第51讲 科技活动中的物理问题-2022年中考物理二轮复习核心素养专题讲义

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专题知识概述
物理课外科技活动，涉及物理学的力、热、声、光、电、磁等各知识点及其应用。每个活动的安排，先从介绍活动目的、内容、原理入手，到具体活动的过程及要求，最后提出启发性的问题，要求活动者给出答案，并写出活动的心得体会，作出总结。全书内容具有趣味性、知识性及实用性，尤其能够启迪活动者理论与实践相结合的创新思路。将科技活动的场景和活动内容成果按照物理知识点编制成物理问题，会成为中考试题靓丽的风景线。
中考典型例题解析
【例题1】（2021北京）小丽在中国科技馆“会发电的衣服”的展台区，进行了如下探究实装：用脚踩动踏步机踏板，带动发电纤维抖动，LED灯被点亮；增大踩动踏板的速度，发现被点亮的LED灯的数目增多。请你根据小丽的实验步骤及现象。写出她所探究的问题： 。
【答案】LED 灯点亮的数目和踩动踏板的速度有关吗？
【解析】科学探究的过程：
提出问题→建立猜想和假设→设计实验→获取分析证据→得出结论→评价与交流。
观察到的现象：用脚踩动踏步机踏板，带动发电纤维抖动，LED灯被点亮；
获取分析证据：增大踩动踏板的速度，发现被点亮的LED灯的数目增多；
建立猜想和假设：LED 灯点亮的数目可能和踩动踏板的速度有关。
提出探究问题：LED 灯点亮的数目和踩动踏板的速度有关吗？
【点评】本题考查科学探究的过程，在探究过程中观察到现象，建立猜想和假设，进行验证猜想和假设，提出合理的问题。
【例题2】科技馆内有一个“静电球”，当人触摸“静电球”时，头发丝便会一根根竖起，形成“怒发冲冠”的景象，如图所示，这是由于头发丝带 （选填“同种”或“异种”）电荷而互相 的结果。
【答案】同种；排斥。
【解析】同种电荷相斥，异种电荷相吸，故据此分析即可判断。
人体是导体，当人触摸静电球时，人体也带了和静电球同种电荷的电，故人的头发上也会带上与静电球同种电荷的电，据同种电荷相斥可知，头发之间带同种电荷，相互排斥，故头发会蓬松竖起来。
【例题3】某科学兴趣小组对“测定空气中氧气含量”的实验进行了改进：将数显设备、气体压强传感器和空气中氧气含量测量装置按如图所示连接。装置气密性良好，调节右边敞口容器和集气瓶里的水而相平，此时集气瓶内气体的体积为V1．关闭活塞，点燃燃烧匙内的红磷，立即塞紧瓶塞，待火焰熄灭后，过一段时间打开活塞，观察到集气瓶中的水位上升，待集气瓶内的水面不再上升时，集气瓶内的体体积为V2．然后向右边容器内加人一定量的水至两边水面再次相平，此时集气瓶内的气体体积为V3，在点燃红磷至打开活塞这一过程中，观察到数显设备显示集气瓶内的气体压强先上升后下降，再趋于稳定。
请回答：
（1）数显设备显示，开始一段时间集气瓶内气体压强上升，这是因为温度升高导致的气压变化量 （选填”大于”、“等于”或“小于”）氧气量减少导致的气压变化量。
（2）基于数显设备显示的气压变化，“过一段时间打开活塞”中的“一段时间”指的是火焰熄灭后到 所经历的时间。
（3）在整个实验过程中，集气瓶中减少的氧气体积为 （选填“V1﹣V2“、“V1﹣V3”或“V2﹣V3“）。
【答案】（1）大于；（2）集气瓶内的温度恢复到室温后（或数显设备的示数已不变，或集气瓶内的气压保持稳定）；（3）V1﹣V3。
【解析】根据压强变化的原因来分析；根据实验中的注意事项来分析；根据参加反应的氧气来分析。
（1）实验开始时，红磷燃烧放热，由于温度升高导致的气压变化量大于氧气量减少导致的气压变化量，所以开始一段时间集气瓶内气体压强上升；
