1、1专题 15 新情景问题一选择题1. （2019 浙江联考）风能是可再生资源中目前发展最快的清洁能源，风力发电也是具有大规模开发和商业化发展前景的发电方式，近年来，我国风电产业规模逐渐扩大，已成为能源发展的重要领域，在风电技术发展方面，由于相同风速时发电功率的不同，我国目前正逐步采用变桨距控制风力发电机替代定桨距控制风力发电机，来提高风力发电的效率，具体风速对应的功率如图乙所示，设甲图中风力发电机每片叶片长度为 30m，所处地域全天风速均为 7.5m/s，空气的密度为 1.2kg/m3，圆周率 取 3.14，下列说法不正确的是 A. 变桨距控制风力发电机将风能转化成电能的效率为 52%B. 用
2、变桨距控制风力发电机替换定桨距控制风力发电机后，每台风力发电机每天能多发电 7200kW/hC. 无论采用变桨距控制风力发电机还是定桨距控制风力发电机，每台发电机每秒钟转化的空气动能均为7.69105JD. 若煤的热值为 3.2107J/kg，那么一台变桨距控制 风力发电机每小时获得的风能与完全燃烧 45kg 煤所产生的内能相当【参考答案】D【名师解析】设在时间 t 内发电机获得的风能为 Ek，则 Ek=12mv2，由于 m=V =r 2vt，所以 Ek=12mv2=7.69105tJ，故变桨距控制风力发电机将风能转化成电能的效率为：= kPtE100%=52%，选项A 正确；由图象可知，当风
3、速为 7.5m/s 时，变桨距控制风力发电机的功率为 P1=400kW，定桨距控制风力发电机的功率为 P2=100kW，所以每台风力发电机每天能多发 电：E=( P1-P2)t=（400-100）24kWh=7200kWh，选项 B 正确；由于 t 时间进入风力发电机空气的动能为 Ek=7.69105tJ，所以每台发电机每秒钟转化的空气动能均为 7.69105J，选项 C 正确；完全燃烧 45kg 煤所产生的内能：2E=qm=3.210745J=1.44109J，一台变桨距控制风力发电机每小时获得的风能为：E k=7.691053600J =2.7109J，故一台变桨距控制风力发电机每小时获得
4、的风能与完全燃烧 45kg 煤所产生的内能不相当，选项 D 不正确。此题答案为 D。2. （2019 山东济南长清一中检测）超级高铁是一种以“真空钢管运输”为理论核心的交通工具，因其胶囊形外表，被称为胶囊高铁。2017 年 8 月 29 日，中国航天科工公司在武汉宣布，已启动时速 1000 公里“高速飞行列车”的研发项目。如果我国的 “高速飞行列车 ”研制成功，最高时速 1080 km/h，其加速与减速时加速度大小恒为 2 m/s 2，据此可以推测（ ）A. “高速飞行列车”加速时间为 540 sB. “高速飞行列车”的加速位移为 22.5 kmC. “高速飞行列车”的速度很大，所以拐弯时半径
5、可以很小D. 北京到上海的距离约为 1080 km，假设轨道为直线，“高速飞行列车”一个小时即可到达【参考答案】B3.（2019 贵州铜仁一中期末）女航天员王亚平在“天宫一号”目标飞行器里通过一个实验成功展示了失重状态下液滴的表面张力引起的效应 在 视频中可观察到漂浮的液滴处于相互垂直的两个椭球之间不断变化的周期性“脉动”中 假设液滴处于完全失重状态，液滴的上述“脉动”可视为液滴形状的周期性微小变化振动 ，如图所示 已知液滴振动的频率表达式为 ，其中 k 为一个无单位的比例系数， r为液滴半径， 为液体密度， 为液体表面张力系数 其单位为 ， x 是待定常数 对于待定常数 x 的大小，下列说法
6、中可能正确的是 3A. B. C. 2 D. 【参考答案】 B故选： B4（2019 四川天府大联考）在研发无人驾驶汽车的过程中，对比甲乙两辆车的运动，两车在计时起点时刚好经过同一位置沿同一方向做直线运动，它们的速度随时间变化的关系如图所示，由图可知 A. 甲车任何时刻加速度大小都不为零B在 t=3s 时，两车第一次相距最远C在 t=6s 时，两车又一次经过同一位置D甲车在 t=6s 时的加速度与 t=9s 时的加速度相同【参考答案】B【名师解析】根据速度图像斜率表示加速度可知，甲车在从增大转为减小的时刻加速度为零，选项 A 错误；根据速度图像面积表 示位移可知在 t=3s 时，两车第一次相距
