物理竞赛电、热辅导

2014级物理竞赛热、电综合辅导(一）1、（12年）小明看到一句农谚：“下雪不冷化雪冷”。他很好奇，想具体了解一下冰雪熔化时究竟要吸收多少热量。于是查找了资料，知道“熔化热”的定义是：单位质量的某种晶体，在熔化成同温度的液体时吸收的热量，叫做这种晶体的熔化热。他想用实验测量一下冰的熔化热，于是找来了一些实验器材：一架天平和配套的砝码、一支实验室温度计（0~100℃）、一个有密封盖子的保温桶、一个小烧杯、一把镊子和一个专门用来在冰箱中冻小冰块的塑料冰格，又观察到家里的冰箱面板上显示冷冻室温度恒为-18℃。请帮助小明设计一个用这些器材粗测冰块熔化热的方案，要求写出实验的步骤和用测量的物理量计算冰的熔化热λ的表达式(水和冰的比热容分别用C水和C冰表示)。2、(12年)长期以来，我国北方地区城镇居民的冬季采暖计量一般都按住宅面积收费，导致用户节能意识差，造成严重的资源浪费。作为建筑节能的一项基本措施，近几年部分地区试点以热量表作为计量收费的依据和手段，经测算可节能约20%~30%。172如图2所示，一个完整的热量表由以下三个部分组成：一只液体流量计，用以测量经热交换的热水流量；一对用铂电阻制作的温度传感器，分别测量供暖进水和回水温度；一低功耗的单芯片计算机，根据与其相连的流量计和温度传感器提供的流量和温度数据，利用热力学公式可计算出用户从热交换系统获得的热量，通过液晶显示器将测量数据和计算结果显示出来。172教学网以下是某用户家中的热量表的部分参数，已知水的比热容取4.2×l03J/(kg·C)，天然气进水回水测温三通水量调节阀热量表热量表热量计量系统组成用户图2的燃烧值约为8×107J/m3。最大流量/m3h-12.5测温范围/℃4~100温差范围/K2~50最大水压/MPa1.6电源3.6V2Ah电源寿命≥5年（1）试通过以上数据计算该型号热量表能测量的最大供热功率是多少？（2）在一次要查看热量表记录情况时，通过逐次点按计量表上的信息显示按钮，液晶显示器逐项显示出了下列数据：根据这些数据推算，求此次查看时该用户家平均每小时从暖气中得到的热量约为多少J？到此次查看时为止，该用户从这套供暖系统得到的总能量相当于完全燃烧了多少m3的天然气？(3)如果出现大风降温天气，住宅通过外墙散热的速度会加大。从原理分析，应该在家中怎样调节，才能保持室内温度不出现明显下降。(4)这种型号的热量表平均耗电功率不超过多大?(5)2010年国家将逐渐在全国推广使用供热分户计量。假设某城区在未使用热量表计费时，一年热力公司共消耗天然气40亿立方米，现有30%的用户使用热量表，在使用后平均每户节能20%。按此情况计算，这些使用热量表的用户一年可节约多少天然气?172教供水温度：52.5℃回水温度：49.7℃瞬时流量：0.777m3/h累计热量：46235.67kW·h工作时间：19104h46min3.（12年）应急照明灯是在正常照明电源发生故障时，能持续照明而不间断工作的一类灯具，如图6所示。应急照明灯主要由灯泡(或LED灯珠)、蓄电池、充电器、自动控制电路及相关部件组成。在照明电源正常情况下，应急照明灯通过充电器给蓄电池充电，此时，自动控制电路及相关部件自动将灯泡(或LED灯珠)与蓄电池断开不发光。当照明电路突然停电时，应急照明灯通过自动控制电路及相关部件自动把灯泡(或LED灯珠)跟蓄电池接通，从而实现自动应急照明。下表为某型号应急照明灯的主要技术数据：1．在该型号应急照明灯刚投入使用阶段，待蓄电池充满电后，可以实现的最长连续应急照明时间为多少?2．小兰跟老师提出自己要设计并组装一只简易的应急照明灯。老师告诉她实验室现有以下器材：双孔插座及与之配套的插头1套、小灯泡〈额定电压：DC3.0~3.4V，额定电流：350mA)4只、电磁继电器（额定电压：DC6V；额定电流：0.15A）1套及与之配套的低压直流电源(输入电压：AC220V，输出电压：DC6V)1台、蓄电池(两端电压：6V)1只及与之配套的充电器(输入电压：AC220V，输出电压：DC6.3V)1只、导线(足量).