（2）在实验结束后，不要急于打开活塞，防止发生危害事故，原则上必须等到集气瓶内的温度恢复到室温后（或数显设备的示数已不变，或集气瓶内的气压保持稳定）才能打开活塞；
（3）在整个实验过程中，参加反应的氧气即为集气瓶内减少的氧气，则减少的氧气体积为：V1﹣V3。
专题问题综合训练
1．（2022山西模拟）小宇去参观科技馆，他从不同角度看到科技馆的宣传语“风舞九天，鲲鹏万里”，这是因为光发生了 反射；当他逐渐远离平面镜时．他在平面镜中所成像的大小将 （选填“变大”、“不变”或“变小”）．
【答案】漫；不变．
【解析】（1）反射分镜面反射和漫反射，平行光线入射到平而光滑反射面上，反射光线还是平行射出，这种反射是镜面反射；平行光线入射到粗糙的反射面上，反射光线射向四面八方，这种反射是漫反射．（2）根据平面镜成像特点可知，平面镜所成的像与物体大小相等．
科技馆的宣传语表面是凹凸不平的，平行光线入射到粗糙的表面上，反射光线射向四面八方，进入不同方向的人的眼睛，不同方向的人们都能看到．因此光在科技馆的宣传语表面发生漫反射．
平面镜所成的像与物体大小相等，任何情况下都遵循这一成像规律，所以当他逐渐远离平面镜时，他在平面镜中的像的大小将不变．
2.下面是两则科技新闻：①“天眼一FAST”第一次发现了一颗距地球4000光年的毫秒脉冲星；②我国新能源汽车产业发展迅速，锂电池单体能量密度已达230W•h/kg其中“光年”是 的单位，“W•h”是 的单位。（填物理量名称）
【答案】长度；能量。
【解析】光在1年中走过的路程是光年，在天文学中，用光年表示长度单位，kW•h是能量单位，W•h也是能量单位。物理学中，“光年”是光在1年中走过的路程，是长度单位；W•h是功率与时间的乘积，是能量单位。
3.如图，是某兴趣小组制作的神奇转框，框的上部中央与电池正极相连，下部紧贴在与电池负极相连的柱形物两侧，金属框就可以绕电池持续转动。据此，你认为构成柱形物的材料应具有较好的：______、______。（填物质的物理属性）
【答案】导电性 磁性
【解析】本实验的原理是通电导体在磁场中受到力的作用，据题意可知，若使线框转动，必须有电流，且有磁场，所以对于柱形体来说，必须有磁性，且必须具有导电性，即是导体。
4.某制作小组所设计的电饭锅，其结构如图所示，控制系统中的感温磁体与受热面固定在一起，当温度低于103℃时，感温磁体具有磁性。煮饭时用手向下按动开关，通过轻质传动杆AOB使永久磁体和感温磁体吸合，触点闭合，电路接通，发热板开始发热。当温度达到103℃时，感温磁体失去磁性，永久磁体受重力及弹簧的弹力作用而落下，通过传动杆使触点分开，发热板停止发热。
（1）画出使触点分开时B点受到的力和力臂。
（2）若用4N的力按下开关，B端受到的阻力为1N，则动力臂和阻力臂之比为 ，如果手按下的距离为0.5cm，则永久磁体和感温磁体之间的距离至少是 cm。
（3）用电饭锅烧水（在标准气压下），水沸腾时 （能/不能）自动断电。
【答案】（1）见解析图；（2）1：4；2；（3）不能。
【解析】永久磁体受重力及弹簧的弹力作用而落下，画出使触点分开，由此画出B点受到的力，再由画出其力臂；根据杠杆的平衡条件计算动力臂和阻力臂之比；根据功的原理计算永久磁体和感温磁体之间的距离；根据水的沸点结合感温磁体失去磁性的温度分析解答。
（1）由题知，永久磁体受重力及弹簧的弹力作用而落下，则使触点分开时B点受到的力是竖直向下的，由此画出B点受到的力，再由支点O作这个力作用线的垂线段，即为其力臂L，如图所示：
（2）若用4N的力按下开关，即动力FA=4N，B端受到的阻力FB=1N，
由杠杆的平衡条件有：FALA=FBLB，
所以动力臂和阻力臂之比：===；
由题意和图示可知，手按下开关时，B端上升的升高应等于永久磁体和感温磁体之间的距离，