7、最远，选项 B 正确；在 t=6s 时，两车又一次速度相等，不是经过同一位置，选项 C 错误；甲车在 t=6s 时的加速度与 t=9s 时的加速度方向相反，不可能相同，选项 D 错误。4二计算题1.（2019 北京东城期末）人类总想追求更快的速度，继上海磁悬浮列车正式运营，又有人提出了新设想“高 速飞行列车”，并引起了热议 如图 1 所示，“高速飞行列车”拟通过搭建真空管道，让列车在管道中运行，利用低真空环境和超声速外形减小空气阻力，通 过磁悬浮减小摩擦阻力，最大时速可达 4 千公里我们可以用高中物理知识对相关问题做一些讨论，为计算方便，取“高速飞行列车” 以下简称“飞行列车” 的最大速度为
8、；取上海磁 悬浮列车的最大速度为 ；参考上海磁悬浮列车的加速度，设“飞行列车”的最大加速度为 若“飞行列车”在北京和昆明 距离取为 之间运行，假设列车加速及减速 运动时，保持加速度大小为最大值，且功率足够大，求从北京直接到达昆明的最短运行时间 t列车高速运行时阻力主要来自于空气，因此我们采用以下简化模型进行估算：设列车所受阻力正比于空气密度、列车迎风面积及列车相对空气运动速率的平方；“飞行列车”与上海磁悬浮列车都采用电磁驱动，可认为二者达到最大速度时功率相同，且外形相同 在上述简化条件下，求在“飞行列车”的真空轨道中空气 的密度 与磁悬浮列车运行环境中空气密度 的比值若设计一条线路让“飞行列车
9、”沿赤道穿过非洲大陆，如图 2 所示，甲站在非洲大陆的 东海岸，乙站在非洲大陆的西海岸，分别将列车停靠在站台、从甲站驶向乙站 以最大速度 、从乙站驶向甲站 以最大速度 三种情况中，车内乘客对座椅压力的大小记为 、 、 ，请通过必要的计算将 、 、 按大小排序 已知地球赤道长度约为 ，一天的时间取 【名师解析】 列车以最大的加速度加速到最大速度的位移：5由于 ，所以列车在加速到速度最大后，还需要匀速运动一段时间，然后再做减速运动；加速阶段的时间与减速阶段的时间是相等的，为： 匀速运动的时间为：所以运动的最短时间：代入数据得：地球赤道上的物体因地球的自转而具有一定的速度，其大小为：三种情况下，乘客
10、相对于地心的速度分别为： ；设座位与人之间的相互作用力为 F，地球对人的万有引力为 ，则： 由该公式可知， 答： 从北京直接到达昆明的最短运行时间是 3250s；在“飞行列车”的真空轨道中空气的密度 与磁悬浮列车运行环境中空气密度 的比值是 1：10006、 、 按大小排序为 【方法归纳】 分析列车若开始时一直加速，然后一直减速，恰好速度最大时对应的时间；然后结合运动学的公式即可求出；根据题目提供的关系，列出功率与密度、速度关系的方程，然后比较即可求出；根据圆周运动的特点，结合牛顿第二定律即可求出各个力之间的关系该题属于物理知识在日常生活中的应用，该题以新设想的“高 速飞行列车”为模型，结合了
11、多个知识点的内容，在解答的过程中要注意题目给出的条件与有关的 信息，找出相关的物理模型，然后进行解答2.（2019 浙江杭州八中质检）如图所示，在 2010 上海世博会上，拉脱维亚馆的风洞飞行表演，令参观者大开眼界，最吸引眼球的就是正中心那个高为 H=10m，直径 D=4m 的透明“垂直风洞”风洞是人工产生和控制的气流，以模拟飞行器或物体周围气体的流动在风力作用的正对面积不变时，风力 F=0.06v2（v 为风速）在本次风洞飞行上升表演中，表演者的质量 m=60kg，为提高表演的观赏性，控制风速 v 与表演者上升的高度 h 间的关系如图 2 所示g=10m/s 2求：（1）表演者上升达最大速度
12、时的高度 h1（2）表演者上升的最大高度 h2（3）为防止停电停风事故，风洞备有应急电源，若在本次表演中表演者在最大高度 h2时突然停电，为保证表演者的人身安全，则留给风洞自动接通应急电源滞后的最长时间 tm（设接通应急电源后风洞一直以最大风速运行）【名师解析】(1)由图 2 可知 v2=1.2104-500h 1 分即风力 F7.210 2-30h当表演者在上升过程中的最大速度 vm时有 F=mg 1 分代入数据得 h1=4m 1 分 7（2）对表演者列动能定理得 WF-mgh2=0 1 分因与 WF与 h 成线性关系，则风力做功 WF h2 1 分F0+Fh22代入数据化简得 h2=8m