如图7所示。(1)请你帮助小兰在图7上完成简易应急照明灯的接线。要求如下：1①家庭电路正常工作时，充电器自动给蓄电池充电，各灯泡均不发光；1②当家庭电路停电时，蓄电池自动给各灯泡供电，使各灯泡均正常发光，且在一盏小灯炮灯丝烧断后还应该有部分小灯泡能正常工作；(2)小明看到小兰的连接电路后，认为可以去掉低压直流电源，而将电磁铁的两个接线柱直接接在充电器的输出端。请分析这样做不可行的原因。图64.(13年)图6甲是小明家的调温电熨斗,额定电压为220V,其电热丝的额定功率为800W,图6乙是其原理图。1.小明为了摘明白电熨斗的工作原理,专门查阅了相关资料,得知:(l)双金属片是把长和宽都相同的铜片和铁片紧紧地粘在一起做成的。受热时,由于铜片膨胀得比铁片明显,双金属片便会向铁片一侧弯曲。(2)调温电熨斗的双金露片位于金属底板上方附近。请回答:调温电熨斗在工作过程中是如何实现金属底板温度基本恒定的?如果想提高金属板的设定温度，应将升降螺丝向上移动还是向下移动？2.小明在使用电熨斗时发现,室温不变,设定温度越高,每1min电熨斗的工作指示灯亮的时间越长;进一步研究又发现,当设定温度不变,环境温度越低,每1min电熨斗的工作指示灯亮的时间越长。小明查阅资料得知,其他条件相同,两个物体间温度差不太大的情下散热速度与温度差成正比。小明为了探究该电熨斗的散热速度和电熨斗底板与环境温度差的关系,在电熨斗底板已经达到设定温度后将其竖直放置处于等待状态的情况下，通过实验得到如下数据：电熨斗每1min工作时间t/s151821242730电熨斗底板与环境温度差Δt/0C100120140160180200假定电熨斗每1S散发的热量为Q，请你帮助小明写出Q与Δt的关系式。3.利用第2问的结果回答:如果使用该电熨斗在温度为200C的房间熨烫毛料西服,要求电熨斗表面温度约为1800C.问该电熨斗表面温度已经达到要求,在竖直放置处于等待状态的情况下,电热丝每1min内将消耗多少电能?5、(2012·宜宾)如图所示，是小明同学为宜宾港设计的一个货物运送装罝图，其中，AB是长L=10m的传送带，BC是平台，AB两端的高度差h=2.5m，传送带在电动机M的带动下顺时针匀速转动．现有一质量m=547.2kg的货物，从A端随传送带一起匀速地被运送到平台BC上，传送带运行的速度v=4m/s．由于轮轴等方面的摩擦，电动机输出功（转化为物体的机械功）的效率η=80%，电动机允许通过的最大电流为25A．取g=10N/kg求：（1）要使该货物从A端运送到B端，电动机需工作多少时间？（2）货物从A端运送到B端，需克服重力做多少功？电动机的输出功率是多大？（3）如果电动机接在电压U=380V不变的电源上，电动机中线圈的电阻r=1.9Ω，在把货物从A端运送到B端的过程中，电动机消耗的电能是多少？6.(13年)目前市场上有一种热水器叫做“空调热水器”，又名“冷气热水器”顾名思义，就是可以同时提供空调制冷和热水供应的热水器，其最大的好处是相比传统的电热水器和燃气热水器，这种热水器非常节能。其原理与普通的空调相似，如图7所示。1.根据图7简述这种热水器的工作原理。2.以下为某种品牌的三种型号“空调热水器”的测定参数(在环境温度200C,进水温度200C时测定)型号ABC额定/最高出水温度(0C)55/60输入功率(kW)1.21.72.8电源220/50Hz热水产率(L/h)Δt=35±10C)120170280环境温度范围(0C)-10～50请根据上表数据计算或分析:(1)根据型号A的热水产率,计算说明为什么这种“空调热水器”比传统的电热水器更节能(水的比热容C水=4.2×103J/kg0c);(2)这种热水器有一种性能参数叫做“能效比”其定义为:当水吸收Q的热量,电流所做的功为W时,能效比η=Q/W。