由功的原理有：FAhA=FBhB，
所以永久磁体和感温磁体之间的距离：L=hB===2cm；
（3）由题知，当温度达到103℃时，感温磁体失去磁性，永久磁体受重力及弹簧的弹力作用而落下，通过传动杆使触点分开，发热板停止发热，
在标准大气压下水的沸点为100℃，则水沸腾时感温磁体不会失去磁性，故不能将触点分开而自动断电。
5.某物理兴趣小组设计了一个压力报警装置，工作原理如图所示。ABO为一水平杠杆，OA长120cm，O为支点，AB：OB=5：1；已知报警器R0的阻值恒为10Ω，压力传感器R固定放置，R的阻值随所受压力F变化的关系如表所示。闭合开关S，水平踏板空载时，电压表的示数为2V；当水平踏板所受压力增大，电压表示数达到5V时，报警器R0开始发出报警信号。踏板、压杆和杠杆的质量均忽略不计。求：
（1）电源电压为多少？
（2）当报警器开始报警时，踏板设定的最大压力值为多少？
（3）若电源电压变为14V，为保证报警器仍在踏板原设定的最大压力值时报警，应在杠杆上水平调节踏板触点B的位置。试计算说明触点B应向哪个方向移动多少厘米？
【答案】（1）电源电压为11V；
（2）当报警器开始报警时，踏板设定的最大压力值为150N；
（3）若电源电压变为14V，为保证报警器仍在踏板原设定的最大压力值时报警，应在杠杆上水平调节踏板触点B的位置，触点B应该向左移动8cm。
【解析】由图乙可知当踏板空载时，压力传感器的电阻为45Ω，闭合开关时，压力传感器和报警器串联，根据欧姆定律求出电流，再求出电源电压；电压表示数达到5V时，报警器R0开始发出报警信号，根据欧姆定律求出电流，再求出压力传感器两端的电压，根据欧姆定律求出压力传感器的阻值，从图象中找出压力值，再根据杠杆平衡条件求出踏板设定的最大压力值；电源电压升高时，R0两端分得的电压增大，为保证报警器仍在踏板原设定的最大压力值时报警，应减小R0两端的电压，根据杠杆的平衡条件判断踏板触点移动的方向。
若电源电压变为14V，为保证报警器仍在踏板原设定的最大压力值时报警，电路中的电流仍变为0.5A，根据欧姆定律算出R的电电阻，从表格中判断出压力F，据杠杆平衡条件求出OB的长度，判断出移动的距离。
（1）闭合开关时，压力传感器R和R报警器R0串联，电压表测报警器R0两端的电压，
由表格数据可知，当踏板空载时（F=0N），压力传感器的电阻为R=45Ω，R0=10Ω，电压表的示数为2V，
此时电路中的电流：I===0.2A，
电源电压为：U=I（R+R0）=0.2A×（10Ω+45Ω）=11V；
（2）报警器R0开始发出报警信号时，其电压为U0′=5V，
此时电路中的电流：I′===0.5A，
传感器两端的电压：U传=U﹣U0′=11V﹣5V=6V，
此时传感器的阻值：R′===12Ω，
由图象可知，当传感器的阻值为12Ω时，对应的压力F压=25N，
由题知，ABO为一水平杠杆，O为支点，AB：OB=5：1，则OB=OA=×120cm=20cm，
根据杠杆平衡条件可得：F压×OA=F踏×OB，即25N×6=F踏×1，
解得F踏=150N，即踏板设定的最大压力值为150N；
（3）若电源电压增大变为14V时，R0两端分得的电压增大，根据串联电路的分压特点可知，应增大压敏电阻分担的电压，保证R0两端分得的电压不变，此时就应该增大压敏电阻的阻值；
因压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，所以应该减小压杆对传感器的压力，由杠杆平衡条件F压×OA=F踏×OB可知，OA不变，F踏不变，所以F压和OB成正比，要减小压杆对传感器的压力，应减小OB，即把踏板触点B向左移动。