13、1 分(3)当应急电源接通后，风洞以最大风速运行时滞后时间最长，表演者减速的加速度为a= =2m/s2 1 分Fm-mgm表演者从最高处到落地过程有 H= gt2m+ 1 分12 (gtm)22a代入数据化简得 tm= s0.52s 1 分2 15153.（20 分）节能环保的“风光互补路灯”获得广泛应用。图1 是利用自然资源实现“自给自足”的风光互补的路灯，图2 是其中一个路灯的结构示意图，它在有阳光时可通过太阳能电池板发电，有风时可通过风力发电。 北京市某日路灯的开灯时间为19: 00 到次日6: 00，若路灯的功率为 P 0 40W，求一盏灯在这段时间内消耗的电能 E电。 风力发电机旋转
14、叶片正面迎风时的有效受风面积为 S ，运动的空气与受风面作用后速度变为零，若风力发电机将风能转化为电能的效率为 ，空气平均密度为 ，当风速为 v 且风向与风力发电机受风面垂直时，求该风力发电机的电功率 P 。 太阳能电池的核心部分是P 型和N 型半导体的交界区域 PN 结，如图3 所示，取P 型和N 型半导体的交界为坐标原点，PN 结左右端到原点的距离分别为 xP 、 xN 。无光照时，PN 结内会形成一定的电压，对应的电场称为内建电场 E场，方向由N 区指向P 区；有光照时，原来被正电荷约束的电子获得光能变为自由电子，就产生了电子空穴对，空穴带正电且电荷量等于元电荷 e ；不计自由电子的初速
15、度，在内建8电场作用下，电子被驱向N 区，空穴被驱向P 区，于是N 区带负电，P 区带正电，图3 所示的元件就构成了直流电源。某太阳能电池在有光持续照射时，若外电路断开时，其PN 结的内建电场场强 E场的大小分布如图4 所示，已知 xP 、 xN 和 E0；若该电池短路时单位时间内通过外电路某一横截面的电子数为 n ，求此太阳能电池的电动势 E 和内电阻 r 。 【参考答案】 1584kJ 或0.44kWh； （3）根据电动势的定义可得：E=W/eW 即为内建电场力所做的功，内建电场力 F 随位移的变化图像如图所示， W 为该图线与坐标轴所围的面积。94.（2019 浙江杭州期末）某同学设计了
16、一个电磁击发装置，其结构如图所示。间距为 的平行长直导轨置于水平桌面上，导轨中 NO 和 段用绝缘材料制成，其余部分均为导电金属 材料，两种材料导轨平滑连接。导轨左侧与匝数为 100 匝、半径为 5cm 的圆形线圈相连，线圈内存在垂直线圈平面的匀强磁场。电容为 1F 的电容器通过单刀双掷开关与导轨相连。 在轨道间 矩形区域内存在垂直桌面向上的匀强磁场，磁感强度为 磁场右侧边界 与 间距离为 初始时金属棒 A 处于 左侧某处，金属棒 B 处于 左侧距 距离为 a 处。当开关与 1 连接时，圆形线圈中磁场随时间均匀变化，变化率为 ；稳定后将开关拨向 2，金厲棒 A 被弹出，与金属棒 B 相碰，并在
17、 B 棒刚出磁场时 A 棒刚好运动到 处，最终 A 棒恰在 处停住。已知两根金属棒的质量均为 、接入电路中的电阻均为，金厲棒与金属导轨接触良好，其余电阻均不计，一切摩擦不计。问：当开关与 1 连接时，电容器电量是多少？下极板带什么电？金属棒 A 与 B 相碰后 A 棒的速度 v 是多少？电容器所剩电量 是多少？【名师解析】 根据法拉第电磁感应定律得： 10电容器所带的电荷量将开 关拨向 2 时 A 棒会弹出说明所受安培力向右，电流向上，故电容器下板带正电。、 B 棒相碰地方发生时没有构成回路，没有感应电流， A、 B 棒均作匀速直线运动直至 A 棒到达处，设碰后 A 棒速度为 v，由于 B 棒
18、的位移是 A 棒的两倍，故 B 棒速度是 棒过 后在安培力作用下减速。由动量定理可知： 即 即 两边求和可得 ，即 金属棒 A 与 B 相碰后 A 棒的速度 v 是 ；电容器所剩电量 是【方法归纳】 根据法拉第电磁感应定律求出感应电动势，电容器两端的电压等于感应电动势的大小，由 求解电容器所带的电荷量，导体棒向右弹开，说明受到的安培力向右，由左手定则判断导体棒中的电流方向，从而判断电容器极板的带电情况；因为导轨中 NO 和 段用绝缘材料制成，所以 A、 B 棒碰后均作匀速直线运动直至 A 棒到达 处，11A 棒过 后在安培力作用下减速，根据动量定理列式，再求和即可 求解；根据动量守恒定律求出 A、 B 棒碰撞前 A 棒的初速度， A 棒弹出过程，根据 动量定理列出方程，求和即可求解剩余电量；本题考查了法拉第电磁感应定律、动量定理、动量守恒定律的综合运用，综合性较强，对学生的能力要求较高，需加强这方面的训练。