A型热水器的能效比为多少?(3)若B型与其他两种型号的能效比相同,而出水温度只要求达到450C时,它的实际热水产率会是多少?东辰初2014级物理竞赛热、电综合辅导(一）参考答案1、实验步骤：（1）用调好的天平测量小烧杯的质量m1；……………………………………………2分（2）用小烧杯盛取足量的水，再用天平测量小烧杯和水的质量m2；………………2分（3）将水倒入保温桶内，用温度计测量水的温度t1；…………………………………2分（4）提前较长时间将用冰格盛适量水放在冰箱冷冻室里冻成冰块，用镊子取适量冰块放在小烧杯中，迅速用天平测量出基总质量m3后，立刻将冰块倒入保温桶内的水中，盖紧桶盖；……………………………………………………………………………………………3分（5）轻轻摇晃保温桶使水温均匀，并仔细听声音，能听出冰块熔化完毕后，打开桶盖，用温度计测出保温桶内水的温度t2。………………………………………………………3分2、冰块的熔化热的表达式为：1313213211218)()())((mmCmmctmmcttmmc冰水水…………………………4分2、解：（1）该型号热量表能测量的最大供热功率maxmaxmaxmaxmaxmaxcmtcVtQPttt水水水333354.210J/(kgC)10kg/m2.5m50C1.4610W3600s…………………4分（2）平均每小时从暖气中得到的热量QcmtcVt水水水333364.210J/(kgC)10kg/m0.777m(52.5-49.7)C=9.1410J…………4分相当于完全燃烧天然气的体积为：637346235.673.610J2081m810J/m…………2分（3）分析原理可知，为了提高房间内暖气片放出热量的速度，只需调节“水量调节阀”，加大热水瞬时流量即可。…………………………………………………………2分（4）热量表的耗电功率为43.6V2A3600s1.610W5365243600sWUQPtt电…………………………2分（5）相当于节约的天然气体积为4×109m3×30%×20%=2.4×108m3………………2分3、（1）.由该型号应急照明灯的主要技术数据可知，其所用灯泡的额定电压为2.4V，其蓄电池两端的电压也是2.4V；由此可知，两只灯泡应并联。……2分单只灯泡正常发光时的电流：0.96W0.4A2.4VLLLPIU……2分干路中的总电流：220.4A=0.8ALII………1分即蓄电池对外供电电流为：I=0.8A…………1分蓄电池充满电后，可以实现的最长应急照明时间：1.8h=2.25h0.8QtI…2分（2）．简易应急照明灯的接线如图答2所示。…………6分说明：上述电路图的6分具分布如下：①电磁继电器的电磁铁应接于低压直流电源的输出端。…2分②充电器给蓄电池充电时应注意蓄电池的正负极。……2分③为了保证各小灯泡正常工作，应如图连接。……2分若四个小灯泡接成先并联后再串联，扣1分。（2）若将电磁铁的两个接线柱直接接在充电器两端，当家庭电路正常工作时，电磁铁有磁性，吸引衔铁下移，接通蓄电池充电电路，充电器给蓄电池充电；……2分当家庭电路停电时，蓄电池与电磁铁构成通路，电磁铁依然保持磁性，蓄电池无法为小灯泡供电，小灯泡不能发光。……………2分4、5、解：（1）要使该货物从A端运送到B端，电动机需要工作的时间：t=vL=smm/410=2.5s····················（2分）（2）货物从A端运送到B端，需要克服重力做功：W有=Gh=mgh=547.2kg×10N/kg×2.5m=13680J···················（2分）η=输出有输出=有W=%8013680J=17100J···················（1分）P输出=t输出W=sJ5.217100=6840W···················（1分）（3）