若电源电压变为14V，为保证报警器仍在踏板原设定的最大压力值时报警（即电压表示数仍然为5V），电路中的电流仍为0.5A；
报警时压力传感器的电阻：R″===18Ω；
由图象可知，当传感器的阻值为18Ω时，对应的压力为F压′=15N，
根据杠杆平衡条件可得：F踏×OB′=F压′×OA，即150N×OB′=15N×1.2m，
解得OB′=0.12m=12cm；
移动的距离：s=OB﹣OB′=20cm﹣12cm=8cm，
故触点B应该向左移动8cm。
6.小宇给家里楼顶的水箱制作了一个自动加水装置，初步设计如图所示，将两个完全相同的实心圆柱体A、B通过细线与一压力传感开关相连，吊在水平放置的圆柱形水箱中，已知每个圆柱体重为6N，底面积为50cm2．当水箱储水深度降到10cm，圆柱体B一半浸在水中时，压力传感开关所受拉力达到10N，其闭合开始加水。（细线质量与体积均忽略不计，g取10N/kg）请求：
（1）刚开始加水时，水箱底部所受水的压强。
（2）圆柱体的密度。
（3）当水箱储水深度达到1.5m时，压力传感开关所受拉力为5N，其断开停止加水，求应设计A、B间细线的长度。
【答案】（1）刚开始加水时，水箱底部所受水的压强1×103Pa；
（2）圆柱体的密度1.5×103kg/m3；
（3）A、B间细线的长度1.3m。
【解析】知道水的深度，根据p=ρ水gh求出水箱底部所受水的压强；根据题意求出圆柱体B受的浮力，再根据F浮=ρ水gV排求出圆柱体B浸在水中的体积，进而求出圆柱体B的体积，再根据G=mg=ρgV求出圆柱体的密度；当水箱储水深度达到1.5m时，压力传感开关所受拉力为5N，求出此时AB受到的浮力，进而求出AB浸在水中的体积，再求出浸入水中的深度，再求AB浸入水中增加的深度，进而求出A、B间细线的长度。
（1）刚开始加水时，水的深度h=10cm=0.1m，
水箱底部所受水的压强：
p=ρ水gh=1×103kg/m3×10N/kg×0.1m=1×103Pa；
（2）圆柱体B一半浸在水中时，压力传感开关所受拉力达到10N，
把2个圆柱体看作一个整体，受向上的浮力、向上的拉力和向下的总重力，
由力的平衡条件可得：F浮+F拉=G，
此时圆柱体B受的浮力：
F浮=G﹣F拉=2×6N﹣10N=2N，
由F浮=ρ水gV排得，圆柱体B浸在水中的体积：
V排===2×10﹣4m3，
由题知，此时圆柱体B一半浸在水中，
则圆柱体B的体积：V=2V排=2×2×10﹣4m3=4×10﹣4m3，
由G=mg=ρgV得，圆柱体密度：
ρ===1.5×103kg/m3；
（3）当水箱储水深度达到h2=1.5m时，压力传感开关所受拉力为5N，
此时AB受到的总浮力：
F浮′=G﹣F拉′=2×6N﹣5N=7N，
由F浮=ρ水gV排得，AB浸入水中的总体积：
V排′===7×10﹣4m3，
圆柱体的底面积为50cm2=5×10﹣3m2，
AB浸入水中的总深度：
hAB===0.14m，
当水深为h1=10cm时，B浸入水中的深度：
hB===0.04m，
则AB浸入水中增加的深度：
△h=hAB﹣hB=0.14m﹣0.04m=0.1m，
AB间细线的长度：
h=h2﹣h1﹣△h=1.5m﹣0.1m﹣0.1m=1.3m。
7.在综合实践活动中，科技小组设计了一个能反映水平风力大小的装置，如图甲所示，电源电压恒为16V，R0为定值电阻，L为额定电压是2.5V的小灯泡，其I﹣U关系的部分数据如图乙所示，AB为长14cm、阻值60Ω粗细均匀的电阻丝（电阻丝的阻值与长度成正比），OP为质量、电阻均不计的金属细杆，下端连接一个重2N的圆球P．闭合开关S，无风时，OP下垂并与A端接触，此时电流表示数为0.2A；有风时，OP绕悬挂点O转动，风对球的作用力F方向始终水平向右，已知OA为10cm，OP始终与AB接触良好且无摩擦；求：
