗帘打开或关闭。利用双刀双掷开关，可以实现电源对电动机供电电流方向的改变。请你在图22甲右侧的虚线框内，完成电源、双刀双掷开关和接线柱间的电路连接。
2.电动机的转速一般很高，需要安装减速装置，如图22乙所示。请说明减速装置的减速原理。
3.下表是所使用的微型电动机的部分数据。表格中，额定功率是“电动机在额定电压和额定电流下工作时的输出功率”，堵转电流是“在额定电压下，让电动机的转轴固定不动时的电流”。
请根据表中的有关数据计算：
（1） 以额定功率运行时，该电动机的效率为多少？
（2） 电动机的额外功率主要由热损耗和机械损耗造成，请分别求出以额定功率运行时，该电动机的热损耗功率和机械损耗功率？
（3） 在图22甲中，减速装置、飞轮、皮带、滑轮、拉绳共同构成了传动装置。已知每半边的窗帘滑轨长度为1.5m，要求自动窗帘能够在6s内完全关闭到完全打开。拉动半边窗帘时，挂钩和滑轨间的平均摩擦力为2N。则安装电动窗帘时，对传动装置的机械效率有何要求？
2014年全国初中物理竞赛参考答案
一、 选择题（每小题2分，共20分）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
A
C
D
C
B
B
B
B
C
C
2、 简答题（每题5分，共30分）
（1） 透过杯子观察杯子后面较远处的物体，若看到的是正立的左右相反的物体的像，则这只杯子中装有水；（3分） （2）折射规律（2分）
2.（5分）（1）架设电线时，若所留垂距过小，当气温降低时电线收缩会拉断电线甚至将电线杆拉倒；（2分）
（2）架设电线时，若所留垂距过大，遇到大风天气，电线摆动幅度过大，容易导致电线折断；同时，电线离地面太近，容易造成事故，并且浪费材料。（3分）
3.(5分)见图答1. 与标答相同，得5分，若火线的接点在检测装置的左侧，与零线
的接点在检测装置的右侧，得4分。
4（5分）
（1）①月球车的轮子表面积做得更大，压强更小，不至于陷进松软的月壤中。②采用轮腿复合式轮子，平地靠轮子行走，遇到小的障碍可以变“轮”为“腿”，爬行越过障碍。
（2）①月球表面的昼夜温差超过3000C，橡胶不可能在如此大的温度范围内保持弹性与强度。②月球表面没有大气压，充气轮胎易爆裂。（3）①白天主要靠太阳能电池板。②夜晚主要靠锂电池和核电池（或称为核放射热源）。
（每一小问，只需答对一条就得2分，若三小问全部答对，得5分）。
5.（5分）
（1）拖拉机的前轮是导向轮，前轮窄小可以在改变方向时减小转动前轮的阻力。拖拉机在工作时后面挂有拖车或耕地设备，使得拖拉机的重心靠近后轮，后轮对地面的压力更大。后轮宽大可以减小压强，既能保护轮胎，也可以使拖拉机不会下陷到松软的田地里。（3分）
（2）叉车在搬运时货物放在前方，使得叉车的重心靠近前轮，前轮对地面的压力更大。前轮宽大既右保护轮胎，也可以减小叉车对地面的压强。（2分）
6.（5分）
（1）在用气筒给自行车胎打气的过程中，外管顶部对气筒和轮胎内的气体做功，气体内能增大，温度升高，气筒外管将热量传递到管的外壁，因此气筒外壁温度明显升高；（1分 ）
（2）因为外管越向下移动，外管的顶部气体被压缩越多，气体压强越大，移动相同距离，对气体做功越多，气体内能增大越明显，温度越高，进而导致气筒外壁上部温度比下部温度更高；（1分）
（3）外管在相对于活塞上、下运动过程中，向外传递的内能主要来自于内部被压缩的高温气体，而外筒的下部与上部相比，其与管内高温气体的接触时间较短，吸收的热量较少，因此温度较低；（1分）
（4）外管在相对于活塞向下运动过程中，在高压气体作用下，外管与活塞间的压力增大，单位长度克服摩擦力做功而转化成的内能越靠近外管顶部越多，导致气筒外壁上部温度比下部温度更高；（2分）
三、（11分）
（1）加热状态 ---------2分
（2）设控制电路中电源两端的电压为E。
由图15乙，当温度为1000C时，热敏电阻R1的阻值为500Ω -----------2分
故 E = I1（R 0 + R1 +R1’）-------------------2分
= 0.04A(50Ω+500Ω+350Ω)=36V ------2分
由图15乙，当温度为500C时，热敏电阻R的阻值为900Ω ---------1分
因此R2’=（36V/0.036）- 900Ω - 50Ω = 50Ω --------1分
（3）获得最低温度为500C的“恒温”温度波动范围更小，因为在500C附近，热敏电阻的阻值随温度的变化更显著。 ------------------1分
四、（12分）
1.A 2. C 3.C
4.这盘电影胶片绕在片夹上的横截面积
五、（12分）
1.由这台发动机输出特性曲线可以看出在发动机转速为1000~5000 r/min范围内，它的输出功率与转速大致成正比 -------------（1分）
2.设做功冲程燃气对活塞的平均压强为p0，发动机排量为V排，每个活塞的受力面积为S，活塞移动距离为L，
则 V排 = 4 S L，做功冲程中燃气对一个活塞的平均压力：F = p0 S
每完成一个工作循环，在做功冲程中燃气对一个活塞做的功：W0 = F L = p0 S L= p0 V排/4
------------2分
则每个工作循环中，四个气缸燃气对活塞做的总功：W = 4 W0 = p0 V排
每个工作循环，发动机的转轴转2圈，所用的时间t=2/n
故发动机转速为n时，燃气对活塞做功的功率：
P’ = W / t = n p0 V排 / 2 -----------2分
所以在发动机转速n、做功冲程气缸平均压强p0等参数相同时，燃气对活塞做功的功率P与发动机排量V排成正比。当发动机的效率保持不变时，发动机的输出功率P出又与燃气对活塞做功的功率P成正比，因此发动机的输出功率P出与发动机排量V排成正比。（1分）
由发动机输出特性曲线可知：发动机转速为2000r/min时，其输出功率约为30KW（取值在29~31KW范围内均可） -----------1分）
六、（15分）
1.见图答2 ---------2分
2.与输入轴固定在一起的齿轮周长小、齿数少，与输出轴固定在一起的齿轮周长大、齿数多。因此，输入轴转动很多圈才能带动输出轴转动一圈，实现减速的功能。 -----------2分
3.（1）以额定功率运行时，电动机的输入总功率
P总 = U额 I额 = 12 0.34W = 4.08W -------1分
η电动机= P额/P总= 2.15/4.08 = 52.7% ------1分
（2）电动机的内阻 r = U额 / I堵 = (12/ 1.36) Ω= 8.8Ω -------1分
以额定功率运行时，热损耗功率 P热损 = I额2r = 0.3428.8W = 1.02W----1分
机械损耗功率P机械损=P总-P额-P热损 =(4.08-2.15-1.02)W = 0.91W-----1分
窗帘运行的速度v=s/t=1.5/6(m/s)=0.25m/s -------1分
传动装置的输出功率P输出 = 2 F v = 20.252W = 1W ------2分
η传动装置 =P输出 / P输入 = 1 / 2.15 = 46.5% ---------1分
因此，要求传动装置的机械效率大于46.5%
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