（1）电流表示数为0.2A时，灯泡的电阻为 Ω；
（2）无风时R0消耗的电功率。
（3）为保护电路，允许风对球施加的最大作用力。
【答案】（1）5；（2）无风时R0消耗的电功率为0.6W。
（3）为保护电路，允许风对球施加的最大作用力为1.4N。
【解析】（1）由图可知，灯泡、定值电阻R0和电阻丝串联；
因串联电路电流处处相等，所以，当电流表示数为0.2A时，通过灯泡的电流为0.2A，
由图乙可知此时灯泡两端的电压为1V，
则根据I=U/R可得，灯泡的电阻：RL===5Ω；
（2）无风时，OP下垂并与A端接触，电阻丝接入阻值最大为60Ω，
根据I=U/R可得，电阻丝两端的电压：UAB=IRAB=0.2A×60Ω=12V，
根据串联电路中总电压等于各分电压之和可得，R0两端的电压：
U0=U﹣UL﹣UAB=16V﹣1V﹣12V=3V，
则此时R0消耗的电功率：P0=U0I=3V×0.2A=0.6W；
（3）根据I=U/R可得R0的阻值：R0===15Ω；
由于灯泡的额定电压为2.5V，则电路中最大电流等于灯泡正常工作时的电流，由图乙可知最大电流为I′=0.3A，此时风对球的压力最大，OP绕O转动的角度最大，设此时OP与AB的接触点为C，
则根据欧姆定律可得，R0两端的电压：U0′=I′R0=0.3A×15Ω=4.5V，
因串联电路中总电压等于各分电压之和，
所以RBC两端的电压：
UBC=U﹣U额﹣U0′=16V﹣2.5V﹣4.5V=9V，
根据I=U/R可得此时电阻丝连入电路的电阻：
RBC===30Ω；
由于电阻丝的电阻与电阻丝的长度成正比，则：=，
所以，BC=×AB=×14cm=7cm，
则AC=AB﹣BC=14cm﹣7cm=7cm，
如右图，把OP视为一根杠杆，F的力臂为OD，G的力臂等于PD，
根据杠杆平衡条件可得：
F×OD=G×PD，则：=；
由于△OAC∽△ODP，根据相似三角形的知识可得：=，
所以，=，
则：F==×2N=1.4N。
8.（2021江苏连云港）4月体育中考训练结束后，同学们一般会接半杯冷水和半杯热水混合成温水来饮用。一天，小明和小华在同一饮水机上接水饮用时，小明的嘴被烫了。小华很纳闷:为什么同样是半杯冷水和半杯热水混合，我的水不烫嘴，而小明的水却烫嘴呢?为此他们成立了研究小组，展开了相关的探究活动。
（1）小明重复刚才的过程，接满一杯水。针对烫嘴现象，应该用温度计测量杯中__________（选填“A”、“B”或“C”）区域水的温度。
（2）研究小组猜想了发生烫嘴现象的可能因素:①不同材料的水杯②同学排队接水的先后次序③接冷、热水的先后顺序，并进行了初步的探究。实验记录如下表：
通过表格分析，“不同材料的水杯”__________（选填“是”或“不是”）影响水温的主要因素。
（3）研究小组完成实验后对“冷、热水混合产生不同现象的原因”进行了更深入的讨论。他们查阅资料知道:温度高于4℃时，。所以将半杯热水刚倒人半杯冷水中时，相当于_________。
A.石块在水中的下沉过程
B.木块漂在水面上的漂浮状态
C.鸡蛋在适度浓盐水中呈现的悬浮状态
（4）通过上面的研究，为了防止烫嘴，应先接__________（选填“冷水”或“热水”）。
【答案】（1）A （2）不是 （3）B （4）热水
【解析】考点是内能
（1）因喝水时，喝到的是上半部分的水，所以应该测量A处的水温；
（2）因不同材料的水杯和同学排队接水的先后次序得到的结论是温度变化不大，故“不同材料的水杯”不是影响水温的主要因素；
（3）因为水温高于4℃时，水的密度随温度升高而减小，故热水密度小于冷水的密度，故相当于木块漂浮在水面上，选B；
（4）由上面的结论可以知道，应先接热水。
9. （2022山西模拟）如图所示，是创新小组设计的汽车油量显示仪的电路原理图，其中电源电压恒定为6V，定值电阻R0为5Ω，油量表实质上是量程为0~3V的电压表。R为压敏电阻，其电阻值与油箱中油量的关系如下表所示。下列说法中正确的是( )
A. 油箱中油量增多时，压敏电阻R的阻值变大
B. 电压表示数为3V时，油箱中的油量为50L
C. 油箱中油量为20L时，R0两端的电压为1.5V
D. 油箱中油量减少时，电路消耗电能的总功率变大
【答案】C
【解析】A.由表格中的数据可知，油箱油量增多时，压敏电阻R的阻值变小，故A错误；
B.由图可知，该电路为串联电路；电压表测量定值电阻两端的电压；电压表示数为3V时，根据串联电路电压特点可知，压敏电阻两端的电压为6V-3V=3V；根据串联电路的分压特点可知，电阻相同，分担的电压相同，故压敏电阻此时的阻值为5Ω，故箱中的油量为40L，故B错误；
C.油箱中的油量为20L时，压敏电阻的阻值为15Ω，总电阻为：；此时电路中的电流为：；R0两端的电压为：U'=IR0=0.3A×5Ω=1.5V，故C正确；
D.油箱中油量减少时，压敏电阻阻值变大，根据欧姆定律可知，电路中的电流减小，根据P=UI可知，电路消耗电能的总功率变小，故D错误。
10. （2022山西模拟）在物理综合实践活动中，小明和小亮合作测量电磁灶的加热效率。他们关闭家中的其他用电器，只让电磁灶接入电路中烧水，水的质量为2kg。小明负责观察电能表(如图)，小亮负责用温度计测量水的温度。5min电能表上的转盘转了200r，水的温度恰好升高了50℃。求解下列问题：
(1)水吸收的热量是多少？[]
(2)电磁灶的实际功率是多少？
(3)电磁灶烧水的效率是多少？
【答案】4.2×105J 2000W 70%
【解析】（1）知道水的质量、温度变化以及比热容，根据求出水吸收的热量；
水吸收的热量
；
（2）1200r∕kW•h表示用电器每消耗1kW•h电能，电能表表盘转动1200圈，据此求出转200r消耗的电能，根据P=Wt求出2min中电水壶实际功率。
电磁灶消耗的电能
，
电磁灶的实际功率
；
（3）根据效率公式计算出效率。
电磁灶烧水的效率
。
11．（2020山西）如图是小亮设计的“挂钩式电子秤”的电路原理图。电源电压恒定，为定值电阻，为滑动变阻器，滑片与挂钩固定在一起。不挂物体时，滑片在最上端。挂上物体时，滑片随挂钩向下移动。在电子秤量程范围内，则
A．不挂物体时，电压表示数为电源电压
B．所挂物体越重，电流表示数越大
C．所挂物体越轻，电路消耗的总功率越大
D．所挂物体重量发生变化，电压表示数与电流表示数的比值不变
【答案】C
【解析】由图知，定值电阻、滑动变阻器串联，电压表测变阻器两端的电压，电流表测电路中的电流；、不挂物体时，滑片在最上端，变阻器连入电路的电阻为0，则电压表示数为0，故错误；、所挂物体越重，滑片向下移动的距离越大，变阻器连入电路的电阻越大，总电阻越大，由欧姆定律可知电路中的电流越小，即电流表示数越小，故错误；、同理可知，所挂物体越轻，变阻器连入电路的电阻越小，总电阻越小，由欧姆定律可知电路中的电流越大，根据，电路消耗的总功率越大，故正确；、所挂物体重量发生变化时，变阻器连入电路的电阻发生变化；由欧姆定律可知，电压表示数与电流表示数的比值不变等于变阻器连入电路的电阻，所以该比值会发生变化，故错误。
F/N
0
5
10
15
20
25
30
…
R/Ω
45
34
24
18
14
12
10
…
影响因素
不同材料的水杯
同学排队接水的先后次序
接冷、热水先后顺序
温度变化
变化不大
变化不大
变化明显